KR101795864B1 - 광대역 음향 메타물질 단위요소를 이용한 광대역 흡음판 - Google Patents

광대역 음향 메타물질 단위요소를 이용한 광대역 흡음판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물을 포함하는 용기; 상기 용기 내부에 형성된 액체 흡수부; 및 상기 용기를 밀봉하기 위한 다이어프램을 포함하는 광대역 음향 메타물질 단위요소 및 이를 이용한 구조물에 관한 것이다.

Description

광대역 음향 메타물질 단위요소를 이용한 광대역 흡음판{BROADBAND ACOUSTIC ABSORPTION PLATE USING BROADBAND ACOUSTIC METAMATERIAL UNIT ELEMENT}
본 발명은 광대역 음향 메타물질 단위요소를 이용한 광대역 흡음판에 관한 것이다.
흡음판은 각종 소음을 완화시키는 작용을 하기 때문에 강의실, 공연장, 산업현장, 대중교통수단 등 다양한 분야에 걸쳐서 사용된다.
종래 흡음판은 다공성 섬유 재질을 사용하여 제조되거나, 헬름홀츠 공명기(Helmholtz resonator)의 원리를 사용하여 제조되고 있다. 이러한 종래 흡음판의 문제점은 저주파 대역까지 흡음하려면 흡음판을 두껍게 만들어야 한다는 것이다. 흡음판은 음파가 반사되는 단단한 벽이나 바닥에 부착되므로, 다공성 섬유 재질로 제조된 흡음판의 두께가 음파의 파장에 비해서 매우 얇으면, 음파의 에너지를 효율적으로 감쇠시킬 수 없어 흡음 효율이 떨어지게 되므로, 다공성 섬유 재질로 제조된 흡음판은 저주파 대역을 흡수하기 위해서 두꺼워져야 한다. 이것은 헬름홀츠 공명기 원리를 사용하는 흡음판의 경우에도 마찬가지이다. 즉, 현재까지는 음파의 파장에 비해서 현저하게 얇은 두께의 흡음판은 존재하지 않는다.
본 발명은 음향메타물질을 이용하는데, 음향 메타물질은 자연계에 존재하는 유체가 가질 수 있는 밀도와 효율체적탄성률의 범위를 초월하는 효율밀도와 효율체적탄성률을 갖는 인공적인 구조이며, 일반적으로 유체 내부에 음향 메타물질 단위요소들이 어레이 형태로 배열된다.
이러한 음향 메타물질을 이용해서 자연계에 존재하는 물질이 낼 수 없는 특성을 갖는 음향 매질을 제조하는 것이 가능해짐에 따라 음향투명망토, 음향슈퍼렌즈, 흡음판, 차음판 및 머플러 등이 개발되고 있다. 특히, 효율체적탄성률이 공기에 비해서 매우 작은 메타물질을 사용하면, 흠음판, 차음판 및 머플러로서 성능을 획기적으로 향상시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명은 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물을 포함하는 용기, 상기 용기 내부에 형성된 액체 흡수부 및 상기 용기를 밀봉하기 위한 다이어프램을 포함하는 광대역 음향 메타물질 단위요소; 및 상기 단위요소 상에 일정 간격 이격되어 형성된 다공성 저항부재를 포함하는 광대역 흡음판을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물을 포함하는 용기, 상기 용기 내부에 형성된 액체 흡수부 및 상기 용기를 밀봉하기 위한 다이어프램을 포함하는 광대역 음향 메타물질 단위요소; 및 상기 단위요소 상에 일정 간격 이격되어 형성된 다공성 저항부재를 포함하는 광대역 흡음판에 관한 것이다.
상기 다공성 저항부재는 지지부재의 의해 상기 단위요소 상에 고정될 수 있다.
상기 광대역 음향 메타물질 단위요소의 효율체적탄성률은 10,000Pa 이하일 수 있다.
