KR101927842B1 - 광대역 소음 저감 장치 - Google Patents

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KR101927842B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 소음 저감 장치는 일측이 개방된 하우징, 상기 하우징의 내부에 형성되고, 중앙에 소정의 직경을 가지는 제1 홀이 구비되는 필름판, 나선형 구조의 원통형으로서 상기 필름판의 일측에 형성되고, 중앙에 상기 제1 홀과 연통되어 소정의 직경과 높이를 가지는 제2 홀이 구비되는 흡음재, 및 상기 필름판의 타측에 형성되어 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀과 연통되는 공간부를 포함한다.

Description

광대역 소음 저감 장치{DEVICE FOR REDUCING BROADBAND NOISE OF SOUND}
본 발명의 실시예들은 광대역 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.
이러한 흡음재 및 차음재를 이용하는 소음 저감 방법은 넓은 주파수 대역의 소음 저감이 가능하나 저주파수 대역의 소음 저감량이 낮으며, 소음이 발생하는 주파수에 대한 고려가 어렵다.
특히, 기존 흡음재는 음향 이론에 따라 두께가 두꺼워질수록 저주파수 대역의 소음 저감능력이 커지게 되는데, 현업에서 적용 시에 일정 두께 이상을 적용하는 것은 한계가 있다.
따라서, 소음이 발생하는 주파수 대역의 범위를 다양하게 고려하여 소음을 저감시킬 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 실시예들은 내부에 슬릿 형태의 홀이 구비된 흡음재를 얇은 필름판과 함께 하우징의 내부 공간에 형성함으로써 중주파수 및 고주파수 대역의 소음뿐만 아니라 저주파수 대역의 소음을 저감시키는 광대역 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 광대역 소음 저감 장치는 일측이 개방된 하우징, 상기 하우징의 내부에 형성되고, 중앙에 소정의 직경을 가지는 제1 홀이 구비되는 필름판, 나선형 구조의 원통형으로서 상기 필름판의 일측에 형성되고, 중앙에 상기 제1 홀과 연통되어 소정의 직경과 높이를 가지는 제2 홀이 구비되는 흡음재, 및 상기 필름판의 타측에 형성되어 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀과 연통되는 공간부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 흡음재는 제1 흡음부를 형성하고, 상기 제1 홀, 상기 제2 홀 및 상기 공간부는 제2 흡음부를 형성하고, 상기 제2 흡음부는 상기 제1 흡음부 보다 상대적으로 낮은 주파수 대역의 소음을 저감시키기 위할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제1 홀의 직경은 상기 제2 홀의 직경과 동일할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 하우징은 내측으로부터 상기 공간부를 향해 연장되어 돌출 형성되는 적어도 하나의 고정부를 구비하고, 상기 필름판은 상기 고정부에 결합됨으로써 상기 하우징의 내부에 고정될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 필름판의 직경은 상기 흡음재의 직경과 동일할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 하우징은 일측이 개방된 원통형의 제1 서브 하우징, 및 상기 제1 구조물의 개방된 일측에 결합되되 양측이 개방된 중공형의 제2 서브 하우징을 포함하고, 상기 필름판은 상기 제1 서브 하우징 및 상기 제2 서브 하우징 사이에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 필름판의 직경은 상기 하우징의 외경과 동일하고, 상기 흡음재의 직경은 상기 하우징의 내경과 동일할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제2 흡음부는 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀의 직경이 감소하거나, 상기 공간부의 높이가 증가함에 따라 저감시키기 위한 소음의 주파수 대역이 낮아질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 흡음재는 소정의 두께를 가지는 레이어 형태의 흡음 재료를 변형함으로써 나선형 구조의 원통형으로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 소음 저감 장치는 하기 수학식 1에 기초하여 이론 음향 임피던스를 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017019369224-pat00001
여기서,
ZTotal은 상기 이론 음향 임피던스이고, ZHR은 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ZHelical은 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ZPM은 상기 필름판에 관한 음향 임피던스임.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 소음 저감 장치는 하기 수학식 2에 기초하여 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스를 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017019369224-pat00002
Figure 112017019369224-pat00003
