KR101843798B1 - 음향메타 구조의 소음 저감 장치 - Google Patents

음향메타 구조의 소음 저감 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 음향메타 구조의 소음 저감 장치는 기둥 형상의 몸체부를 포함하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치로서, 상기 몸체부는, 상기 몸체부의 중앙을 관통하는 중공 홀, 상기 몸체부의 내부에 빈 공간으로 형성되는 공간부, 및 상기 중공 홀과 상기 공간부를 연통하여 형성되는 안내 홀을 포함한다.

Description

음향메타 구조의 소음 저감 장치{DEVICE FOR REDUCING NOISE OF SOUND META STRUCTURE}
본 발명의 실시예들은 음향메타 구조의 소음 저감 장치에 관한 것이다.
일반적으로 방음시설은 도로변, 철도 및 지하철, 고속도로, 공장주변, 학교주변, 연구소, 병원, 주거지와 도로의 경계에 설치되어 소음이 발생하는 지역과 소음에 민감한 지역 주변에 설치하여 소음을 경감시켜 소음으로 인해 발생되는 생활환경의 피해를 방지한다.
소음에 대한 문제점을 해결하고자 다양한 형태의 흡음재 및 차음재를 이용하거나, 방음벽에 주로 적용되어 소음을 산란시키는 산란형 구조의 방음 구조를 이용하기도 한다. 예컨대, 소음이 발생하는 부분에 흡음재 및 차음재를 부착시킴으로써 소음을 저감시키는 방법이 있다.
그런데, 이러한 흡음재 및 차음재를 이용하는 소음 저감 방법은 넓은 주파수 대역의 소음 저감이 가능하나 저주파수 대역의 소음 저감량이 낮으며, 소음이 발생하는 주파수에 대한 고려가 불가능하다.
또한, 흡음재 및 차음재의 부착을 통해 제품의 중량이 증가하고 단가가 상승하게 되며, 소음이 통과되는 부분에 부착이 되는 형식이므로 소음과 열이 함께 발생하는 기계에 적용시키기 어렵다.
따라서, 소음이 발생하는 주파수 대역에 대한 고려가 가능하고, 소음의 저감 외에 기계로부터 발생되는 열은 배출시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1337956호(발명의 명칭: 음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치, 공고일자: 2013년 12월 09일)가 있다.
본 발명의 일 실시예는 복수의 단위 셀로 구현된 공명기의 헬름홀츠 공명 구조에 기초하여 특정 주파수 대역의 소음을 저감시키고, 공명기 내 중공된 홀을 형성함으로써 넓은 주파수 대역의 소음을 저감시키는 음향메타 구조의 소음 저감 장치를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음향메타 구조의 소음 저감 장치는 기둥 형상의 몸체부를 포함하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치로서, 상기 몸체부는, 상기 몸체부의 중앙을 관통하는 중공 홀, 상기 몸체부의 내부에 빈 공간으로 형성되는 공간부. 및 상기 중공 홀과 상기 공간부를 연통하여 형성되는 안내 홀을 포함한다.
상기 공간부 및 상기 안내 홀은 특정 주파수 대역의 소음을 저감하기 위한 제1 흡음부를 형성하고, 상기 중공 홀은 상기 특정 주파수의 대역보다 넓은 대역의 소음을 저감하기 위한 제2 흡음부를 형성할 수 있다.
상기 몸체부는 상기 공간부의 상부에 구비되는 커버부를 포함하고, 상기 커버부는 상기 공간부의 상부에 탈부착에 의한 조립 방식으로 결합될 수 있다.
상기 몸체부는 사각 기둥 또는 육각 기둥으로 구현될 수 있다.
상기 안내 홀은 상기 중공 홀로부터 상기 공간부를 향해 소정의 길이를 가지고 연장되어 돌출 형성될 수 있다.
상기 제1 흡음부에 관한 공명 주파수는 하기 수학식 1에 기초하여 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016085800855-pat00001
여기서, LH는 상기 안내 홀의 유효 길이이고, SH는 상기 안내 홀의 면적이고, VH는 상기 몸체부의 부피이고, c는 공기의 음향 속도임.
상기 제1 흡음부에 관한 공명 주파수의 크기는 상기 안내 홀의 면적이 증가하거나 상기 공기의 음향 속도가 증가함에 따라 커지고, 상기 안내 홀의 유효 길이가 증가하거나 상기 몸체부의 부피가 증가함에 따라 작아질 수 있다.