상기 용기 내부에 형성되고, 상기 용기 내부를 상기 액체의 끓는점 온도로 유지하기 위한 항온 유지부를 더 포함할 수 있다.
상기 항온 유지부는 상기 용기 내부를 가열하기 위한 가열부; 및 상기 다이어프램의 움직임에 따라 작동하는 피드백 신호부를 포함할 수 있다.
상기 다이어프램의 내면에 형성된 안티포그(anti-fog) 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 다이어프램 외부 또는 내부에 형성된 단열층을 더 포함할 수 있다.
상기 다공성 저항부재는 금속, 합성수지, 섬유, 목재, 석재, 유리 및 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재질로 형성될 수 있다.
상기 광대역 흡음판의 두께는 5 mm 내지 100 mm 일 수 있다.
본 발명에 따른 광대역 흡음판은 광대역 음향 메타물질 단위요소; 및 상기 단위요소 상에 일정 간격 이격되어 형성된 다공성 저항부재를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 상기 광대역 음향 메타물질 단위요소가 광대역에서 예컨대, 10,000Pa 이하의 극소 효율체적탄성률을 가지는바, 상기 광대역 흡음판은 가벼우면서도 얇은 두께를 가질 수 있고, 광대역에서, 특히 저주파 대역에서도 높은 흡음 효율을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 광대역 흡음판 및 등가회로를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제2 구현예에 따른 광대역 흡음판을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제3 구현예에 따른 광대역 흡음판을 도시한 것이다.
도 4는 등온 조건에서 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물에 대한 압력-부피 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제1 구현예에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제2 구현예에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제3 구현예에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소를 도시한 것이다.
본 발명자들은 광대역 음향 메타물질 단위요소는 극소 효율체적탄성률을 가지는바, 단단한 벽에서 음파가 반사되는 경우에 음속을 최소로 줄일 수 있음을 확인하고, 상기 광대역 음향 메타물질 단위요소를 이용하여 가벼우면서도 얇은 두께를 가지는 광대역 흡음판을 고안함으로써, 본 발명을 완성하였다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
본 발명은 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물을 포함하는 용기, 상기 용기 내부에 형성된 액체 흡수부 및 상기 용기를 밀봉하기 위한 다이어프램을 포함하는 광대역 음향 메타물질 단위요소; 및 상기 단위요소 상에 일정 간격 이격되어 형성된 다공성 저항부재를 포함하는 광대역 흡음판을 제공한다.
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 광대역 흡음판 및 등가회로를 도시한 것이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 상기 광대역 흡음판이 1차원 공간 상, 즉, 덕트(300) 내부에 형성되는 경우, 광대역 음향 메타물질 단위요소(100); 및 상기 단위요소 상에 일정 간격 이격되어 형성된 다공성 저항부재(200)를 포함하여 형성된다.
구체적으로, 상기 덕트(200) 내부는 음향이 통과할 수 있는 통로에 해당하고, 상기 단위요소(100) 및 상기 다공성 저항부재(200) 사이의 일정 간격은 음파의 압력에 따른 후술될 다이어프램의 진동 폭을 고려하여 설정된 것이다.
또한, 등가회로 상에서 상기 덕트(300)의 특성 음향 임피던스 값을 Z0라 할 때(도시하지 않음), 상기 다공성 저항부재(200)를 덩어리 요소(lumped element) 로 보았을 때 그 음향 임피던스 값은 대체로 실수이며 따라서 그 임피던스 값을 저항 값 R로 표현하였다. 상기 광대역 음향 메타물질 단위요소(100)의 음향 임피던스 값은 Z로 표현되는데, 이들은 직렬 연결되어 있는바, 총 음향 임피던스 값은 R+Z가 된다. 덕트의 특성 음향 임피던스와 흡음판의 총 음향 임피던스가 비슷하게 만들면, 즉 Z0
Figure 112015107121507-pat00001
R+Z 이면, 입사파는 거의 다 흡수될 것이다.