여기서, ZHR은 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ρ0는 공기의 밀도이고, η는 공기의 점성 계수이고, γ는 공기의 열용량계수이고, c0는 공기의 음파 속도이고, k0는 공기의 파수이고, ω는 각주파수이고, SH는 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀 중 적어도 하나의 직경에 따른 면적이고, ?r는 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀 중 적어도 하나의 직경이고, L1은 상기 흡음재의 높이이고, V는 상기 공간부의 부피이고, Rw는 점성 감쇠 항이고, Pr은 프란틀수(Prandtl number)임.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 소음 저감 장치는 하기 수학식 3에 기초하여 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스를 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017019369224-pat00004
여기서, ZHelical은 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, Zc,helical은 특성 임피던스이고, khelical은 상기 흡음재의 파수이고, L1은 상기 흡음재의 높이이고, ρ0는 공기의 밀도이고, c0는 공기의 음파 속도임.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 소음 저감 장치는 하기 수학식 4 및 5에 기초하여 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스를 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017019369224-pat00005
[수학식 5]
Figure 112017019369224-pat00006
Figure 112017019369224-pat00007
여기서, khelical은 상기 흡음재의 파수이고, Zc,helical은 특성 임피던스이고, ρ helical은 상기 흡음재의 유효 밀도이고, Khelical은 상기 흡음재의 체적 탄성률이고, ω는 각주파수이고, δ=(2η/ωρ0)0.5로서, ρ0는 공기의 밀도이고, η는 공기의 점성 계수이고, a는 상기 제2 홀의 두께이고, P0는 표준 대기압이고, γ는 공기의 열용량계수이고, B는 프란틀수(Prandtl number)임.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 소음 저감 장치는 하기 수학식 6에 기초하여 상기 필름판에 관한 음향 임피던스를 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112017019369224-pat00008
여기서, ZPM은 상기 필름판에 관한 음향 임피던스이고, ZHole은 상기 제1 홀에 관한 음향 임피던스이고, ω는 각주파수이고, ρp는 필름판의 면적 별 질량비이고, ρ0는 공기의 밀도이고, c는 공기의 음향 속도이고, L2는 상기 공간부의 높이이고, c0는 공기의 음파 속도임.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 소음 저감 장치는 하기 수학식 7에 기초하여 상기 제2 홀에 관한 음향 임피던스를 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112017019369224-pat00009
여기서, ZHole은 상기 제1 홀에 관한 음향 임피던스이고, h는 상기 필름판의 두께이고, ?r는 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀 중 적어도 하나의 직경이고, δp은 상기 필름판의 면적 대비 상기 제1 홀의 면적이고, x=d(f/10)0.5로서, d는 상기 제1 홀의 직경임.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 내부에 슬릿 형태의 홀이 구비된 흡음재를 얇은 필름판과 함께 하우징의 내부 공간에 형성함으로써 중주파수 및 고주파수 대역의 소음뿐만 아니라 저주파수 대역의 소음을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 비교적 얇은 두께를 유지하면서 넓은 범위의 주파수 대역에서 발생하는 소음을 저감시키기 위한 곳에 적용할 수 있으며, 최소한의 비용과 간편한 제조 방법으로 소음 저감 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 소음 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 광대역 소음 저감 장치의 내부 측면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 소음 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 4a는 도 3의 하우징의 제1 서브 하우징이다.
도 4b는 도 3의 하우징의 제2 서브 하우징이다.
도 5은 도 3의 광대역 소음 저감 장치의 내부 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 홀 및 제2 홀의 직경의 변화에 따른 흡음계수 특성을 나타내기 위한 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 공간부의 높이의 변화에 따른 흡음계수 특성을 나타내기 위한 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스에 따른 이론 흡음계수와 실제 측정된 흡음계수의 비교 결과를 보여주는 그래프이다.
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 광대역 소음 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 광대역 소음 저감 장치의 내부 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 소음 저감 장치는 하우징(110), 필름판(130), 흡음재(120) 및 공간부(140)를 포함한다. 본 발명의 광대역 소음 저감 장치는 하우징(110)의 내부에 필름판(130) 및 흡음재(120)가 구비되는 형태로서, 중-고주파수 대역의 소음뿐만 아니라 저주파수 대역의 소음을 저감시키도록 할 수 있다. 이를 위한 본 발명의 구체적인 구조 및 기능은 다음과 같다.