상기 소음 저감 장치는 하기 수학식 5에 기초하여 이론 음향 임피던스를 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112016085800855-pat00002
여기서, ZTotal은 상기 이론 음향 임피던스이고, Zh는 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, Zp는 상기 몸체부의 밀도에 관한 음향 임피던스이고, Zs는 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스임.
상기 소음 저감 장치는 하기 수학식 2에 기초하여 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스를 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016085800855-pat00003
여기서, Zh는 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ρ0는 공기의 밀도이고, c0은 공기의 음파 속도이고, k0는 공기의 파수이고, Rw는 강벽에서 일어나는 점성 손실이고, LH는 상기 안내 홀의 유효 길이이고, SH는 상기 안내 홀의 면적이고, VH는 상기 몸체부의 부피이고, ah는 상기 안내 홀의 반지름임.
상기 소음 저감 장치는 하기 수학식 4에 기초하여 상기 몸체부의 밀도에 관한 음향 임피던스를 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112016085800855-pat00004
여기서, Zp는 상기 몸체부의 밀도에 관한 음향 임피던스이고, mp는 상기 몸체부의 밀도이고, ω는 각진동수(angular frequency)이고, Sp는 상기 중공 홀의 단면적임.
상기 소음 저감 장치는 하기 수학식 3에 기초하여 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스를 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112016085800855-pat00005
여기서, Zs는 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ρ0는 공기의 밀도이고, c0은 공기의 음파 속도이고, Sp는 상기 중공 홀의 단면적이고, d는 상기 중공 홀의 두께임.
본 발명의 다른 실시예에 따른 음향메타 구조의 소음 저감 장치는 상기 몸체부의 하부면에 결합되는 판 형상의 패널을 더 포함하고, 상기 패널은 상기 중공 홀과 대응되는 위치에 형성되는 홀을 구비할 수 있다.
상기 패널은 소음원을 향하는 방향에 배치될 수 있다.
상기 몸체부는 서로 인접하여 주기성을 가지는 복수의 단위 셀로 형성될 수 있다.
상기 몸체부는 주기성을 가지도록 허니컴(honeycomb) 구조로 구현될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 셀 단위로 구현된 공명기의 헬름홀츠 공명 구조에 기초하여 특정 주파수 대역의 소음을 저감시키고, 공명기 내 중공된 홀을 형성함으로써 넓은 주파수 대역의 소음을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향메타 구조의 소음 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 결합 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 a-a'에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향메타 구조의 소음 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 결합 사시도이다.
도 5는 도 4의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스에 기초하여 계산된 소음의 투과 손실을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스와 실제 측정된 음향 특성에 기초하여 계산된 소음의 투과 계수 및 반사 계수를 각각 비교하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 소음 저감 장치에 대한 음향 특성을 분석하기 위해 사용된 4 마이크 임피던스 튜브(4-microphone impedance tube)를 나타낸 도면이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스와 실제 측정된 음향 특성에 기초하여 계산된 유효 질량(Effective density)을 나타내는 그래프이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스와 실제 측정된 음향 특성에 기초하여 계산된 체적 탄성 계수(Bulk modulus)를 나타내는 그래프이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스와 실제 측정된 음향 특성에 기초하여 계산된 복소 음향 속도(Complex Wave Speed)의 실수부에 대한 음향 속도를 나타내는 그래프이다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스와 실제 측정된 음향 특성에 기초하여 계산된 복소 음향 속도(Complex Wave Speed)의 허수부에 대한 음향 속도를 나타내는 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 각각 음향 파워의 실험 결과를 나타낸 그래프 및 표이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향메타 구조의 소음 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향메타 구조의 소음 저감 장치(100)는 기둥 형상의 몸체부(110)를 포함한다.
상기 몸체부(110)는 외부로부터 방사된 소음이 통과되면서 공명을 일으켜 내부에 흠음되도록 하는 공명기로 구현될 수 있다.
여기서, 상기 몸체부(110)는 사각 기둥 또는 육각 기둥으로 구현될 수 있는데, 본 실시예에서는 도면에서와 같이 육각 기둥의 형태로 구현되는 것이 바람직하다.
상기 몸체부(110)는 중공 홀(112), 공간부(114), 및 안내 홀(116)을 포함한다.