본 발명에서 광대역 음향 메타물질 단위요소(100)는 극소 효율체적탄성률을 가지는바, 근사적으로 압력자유표면조건(pressure release surface)을 제공할 수 있다. 즉, Z
Figure 112015107121507-pat00002
O이라고 할 수 있으므로, 총 음향 임피던스 값은 대략 R이라고 볼 수 있다.
결국, 상기 다공성 저항부재(200)의 저항 값과 상기 덕트(300)의 고유 임피던스 값을 근사적으로 일치시키는 경우(R
Figure 112015107121507-pat00003
Z0), 덕트 끝단(음파가 입사하는 반대쪽)에서 임피던스 매칭이 이루어지게 되고, 상기 덕트를 따라 입사한 음파는 큰 반사 없이 흡수될 수 있는 이점이 있다.
상기 다공성 저항부재(200)에 형성된 구멍의 직경이 작고 단위면적당 숫자가 적으면 R이 커지고, 반대로 구멍의 직경이 크고 단위면적당 숫자가 많으면 R이 작아진다. Z0는 단위면적당 415 레일(rayl)이므로, R도 그와 같거나 비슷한 값을 가져야 함은 물론이다.
상기 다공성 저항부재(200)의 음향 임피던스의 실수 값은 단위면적당 100 레일(rayl) 내지 1000 레일(rayl)일 수 있다. 상기 다공성 저항부재(200)의 음향 임피던스의 허수 값의 절대치는 단위면적당 0.1 레일(rayl) 내지 300 레일(rayl)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 구현예에 따른 광대역 흡음판을 도시한 것이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 상기 광대역 흡음판이 3차원 공간 상에 형성되는 경우, 광대역 음향 메타물질 단위요소(100) 어레이; 및 상기 단위요소 어레이 상에 일정 간격 이격되어 형성된 다공성 저항부재(400)를 포함하여 형성된다.
구체적으로, 상기 광대역 음향 메타물질 단위요소(100) 어레이는 다수의 광대역 음향 복수의 광대역 음향 메타물질 단위요소(100)들이 직사각형 또는 정사각형 어레이로 배열된 것을 말하는 것이고, 상기 3차원 공간은 다양한 방향의 음향이 통과할 수 있는 통로에 해당하고, 상기 단위요소(100) 및 상기 다공성 저항부재(400) 사이의 일정 간격은 음파의 압력에 따른 후술될 다이어프램의 진동 폭을 고려하여 설정된 것이다.
또한, 등가회로 상에서 상기 공기의 고유 임피던스 값을 Z1라 할때, 상기 다공성 저항부재(400)의 저항 값은 R로 표현되고, 상기 광대역 음향 메타물질 단위요소(100)의 임피던스 값은 Z로 표현되는데, 이들은 직렬 연결되어 있는바, 총 임피던스 값은 R+Z가 된다.
본 발명에서 광대역 음향 메타물질 단위요소(100)는 극소 효율체적탄성률을 가지는바, 압력자유표면조건(pressure release surface)을 제공할 수 있어, Z=O이 될 수 있으므로, 총 임피던스 값은 R로 볼 수 있다.
결국, 상기 다공성 저항부재(400)의 저항 값과 상기 공기의 고유 임피던스 값을 근사적으로 일치시키는 경우(R
Figure 112015107121507-pat00004
Z1), 덕트 끝단(음파가 입사하는 반대쪽)에서 임피던스 매칭이 이루어지게 되고, 임피던스 매칭이 이루어지게 되고, 상기 덕트를 따라 입사한 음파는 큰 반사 없이 흡수될 수 있는 이점이 있다.
도 3은 본 발명의 제3 구현예에 따른 광대역 흡음판을 도시한 것이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 구현예에 따른 광대역 흡음판은 도 2에 따른 본 발명의 제2 구현예에 따른 광대역 흡음판에 있어서, 상기 다공성 저항부재(400)를 상기 단위요소(100) 어레이 상에 고정하기 위한, 기둥형상을 가진 복수의 지지부재를 추가로 포함하여 형성된다.