하우징(110)은 후술하고자 하는 필름판(130) 및 흡음재(120)의 둘레를 감싸는 외곽 구조물로서, 일측이 개방되고 타측이 차단될 수 있다. 이때, 하우징(110)은 개방된 일측에 필름판(130) 및 흡음재(120)가 구비됨에 따라 내부에 빈 공간인 공간부(140)가 형성될 수 있고, 공간부(140)에 관해서는 뒤에서 더 자세히 후술하기로 한다. 참고로, 하우징(110)은 사각 기둥, 육각 기둥 등의 다양한 기둥 형태로 구현될 수 있는데, 본 실시예에서는 원 기둥 형태로 구현되는 것이 바람직하다.
필름판(130)은 소정의 두께를 가지는 얇은 판 형태로서 하우징(110)의 내부에 형성된다. 즉, 필름판(130)은 하우징(110)의 차단된 타측으로부터 소정 거리만큼 이격된 위치에 형성될 수 있다. 이때, 하우징(110)의 타측면으로부터 필름판(130)이 이격된 거리에 따라 후술하고자 하는 공간부(140)의 높이가 결정될 수 있다.
필름판(130)의 형상은 하우징(110)의 형상에 대응되게 구현될 수 있는데, 본 실시예에서 필름판(130)은 하우징(110)이 원 기둥 형태로 구현됨에 따라 원 판 형태로 구현되는 것이 바람직하다. 여기서, 필름판(130)의 직경은 하우징(110)의 내경과 동일하게 구현됨에 따라 하우징(110)과의 결합력이 강해지기 때문에 높은 소음 저감력을 가질 수 있다.
필름판(130)은 중앙에 소정의 직경을 가지는 제1 홀(132)이 구비된다.
한편, 필름판(130)이 하우징(110)의 내부에 형성될 수 있도록, 하우징(110)은 내부 공간에 적어도 하나의 고정부(116)를 구비할 수 있다. 고정부(116)는 하우징(110)의 내측 둘레로부터 내부 공간을 향해 소정의 길이만큼 연장되어 돌출 형성되거나, 내측 둘레로부터 외부를 향해 소정의 길이만큼 요입 형성될 수 있다. 이에 따라, 필름판(130)은 고정부(116)에 결합됨으로써 하우징(110)의 내부에 형성될 수 있다.
일례로, 고정부(116)가 돌출 형성되는 경우, 필름판(130)은 고정부(116)의 상부에 안착되되 그 둘레가 하우징(110)의 내측 둘레와 접착됨으로써 하우징(110)의 내부에 형성될 수 있다. 다른 예로, 고정부(116)가 요입 형성되는 경우, 필름판(130)은 고정부(116)의 요입된 부분에 끼움 결합됨으로써 하우징(110)의 내부에 형성될 수 있다.
필름판(130)은 외부 소음에 대한 음파가 입사하면서 판이 진동함에 따라 소음을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 후술하고자 하는 흡음재(120)에 의한 소음 저감 이외에 추가적인 소음 저감이 가능할 수 있다.
흡음재(120)는 나선형 구조의 원통형으로 구현될 수 있다. 구체적으로, 흡음재(120)는 소정의 폭과 두께를 가지는 레이어 형태의 흡음 재료를 변형, 예컨대 롤링(rolling)하여 나선형 구조의 원통형으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 흡음재(120)는 간단하고 편리한 방식으로 구현될 수 있다.
본 실시예에서는, 흡음재(120)의 형태를 나선형 구조로 만드는 것에 대해서만 설명하고 있지만, 이에 한정되지 않고 삼각형, 사각형 등 다양한 형상의 구조로 만드는 것도 가능하다. 참고로, 흡음 재료는 한지를 포함하는 종이 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 흡음 재료는 얇고 긴 형태의 재질이라면 종이 재질에 한정되지 않고 자연계 및 인공적으로 만들어진 어떠한 재료로도 형성될 수 있다.
흡음재(120)는 필름판(130)의 일측에 형성된다. 즉, 흡음재(120)는 하우징(110)의 내부 공간을 마주하는 필름판(130)의 일면과 반대면에 접착 또는 이외의 다양한 방식을 통해 형성될 수 있다. 흡음재(120)는 필름판(130)의 일면에 위치하여 하우징(110)의 내부에 형성될 수 있다. 이때, 소음을 보다 효과적으로 저감시킬 수 있도록, 흡음재(120)의 직경이 필름판(130)의 직경과 동일하게 구현될 수 있다.