상기 중공 홀(112)은 상기 몸체부(110)의 중앙을 관통한다. 여기서, 상기 중공 홀(112)은 내부가 중공된 기둥 형상으로 구현될 수 있다.
상기 중공 홀(112)은 외부에서 방사된 소음 중 일부를 흡수하는 흡수재의 기능을 가질 수 있고, 흡수되지 않은 나머지 소음은 통과시키는 통로의 기능도 가질 수 있다.
이때, 상기 소음 저감 장치를 압축기기나 회전기기 등에 적용시키는 경우, 상기 중공 홀(112)은 위와 같은 기계에서 발생된 열을 통과 및 방출시킬 수도 있다.
상기 공간부(114)는 상기 몸체부(110)의 내부에 빈 공간으로 형성된다.
즉, 상기 공간부(114)는 상기 몸체부(110)의 외주와 상기 중공홀의 외주 사이에 비어있는 공간으로 형성될 수 있다.
상기 공간부(114)의 상부면 및 하부면은 상기 몸체부(110)의 상부면 및 하부면으로서, 상기 공간부(114)를 상기 몸체부(110)의 외부로부터 차단시킬 수 있다.
즉, 상기 공간부(114)는 상기 중공 홀(112)을 제외한 상기 몸체부(110)의 상부면 및 하부면에 의해 형성될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 공간부(114)의 상부에는 커버부(118)가 구비될 수 있다.
상기 커버부(118)는 상기 공간부(114)의 상부에 탈부착에 의한 조립 방식으로 결합될 수 있다. 다시 말해, 상기 공간부(114)는 상부에 구비되는 커버부(118)와의 결합으로 인해 상기 몸체부(110) 내부에 형성될 수 있다.
참고로, 상기 커버부(118)가 상기 공간부(114)의 상부에 결합되는 방식은 탈부착 이외에 초음파 융착, 본드를 이용한 접착, 혹은 기구상의 끼워 맞춤 등이 더 가능하다.
이에 따라, 상기 공간부(114)는 상기 몸체부(110) 자체의 상부면과 하부면에 의해 형성되거나, 상기 몸체부(110) 자체의 상부면 대신에 별도로 구비되는 커버부(118)에 의해 형성될 수 있다.
상기 공간부(114)는 후술하고자 하는 안내 홀(116)을 통해 전파된 소음이 공명되는 공간이자 흡음이 이루어지는 공간이기도 하다.
상기 안내 홀(116)은 상기 중공 홀(112)과 상기 공간부(114)를 연통하여 형성된다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 상기 안내 홀(116)은 내부가 소정의 넓이(Sh)를 가지고 중공된 기둥 형상으로 구현됨으써 상기 중공 홀(112)과 상기 공간부(114)를 연통할 수 있다. 참고로, 도 3은 도 1의 a-a'에 대한 단면도이다.
상기 안내 홀(116)은 상기 중공 홀(112)로부터 상기 공간부(114)를 향해 소정의 길이(Lh)를 가지고 연장되어 돌출 형성될 수 있다.
즉, 상기 안내 홀(116)은 상기 중공 홀(112)의 둘레로부터 내측 방향이 아닌 외측 방향을 향해 연장되어 형성될 수 있다.
참고로, 상기 안내 홀(116)의 길이(Lh)는 상기 중공 홀(112)의 둘레로부터 상기 몸체부(110)의 둘레까지의 길이보다 작아야 하는 것이 바람직하다. 이는 안내 홀(116)로 통과되는 소음이 상기 공간부(114)로 유입되기 위함이다.
상기 안내 홀(116)은 상기 중공 홀(112)로 통과되는 소음 중 일부를 상기 공간부(114)로 안내하는 가이드 역할을 수행할 수 있다. 즉, 상기 안내 홀(116)을 통해 상기 소음이 상기 공간부(114)로 전파되어 흡음될 수 있다.
한편, 상기 공간부(114) 및 상기 안내 홀(116)은 특정 주파수 대역의 소음을 저감하기 위한 제1 흡음부를 형성할 수 있다.
즉, 상기 제1 흡음부에 의해 외부로부터 방사된 소음에 대하여 특정 주파수 대역에서 소음을 저감시킬 수 있다.
이때, 본 실시예에서는, 상기 공간부(114) 및 상기 안내 홀(116)의 구조에 따라 저감시킬 수 있는 특정 주파수 대역의 소음에 관한 주파수(f)를 결정할 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 흡음부에 관한 공명 주파수(f)를 결정할 수 있다.