도 4는 등온 조건에서 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물에 대한 압력-부피 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 액체가 기체로 상변이를 일으키는 액체의 끓는점 온도에서 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물(점선 내부 영역)을 형성할 수 있고, 이때, 혼합물은 부피가 변화하더라도 일정한 압력을 유지할 수 있는 것으로 확인되는바, 압력-부피 다이어그램 상에서 곡선의 기울기는 0으로, 최종적으로 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물의 효율체적탄성률은 0 Pa이 된다.
본 발명에서 사용되는 “체적탄성률(bulk modulus)”이란, 물체에 등방성 압축력(hydrostatic pressure)이 가해졌을 때, 압축되지 않으려고 저항하려는 정도를 나타내는 값을 의미하며, 단위는 압력을 나타내는 단위와 같다:
체적탄성률(bulk modulus)=-V ·ΔP/ΔV.
열역학적 시스템 중 거의 모든 경우에 압력-부피 다이어그램 상에서 곡선은 기울기(ΔP/ΔV)는 음의 값을 가지므로 효율체적탄성률은 양의 값을 갖지만, 본 발명을 통하여, 효율체적탄성률이 0 Pa이 되는 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물을 찾아내고, 이를 이용한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 광대역 흡음판을 구성하는 광대역 음향메타물질 단위요소 및 다공성 저항부재에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 광대역 흡음판은 광대역 음향메타물질 단위요소를 포함하고, 상기 광대역 음향메타물질 단위요소는 광대역에서 예컨대, 10,000Pa 이하의 극소 효율체적탄성률을 가지는바, 근사적으로 압력자유표면조건(pressure release surface)을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 구현예에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소를 도시한 것이다.
도 5에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 제1 구현예에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소(100)는 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물을 포함하는 용기(10); 상기 용기 내부에 형성된 액체 흡수부(20); 및 상기 용기를 밀봉하기 위한 다이어프램(30)를 포함하여 형성된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소(100)는 용기(10)를 포함하고, 상기 용기(10)는 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물을 포함한다. 이때, 상기 용기(10) 내부에 외부 공기는 제외ㄹ지지부재시켜야 한다. 이때, 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물은 액체의 끓는점 온도에서 형성되는 것으로, 상기 용기(10) 내부는 대략적인 끓는점 온도를 유지할 수 있어야 한다.
상기 액체는 끓는점이 비교적 낮은 것을 특징으로 하고, 상기 액체의 끓는점 온도는 30℃ 내지 200℃일 수 있다. 상기 액체로는 에탄올, 메탄올, 에탄올/메탄올 혼합물, 가솔린, 아세톤, 물 등이 사용될 수 있다.
상기 용기(10)는 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물을 포함시키는바, 상기 용기(10) 내부는 광대역에서 극소 효율체적탄성률을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 용기(10) 내부의 효율체적탄성률은 공기의 체적탄성률의 1/10 수준에 해당하는 10,000 Pa 이하인 것이 바람직하고, 1,000 Pa 이하인 것이 더욱 바람직하고, 거의 0 Pa인 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 용기(10) 내부는 효율체적탄성률이 O Pa이 되도록 상기 액체의 끓는점 온도를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소(100)는 액체 흡수부(20)를 포함하고, 상기 액체 흡수부(20)는 상기 용기(10) 내부에 형성되어, 상기 용기(10)에 포함된 액체를 흡수하는 역할을 하는바, 상기 광대역 음향 메타물질 단위요소(100)의 성능을 좌우한다. 또한, 상기 액체 흡수부(20)는 흡수된 액체와 상기 액체의 포화증기가 접촉하는 표면을 최대화시킬 수 있도록 표면적이 넓은 것이 바람직한바, 다공성 재질로 형성될 수 있다.
즉, 상기 액체 흡수부(20)는 액체를 흡수할 수 있으면서도, 표면적이 넓은 것이 바람직하므로, 다공성 부직포 또는 스펀지가 적합할 수 있다.
일 예로, 상기 액체 흡수부(20)의 표면적을 넓히기 위해서 액체의 흡수가 가능한 다공성 부직포 또는 스펀지를 물결 형태로 성형한 후, 이의 굴곡부끼리 접촉되도록 여러 겹을 수직으로 적층하였는바, 흡수된 액체와 상기 액체의 포화증기가 접촉하는 표면을 최대화시킬 수 있다.
상기 용기(10)의 온도가 끓는 점으로 유지되면, 상기 다이어프램(30)은 외부에서 음파의 압력이 가해지지 않을 때는 평면의 형태가 된다. 음파가 있을 때에는 음파의 압력이 시간에 따라 사인파 형태로 진동하게 된다.
음파의 압력이 양일 때는 상기 다이어프램(30)가 용기(10) 내부로 팽창되어 곡면을 형성하게 되며, 용기 내부의 포화증기가 차지하는 부피를 감소시킨다. 이에 따라 상기 액체 흡수부(20)의 표면에서는 응축이 일어나게 되어 응축열을 발생시키게 되고, 상기 액체 흡수부(20)의 표면의 온도는 주위의 온도 즉 상기 액체의 끓는점 온도 보다 미소 차이로 높아진다. 액체와 포화증기가 만나는 표면의 온도가 상기 액체의 끓는점 온도 보다 높아지는 경우에는 상기 용기(10) 내부의 압력이 대기압 보다 미소하게 높아지게 되는바, 상기 용기(10) 내부의 효율체적탄성률이 0 Pa 보다 미소하게 커진다. 포화증기와 액체가 만나는 표면의 넓이가 클수록 동일한 체적변화에 따른 상기 액체와 포화증기가 만나는 표면의 온도 상승이 작아지게 되며, 결국 상기 용기(10) 내부의 효율체적탄성률이 0 Pa에 보다 가깝게 된다. 따라서, 액체와 포화증기가 만나는 표면의 면적을 크게 해주는 것이 바람직하며, 이는 표면적이 넓은 액체 흡수부(20)를 사용함으로써 달성된다.
한편, 음파의 압력이 음일 때는 상기 다이어프램(30)가 용기(10) 외부로 팽창되어 곡면을 형성하게 되며, 용기 내부의 포화증기가 차지하는 부피를 증가시킨다. 이에 따라 상기 액체 흡수부(20)의 표면에서는 증발이 일어나게 되며, 기화열에 의해 상기 액체 흡수부(20)의 표면의 온도는 주위의 온도 즉 상기 액체의 끓는점 온도 보다 미소 차이로 낮아진다. 액체와 포화증기가 만나는 표면의 온도가 상기 액체의 끓는점 온도 보다 낮아지는 경우에는 상기 용기(10) 내부의 압력이 대기압 보다 미소하게 낮아지게 되는바, 상기 용기(10) 내부의 효율체적탄성률이 0 Pa 보다 미소하게 커진다. 포화증기와 액체가 만나는 표면의 넓이가 클수록 동일한 체적변화에 따른 상기 액체와 포화증기가 만나는 표면의 온도 하강이 작아지게 되며, 결국 상기 용기(10) 내부의 효율체적탄성률이 0 Pa에 보다 가깝게 된다. 따라서, 액체와 포화증기가 만나는 표면의 면적을 크게 해주는 것이 바람직하며, 이는 표면적이 넓은 액체 흡수부(20)를 사용함으로써 달성된다.
이와 같이, 상기 액체 흡수부(20)의 표면적이 커질수록 상기 액체 흡수부(20) 표면의 온도 변화는 작아지고, 상기 액체 흡수부(20)의 표면적이 무한히 큰 경우에는 외부 음파의 영향으로 상기와 같은 표면의 온도 변화와 그에 따른 미소 압력 변화가 없으므로 상기 용기(10) 내부의 효율체적탄성률은 0 Pa이 된다.