상기 주파수(f)는 하기 수학식 1에 기초하여 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016085800855-pat00006
여기서, LH는 상기 안내 홀(116)의 유효 길이이고, SH는 상기 안내 홀(116)의 면적이고, VH는 상기 몸체부(110)의 부피이고, c는 공기의 음향 속도이다.
이때, 상기 제1 흡음부에 관한 공명 주파수(f)의 크기는 상기 안내 홀(116)의 면적 또는 상기 공기의 음향 속도에 비례할 수 있다. 예컨대, 상기 안내 홀(116)의 면적이 증가하거나 상기 공기의 음향 속도가 증가함에 따라 상기 제1 흡음부에 관한 공명 주파수(f)의 크기는 커질 수 있다.
또한, 상기 제1 흡음부에 관한 공명 주파수(f)의 크기는 상기 안내 홀(116)의 유효 길이 또는 상기 몸체부(110)의 부피에 반비례할 수 있다. 예컨대, 상기 안내 홀(116)의 유효 길이가 증가하거나 상기 몸체부(110)의 부피가 증가함에 따라 상기 제1 흡음부에 관한 공명 주파수(f)의 크기는 작아질 수 있다.
상기 제1 흡음부는 전술한 상기 공간부(114) 및 상기 안내 홀(116)의 구조에 의해 헬름홀츠 공명에 관한 음향 임피던스 특성을 가질 수 있다.
이를 통해, 본 실시예에서는, 상기 공간부(114) 및 상기 안내 홀(116)의 구조가 헬름홀츠 공명기의 구조와 유사하다고 할 수 있다.
참고로, 헬름홀츠 공명기는 조그만 구멍이나 주둥이와 같은 좁은 목(neck)과 밀폐된 공동으로 구성된 음향기구로서, 특정 주파수에 대한 위상변이 발생으로 인해 특정 주파수 대역에서 소음을 소멸시킬 수 있다.
이로써, 본 실시예에서는, 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스 특성으로 인해 특정 주파수 대역의 소음을 저감시킬 수 있다.
상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스는 하기 수학식 2에 기초하여 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016085800855-pat00007
여기서, Zh는 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ρ0는 공기의 밀도이고, c0은 공기의 음파 속도이고, k0는 공기의 파수이고, Rw는 강벽에서 일어나는 점성 손실이고, LH는 상기 안내 홀(116)의 유효 길이이고, SH는 상기 안내 홀(116)의 면적이고, VH는 상기 몸체부(110)의 부피이고, ah는 상기 안내 홀(116)의 반지름이다.
상기 중공 홀(112)은 상기 특정 주파수 대역보다 넓은 대역의 소음을 저감하기 위한 제2 흡음부를 형성할 수 있다.
즉, 상기 제2 흡음부에 의해 외부로부터 방사된 소음에 대하여 보다 넓은 주파수 대역에서 소음을 저감시킬 수 있다.
상기 제2 흡음부는 전술한 상기 중공 홀(112)의 구조에 의해 LIM(Lumped Inertance Muffler)에 관한 음향 임피던스 특성을 가질 수 있다.
상기 LIM에 관한 음향 임피던스 특성은 상기 중공 홀(112)의 단면적과 상기 중공 홀(112)의 두께 등에 기초하여 성질이 달라질 수 있다.
이로써, 본 실시예에서는, 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스 특성으로 인해 보다 넓은 주파수 대역에서 소음을 저감시킬 수 있다.
상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스는 하기 수학식 3에 기초하여 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112016085800855-pat00008
여기서, Zs는 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ρ0는 공기의 밀도이고, c0은 공기의 음파 속도이고, Sp는 상기 중공 홀(112)의 단면적이고, d는 상기 중공 홀(112)의 두께이다.
본 실시예에서는, 상기 제1 흡음부 및 상기 제2 흡음부 이외에 상기 몸체부(110)의 밀도에 관한 음향 임피던스 특성으로 인해 소음을 저감시킬 수도 있다.
상기 몸체부(110)의 밀도에 관한 음향 임피던스 특성은 상기 몸체부(110)의 밀도와 상기 중공 홀(112)의 단면적 등에 기초하여 성질이 달라질 수 있다.