또한, 본 발명에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소(100)는 다이어프램(30)를 포함하고, 상기 다이어프램(30)는 상기 포화증기의 유실을 막기 위해 용기(10)를 밀봉하기 위한 것으로, 가볍고 유연한 재질을 사용할 수 있다.
일반적인 벽은 그 안팎의 압력을 다르게 유지하는 수단이 될 수 있지만, 상기 다이어프램(30)은 그 안팎의 압력을 동일하게 유지해야 한다. 따라서, 상기 다이어프램(30)로는 셀로판지, 랩 등이 공지의 다양한 얇은 막이 사용될 수 있고, 주름진 금속판을 사용하는 것도 바람직하다.
도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 다이어프램(30)으로 그 안팎의 압력을 동일하게 유지하기 위해, 다수의 동심원 형태로 주름진 형태를 가지는 금속판을 사용할 수 있다.
또한, 외부의 온도는 상기 용기(10)의 내부 온도 보다 낮으므로, 상기 다이어프램(30) 내면에 포화증기가 응결되고, 응결된 액체방울은 상기 다이어프램(30)의 질량을 증가시켜 외부 압력의 변화에 따라 즉시 움직이는 것을 방해하게 되는 문제점이 생길 수 있는바, 이를 개선하기 위해 상기 다이어프램(30)의 내면에 형성된 안티포그(anti-fog) 코팅층(도면 미도시)을 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 구현예에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소를 도시한 것이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제2 구현예에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소는 전술한 바와 같이, 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물을 포함하는 용기(10); 상기 용기 내부에 형성된 액체 흡수부(20); 및 상기 용기를 밀봉하기 위한 다이어프램(30)를 포함하고, 상기 용기 내부에 형성되고, 상기 용기 내부를 상기 액체의 끓는점 온도로 유지하기 위한 항온 유지부(40)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 항온 유지부(40)는 상기 용기 내부를 가열하기 위한 가열부(41); 및 상기 다이어프램(30)의 움직임에 따라 작동하는 피드백 신호부(42)를 포함하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 용기(10), 액체 흡수부(20) 및 다이어프램(30)에 대해서는 전술한 바와 같다.
이때, 상기 피드백 신호부(42)의 일례로서는, 상기 다이어프램의 내면 또는 외면의 일측면에 형성된 도체 및 이와 미소 간극을 두고 형성된 접점을 포함할 수 있다. 상기 다이어프램의 움직임에 따라 도체 및 접점의 접촉 및 비접촉이 결정된다. 이때, 도체로는 동테이프 또는 동선 등이 사용되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 다이어프램(30)가 내부로 팽창하는 경우에는 상기 피드백 신호부(42)의 도체 및 접점을 접촉시킴으로써, 상기 가열부(41)는 열을 발생시키고, 상기 다이어프램(30)가 외부로 팽창하는 경우에는 상기 피드백 신호부(42)의 도체 및 접점을 비접촉시킴으로써, 상기 가열부(41)는 열을 발생시키지 않아 자연냉각된다. 이와 같은 과정을 반복함으로써, 상기 용기(10) 내부를 상기 액체의 끓는점 온도로 유지할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소(100)의 외부를 단열재로 마감처리함으로써, 내부의 온도를 균일하게 유지하여, 항온 유지부(400)의 가열부(41) 용량을 줄일 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 구현예에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소를 도시한 것이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제3 구현예에 따른 광대역 음향 메타물질 단위요소는 전술한 바와 같이, 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물을 포함하는 용기(10); 상기 용기 내부에 형성된 액체 흡수부(20); 및 상기 용기를 밀봉하기 위한 다이어프램(30)를 포함하는데, 상기 다이어프램 외부 또는 내부에 형성된 단열층(50)을 더 포함할 수 있고, 상기 단열층은 일정 간격 이격된 복수의 층들로 형성되고, 상기 복수의 층들 사이에 형성된 보조가열부(60)를 더 포함하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 용기(10), 액체 흡수부(20) 및 다이어프램(30)에 대해서는 전술한 바와 같다.