상기 몸체부(110)의 밀도에 관한 음향 임피던스는 하기 수학식 4에 기초하여 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112016085800855-pat00009
여기서, Zp는 상기 몸체부(110)의 밀도에 관한 음향 임피던스이고, mp는 상기 몸체부(110)의 밀도이고, ω는 각진동수(angular frequency)이고, Sp는 상기 중공 홀(112)의 단면적이다.
한편, 본 실시예에서는 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스 특성, 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스 특성, 및 상기 몸체부(110)의 밀도에 관한 음향 임피던스 특성을 포함하는 이론 음향 임피던스를 도출할 수 있다.
상기 도출된 이론 음향 임피던스를 통해 본 실시예에서 특정 주파수 대역의 소음을 저감시킴과 동시에 넓은 주파수 대역의 소음을 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
상기 이론 음향 임피던스는 하기 수학식 5에 기초하여 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112016085800855-pat00010
ZTotal은 상기 이론 음향 임피던스이고, Zh는 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, Zp는 상기 몸체부(110)의 밀도에 관한 음향 임피던스이고, Zs는 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스이다.
이하에서는, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향메타 구조의 소음 저감 장치를 설명하고자 한다.
참고로, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향메타 구조의 소음 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 결합 사시도 이고, 도 5는 도 4의 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향메타 구조의 소음 저감 장치는 몸체부(110) 및 패널(120)을 포함한다.
상기 몸체부(110)는 중공 홀(112), 공간부(114), 안내 홀(116), 및 커버부(118)를 포함하는 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향메타 구조의 소음 저감 장치의 중공 홀(112), 공간부(114), 안내 홀(116), 및 커버부(118)와 동일 및 유사하므로 자세한 설명은 생략하고, 전체 형상에 관해서만 설명하기로 한다.
상기 몸체부(110)를 설명하기 앞서, 상기 패널(120)에 관하여 설명하고자 한다.
상기 패널(120)은 판 형상으로 구현되어 상기 몸체부(110)의 하부면에 결합될 수 있다.
이때, 상기 패널(120)은 상기 중공 홀(112)과 대응되는 위치에 형성되는 홀(122)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 상기 홀(122)을 통해 외부로부터 방사된 소음이 통과될 수 있다.
여기서, 상기 패널(120)은 소음이 방사되는 위치인 소음원을 향하는 방향에 배치될 수 있다.
상기 몸체부(110)는 서로 인접하여 주기성을 가지는 복수의 단위 셀로 형성될 수 있다.
이때, 상기 몸체부(110)는 상기 패널(120)의 상부면에 일정 규칙을 가지고 배열될 수 있다. 즉, 상기 몸체부(110)는 상기 복수의 단위 셀 각각의 변의 길이에 따라 주기성을 가지고 상기 패널(120)의 상부면에 부착될 수 있다.
다시 말해, 상기 몸체부(110)는 상기 복수의 단위 셀의 크기(변의 길이)에 따라 그 행렬의 크기가 달라질 수 있다. 예컨대, 상기 몸체부(110)는 복수의 단위 셀 크기에 따라 4*4, 5*5 등의 배열의 행렬 크기가 다르게 바뀔 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 몸체부(110)가 주기성을 가지도록 허니컴(honeycomb) 구조로 구현되는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스에 기초하여 계산된 소음의 투과 손실을 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는, 헬름홀츠 공명 구조와 유사한 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스, LIM의 특성을 가지는 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스, 및 제1 흡음부와 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스를 모두 결합한 음향 임피던스에 기초하여 소음의 투과 손실을 계산하였다.
계산된 결과, 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스에 기초하여 계산된 소음의 투과 손실은 특정 주파수 대역에서 낮거나 높게 나타났고, 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스에 기초하여 계산된 소음의 투과 손실은 넓은 주파수 대역에서 고르게 나타났다.
반면에, 제1 흡음부 및 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스를 모두 결합한 음향 임피던스에 기초하여 계산된 소음의 투과 손실은 넓은 주파수 대역에서 고르게 나타나되, 특정 주파수 대역에서 낮거나 높게 나타났다.
이에 따라, 제1 흡음부 또는 제2 흡음부 중 하나에 관한 음향 임피던스 특성을 이용하여 소음을 저감시키는 경우보다, 제1 흡음부 및 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스를 모두 결합한 음향 임피던스 특성을 이용하여 소음을 저감시키는 경우가 보다 넓은 주파수 대역의 소음을 저감시키며 동시에 특정 주파수 대역의 소음을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스와 실제 측정된 음향 특성에 기초하여 계산된 소음의 투과 계수 및 반사 계수를 각각 비교하기 위한 그래프이다.