이때, 상기 단열층(50)은 상기 다이어프램(30) 외부 또는 내부에 형성될 수 있는 것으로, 일정 간격 이격된 복수의 층들(51, 52)을 포함할 수 있고, 다이어프램의 외면에 압력을 통과시키는 가볍고 유연한 재질의 막들이 사용될 수 있다. 상기 복수의 층들(51, 52) 사이는 공기로 채울 수 있어, 단열을 강화시킬 수 있고, 이로 인해 다이어프램(30) 내면에 액체가 응결되는 현상을 방지할 수 있다.
상기 단열층(50)이 일정 간격 이격된 복수의 층들(51, 52)을 포함하는 경우, 상기 복수의 층들(51, 52) 사이에 보조가열부(60)을 형성할 수도 있다. 이러한 보조가열부(50)의 형성으로 인하여 포화증기와 접하고 있는 다이어프램(30)의 온도를 액체의 끓는점 보다 높게 유지할 수 있어, 이로 인해 다이어프램(30) 내면에 액체가 응결되는 현상을 방지할 수도 있다. 상기 보조가열부(60)는 다공성 판 형태로 형성될 수 있는데, 이러한 다공성 판 형태의 보조가열부에 형성된 공극은 압력 차이가 발생하지 않도록 공기를 자유롭게 통과시킬 수 있다.
일 예로, 다이어프램(30) 외부에 일정 간격 이격된 복수의 층들(51, 52)이 형성되고, 그 사이에 보조가열부(60)가 형성되는 경우, 상부 단열층(51)은 보조가열부(60)을 외부로부터 단열시켜서 보조가열부(50)가 식지 않게 하여 전력소모를 줄이기 위한 역할을 할 수 있고, 하부 단열층(52)은 보조가열부(60)를 내부의 포화증기와 단열시켜서 내부의 포화증기가 보조가열부(60)로부터 공급받는 열의 양을 줄이기 위한 역할을 할 수 있다. 이때, 상기 상부 단열층(51) 및 상기 하부 단열층(52)은 각각 2겹의 막들로 형성될 수 있다.
이때, 보조가열부(60)로부터 너무 많은 열량이 내부에 공급되는 경우, 항온 유지부(40)의 작동에 문제가 생길 수 있으므로, 보조가열부(60)의 초당 발열량은 보조가열부(60)의 온도가 액체의 끓는점 보다 다소 높게 유지되는 수준을 유지하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다.
다음으로, 본 발명에 따른 광대역 흡음판은 다공성 저항부재를 포함하고, 상기 다공성 저항부재는 덕트 또는 공기의 고유 임피던스 값과 대체로 동일한 저항값을 가짐으로써, 덕트 끝단(음파가 입사하는 반대쪽)에서 만족할 만한 임피던스 매칭을 이루어 광대역의 음파에 대해서 70% 이상의 흡음 효율을 달성할 수 있다.
상기 다공성 저항부재는 지지부재의 의해 상기 단위요소 상에 고정될 수 있다. 이때, 상기 지지부재는 상기 다공성 저항부재를 지지하기 위해 상기 단위요소 상에 복수로 형성될 수 있고, 기둥 형상을 가질 수 있다. 상기 지지부재는 음파의 진동에 따라 공기가 움직일 때, 상기 다공성 저항부재가 공기와 함께 움직이지 않고 고정된 상태를 유지하기 위한 기능을 한다.