본 실시예에서는, 도 8에 도시된 4 마이크 임피던스 튜브(4-microphone impedance tube)를 이용하여 본 발명의 소음 저감 장치의 단위 셀로 형성된 몸체부에 대한 음향 특성을 분석하였다. 도 8은 본 발명의 소음 저감 장치에 대한 음향 특성을 분석하기 위해 사용된 4 마이크 임피던스 튜브(4-microphone impedance tube)를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 투과 계수와 반사 계수의 측정 결과, 이론과 실제 실험의 경향이 매우 일치함을 알 수 있다.
상기 측정 결과에서, 헬름홀츠 공명기의 튜닝 주파수인 580Hz 부근에서 투과 계수 값이 매우 낮게 도출됨을 확인할 수 있는데, 이는 투과 계수 값이 낮을수록 소음의 저감이 크게 되는 것을 의미한다.
이를 통해, 본 발명의 소음 저감 장치가 효과적으로 소음을 저감시키도록 동작됨이 검증될 수 있다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스와 실제 측정된 음향 특성에 기초하여 계산된 유효 질량(Effective density)을 나타내는 그래프이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스와 실제 측정된 음향 특성에 기초하여 계산된 체적 탄성 계수(Bulk modulus)를 나타내는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 유효 질량과 체적 탄성 계수의 측정 결과, 이론과 실제 실험의 경향이 매우 일치함을 알 수 있다.
참고로, reff, r0, Beff, B0는 각각 공기의 유효 질량(effective mass), 공기의 질량(mass of air), 유효 체적 탄성(effective bulk modulus of air), 공기의 체적 탄성(bulk modulus of air)을 나타낸다.
한편, 음향메타 구조로 설계되기 위해서는 설계 주파수에서 단위 셀의 음향 특성 중 유효 질량의 값 또는 체적 탄성 계수가 음의 값으로 도출되어야 한다. 이는 물리적으로 음의 질량을 가지거나 음의 체적 계수를 가지는 것이 소음이나 진동이 저감되는 것을 의미하기 때문이다.
이러한 측면에서 볼 때, 상기 측정 결과, 본 발명에서는 목표 주파수인 580Hz 부근에서 음의 질량이 도출됨을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 몸체부가 서로 인접하여 주기성을 가지는 복수의 단위 셀로 형성되는 음향메타 구조로 구현되어 소음을 저감시키는 것을 알 수 있다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스와 실제 측정된 음향 특성에 기초하여 계산된 복소 음향 속도(Complex Wave Speed)의 실수부에 대한 음향 속도를 나타내는 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스와 실제 측정된 음향 특성에 기초하여 계산된 복소 음향 속도(Complex Wave Speed)의 허수부에 대한 음향 속도를 나타내는 그래프이다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 복소 음향 속도의 측정 결과, 이론과 실제 실험의 경향이 매우 일치함을 알 수 있다.
복소 음향 속도의 경우도 음향메타 구조로 설계되기 위해 음의 값을 가지는 것이 바람직하다.
상기 측정 결과, 본 발명에서는 음향 속도에 대하여 허수부의 음향 속도 값이 목표 주파수인 580Hz 부근에서 음의 값으로 도출됨을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 몸체부가 서로 인접하여 주기성을 가지는 복수의 단위 셀로 형성되는 음향메타 구조로 구현되어 소음을 저감시키는 것을 알 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 각각 음향 파워의 실험 결과를 나타낸 그래프 및 표이다.
상기 실험에서는 복수의 단위 셀로 형성된 본 발명의 소음 저감 장치를 냉장고 기계실에 장착하여 음향 파워를 측정하였으며, 이때, 단일층(single layer)는 본 발명의 일 실시예에 의한 소음 저감 장치가 하나의 층으로 구성된 구조를 의미하며, 이중층(double layer)은 본 발명의 일 실시예에 의한 소음 저감 장치 두 개가 적층된 구조를 의미하고, 양산은 기존에 사용되는 일반적인 양산커버를 의미한다.
상기 측정 결과, 도 11a에 도시된 바와 같이, 실험 시 설정된 대부분의 주파수 대역에서 기존의 양산커버 대비 0.9dBA의 소음 저감 효과가 있었다.