상기 다공성 저항부재는 공기 흐름에 대한 저항을 일으킬 수 있을 정도의 복수의 구멍을 가지는 부재로서, 음파의 감쇠를 위한 것이며, 구멍의 크기는 특별히 한정되지 않는다. 이때, 공기 흐름에 대한 저항을 일으킬 수 있는 정도라 함은, 상기 저항부재를 덩어리 요소로 보았을 때 그 임피던스를 말하는데, 그 값은 구멍의 크기와 저항부재의 밀도에 의해 좌우되는 것으로, 공기의 임피던스 값과 최대한 유사한 것이 바람직하다. 이는 통상, 엔진 에어필터에 사용되는 재질이 갖는 저항 정도의 수준이다. 이러한 저항으로 인하여 공기가 다공성 저항부재를 통과하는 경우 공기의 속도에 비례하는 압력강하를 발생시키고, 이에 따라 저항이 생긴다.
구체적으로, 상기 다공성 저항부재는 금속, 합성수지, 섬유, 목재, 석재, 유리 및 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재질로 형성될 수 있다. 상기 다공성 저항부재는 금속, 합성수지, 섬유, 목재, 석재 및 유리로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재질로 형성되고, 복수의 미세 구멍을 가진 작은 판재이거나, 직포 또는 부직포의 다공성 섬유 재질로 형성될 수 있다.
이때, 금속으로는 철, 알루미늄, 황동 등이 사용될 수 있고, 합성 수지로는 아세탈(POM) 수지, 아크릴 수지, 폴리카보네이트(PC) 수지, 폴리프로필렌(PP) 수지, ABS 수지 등이 사용될 수 있고, 석재로는 운도 등이 사용될 수 있다. 특히, 상기 다공성 저항부재는 다공성 부직포 섬유 재질로 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 광대역 흡음판의 총 두께는 5mm 내지 100mm인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 광대역 흡음판의 총 두께가 상기 범위 미만인 경우, 외부 환경으로부터 내부를 보호하기 어려울 수 있고, 광대역 흡음판의 총 두께가 상기 범위를 초과하는 경우, 무게가 너무 과다해지는 문제점이 있다. 상기 광대역 흡음판은 상기와 같이 얇은 두께를 유지하더라도, 광대역에서, 특히 저주파 대역에서도 높은 흡음 효율을 가질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 광대역 흡음판은 광대역 음향 메타물질 단위요소; 및 상기 단위요소 상에 일정 간격 이격되어 형성된 다공성 저항부재를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 상기 광대역 음향 메타물질 단위요소가 광대역에서 예컨대, 10,000Pa 이하의 극소 효율체적탄성률을 가지는바, 상기 광대역 흡음판은 가벼우면서도 얇은 두께를 가질 수 있고, 광대역에서, 특히 저주파 대역에서도 높은 흡음 효율을 가질 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

  1. 액체 및 상기 액체의 포화증기 혼합물을 포함하는 용기, 상기 용기 내부에 형성된 액체 흡수부 및 상기 용기를 밀봉하기 위한 다이어프램, 및 상기 용기 내부에 형성되고 상기 용기 내부를 상기 액체의 끓는점 온도로 유지하기 위한 항온 유지부를 포함하는 광대역 음향 메타물질 단위요소; 및
    상기 단위요소 상에 일정 간격 이격되어 형성된 다공성 저항부재를 포함하고;
    상기 항온 유지부는 상기 용기 내부를 가열하기 위한 가열부; 및 상기 다이어프램의 움직임에 따라 작동하는 피드백 신호부를 포함하는
    광대역 흡음판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 저항부재는 지지부재에 의해 상기 단위요소 상에 고정되는
    광대역 흡음판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광대역 음향 메타물질 단위요소의 효율체적탄성률은 10,000Pa 이하인
    광대역 흡음판.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다이어프램의 내면에 형성된 안티포그(anti-fog) 코팅층을 더 포함하는
    광대역 흡음판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다이어프램 외부 또는 내부에 형성된 단열층을 더 포함하는
    광대역 흡음판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 저항부재는 금속, 합성수지, 섬유, 목재, 석재, 유리 및 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재질로 형성된
    광대역 흡음판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광대역 흡음판의 두께는 5mm 내지 100mm인
    광대역 흡음판.
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