또한, 도 11b에서 알 수 있듯이, 실험 시 설정된 주파수 대역 중 목표 주파수인 630Hz 대역의 소음이 1.8dBA만큼 저감됨을 확인하였다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110 : 몸체부
112 : 중공 홀
114 : 공간부
116 : 안내 홀
118 : 커버부
120 : 패널
122 : 홀

Claims (15)

  1. 기둥 형상의 몸체부를 포함하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치로서,
    상기 몸체부는,
    상기 몸체부의 중앙을 관통하는 중공 홀;
    상기 몸체부의 내부에 빈 공간으로 형성되는 공간부; 및
    상기 중공 홀과 상기 공간부를 연통하여 형성되는 안내 홀을 포함하고,
    상기 공간부 및 상기 안내 홀은
    특정 주파수 대역의 소음을 저감하기 위한 제1 흡음부를 형성하고,
    상기 중공 홀은
    상기 특정 주파수의 대역보다 넓은 대역의 소음을 저감하기 위한 제2 흡음부를 형성하고,
    상기 소음 저감 장치는
    하기 수학식 5에 기초하여 이론 음향 임피던스를 나타내고, 하기 수학식 2에 기초하여 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스를 나타내는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
    [수학식 5]
    Figure 112018002871113-pat00030

    [수학식 2]
    Figure 112018002871113-pat00031

    여기서,
    ZTotal은 상기 이론 음향 임피던스이고, Zh는 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, Zp는 상기 몸체부의 밀도에 관한 음향 임피던스이고, Zs는 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스이고,
    Zh는 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ρ0는 공기의 밀도이고, c0은 공기의 음파 속도이고, k0는 공기의 파수이고, Rw는 강벽에서 일어나는 점성 손실이고, LH는 상기 안내 홀의 유효 길이이고, SH는 상기 안내 홀의 면적이고, VH는 상기 몸체부의 부피이고, ah는 상기 안내 홀의 반지름임.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부는
    상기 공간부의 상부에 구비되는 커버부를 포함하고,
    상기 커버부는
    상기 공간부의 상부에 탈부착에 의한 조립 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부는
    사각 기둥 또는 육각 기둥으로 구현되는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안내 홀은
    상기 중공 홀로부터 상기 공간부를 향해 소정의 길이를 가지고 연장되어 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 흡음부에 관한 공명 주파수는 하기 수학식 1에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
    [수학식 1]
    Figure 112018002871113-pat00011

    여기서,
    LH는 상기 안내 홀의 유효 길이이고,
    SH는 상기 안내 홀의 면적이고,
    VH는 상기 몸체부의 부피이고,
    c는 공기의 음향 속도임.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 흡음부에 관한 공명 주파수의 크기는
    상기 안내 홀의 면적이 증가하거나 상기 공기의 음향 속도가 증가함에 따라 커지고,
    상기 안내 홀의 유효 길이가 증가하거나 상기 몸체부의 부피가 증가함에 따라 작아지는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 소음 저감 장치는
    하기 수학식 4에 기초하여 상기 몸체부의 밀도에 관한 음향 임피던스를 나타내는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
    [수학식 4]
    Figure 112018002871113-pat00014

    여기서,
    Zp는 상기 몸체부의 밀도에 관한 음향 임피던스이고,
    mp는 상기 몸체부의 밀도이고,
    ω는 각진동수(angular frequency)이고,
    Sp는 상기 중공 홀의 단면적임.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 소음 저감 장치는
    하기 수학식 3에 기초하여 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스를 나타내는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
    [수학식 3]
    Figure 112018002871113-pat00015

    여기서,
    Zs는 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스이고,
    ρ0는 공기의 밀도이고,
    c0은 공기의 음파 속도이고,
    Sp는 상기 중공 홀의 단면적이고,
    d는 상기 중공 홀의 두께임.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부의 하부면에 결합되는 판 형상의 패널
    을 더 포함하고,
    상기 패널은
    상기 중공 홀과 대응되는 위치에 형성되는 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 패널은
    소음원을 향하는 방향에 배치되는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 몸체부는
    서로 인접하여 주기성을 가지는 복수의 단위 셀로 형성되는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 몸체부는
    주기성을 가지도록 허니컴(honeycomb) 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 음향메타 구조의 소음 저감 장치.
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