흡음재(120)는 중앙에 소정의 직경과 높이를 가지는 제2 홀(122)이 구비된다. 제2 홀(122)은 흡음재(120)가 나선형 구조의 원통형으로 구현됨에 따라 흡음재(120)의 중앙에 원기둥 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 제2 홀(122)은 필름판(130)에 구비된 제1 홀(132)과 연통될 수 있는데, 본 실시예에서는 제2 홀(122)의 직경이 제1 홀(132)의 직경과 동일하게 구현되는 것이 바람직하다.
제2 홀(122)은 직경이 비교적 작고 높이가 긴 원기둥 형태로 형성됨에 따라, 소음을 저감시키기 위한 공명기의 목(neck)으로 구현될 수 있다. 이와 같이 구현된 흡음재(120)에 의해 본 발명의 광대역 소음 저감장치는 중주파수 및 고주파수 대역의 소음을 저감시키는 것이 가능하다.
공간부(140)는 하우징(110)의 내부 공간의 일부로서, 필름판(130)의 타측에 형성된다. 다시 말해, 공간부(140)는 하우징(110)의 타측면과 필름판(130) 사이에 비어있는 공간으로서, 하우징(110)의 형상에 따라 원형의 공간으로 형성될 수 있다. 여기서, 공간부(140)의 높이는 하우징(110)의 타측면으로부터 필름판(130)이 이격된 거리에 따라 가변될 수 있다.
공간부(140)는 필름판(130)에 구비된 제1 홀(132) 및 흡음재(120)에 구비된 제2 홀(122)과 연통될 수 있다. 즉, 공간부(140)는 일측에 필름판(130) 및 흡음재(120)가 위치함에 따라 제1 홀(132) 및 제2 홀(122)이 중앙으로 연통될 수 있다. 이에 따라, 공간부(140)에는 연통된 제1 홀(132) 및 제2 홀(122)을 통해 외부로부터 공기가 유입될 수 있다.
이를 통해, 본 실시예에서는, 공간부(140)와 제1 홀(132) 및 제2 홀(122)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.
본 발명에서 저감시키고자 하는 소음의 주파수 대역은 제1 홀(132) 및 제2 홀(122)의 직경, 공간부(140)의 직경, 흡음재(120)의 전체 제작 길이(폭), 제1 홀(132)의 높이, 공간부(140)의 높이, 필름판(130)의 두께를 포함한 설계 변수에 기초하여 결정될 수 있다. 즉, 전술한 설계 변수에 의해 본 발명의 광대역 소음 저감 장치의 음향 특성이 달라질 수 있으며, 설계 변수의 변화에 따른 음향 특성에 관해서는 도 6 및 도 7을 참조하여 더 자세히 후술하기로 한다.
한편, 본 실시예에서는, 흡음재(120)는 특정 주파수 대역 중 중주파수 및 고주파수 대역의 소음을 저감시키기 위한 제1 흡음부를 형성할 수 있다. 즉, 흡음재(120)에 의해 외부로부터 방사된 소음에 대하여 중주파수 및 고주파수 대역의 소음을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 제1 홀(132), 제2 홀(122) 및 공간부(140)는 저주파수 대역의 소음을 저감시키기 위한 제2 흡음부를 형성할 수 있다. 즉, 제1 홀(132), 제2 홀(122) 및 공간부(140)에 의해 저주파수 대역의 소음을 저감시킬 수 있다. 다시 말해, 제2 흡음부는 제1 흡음부 보다 상대적으로 낮은 주파수 대역의 소음을 저감시킬 수 있다. 여기서, 제2 흡음부는 제1 홀(132) 및 제2 홀(122)의 직경이 감소하거나, 공간부(140)의 높이가 증가함에 따라, 저감시키기 위한 소음의 주파수 대역이 낮아질 수 있다.
이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 중주파수 및 고주파수 대역의 소음뿐만 아니라 저주파수 대역의 소음 또한 저감시킬 수 있어 광대역에 걸친 소음을 저감시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 광대역 소음 저감 장치의 흡음 성능을 검증하기 위한 이론적인 음향 임피던스에 관하여 설명하기로 한다.
본 발명의 이론 음향 임피던스는 하기 수학식 1에 기초하여 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017019369224-pat00010
여기서, ZTotal은 이론 음향 임피던스이고, ZHR은 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ZHelical은 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ZPM은 필름판(130)에 관한 음향 임피던스이다.
제2 흡음부에 관한 음향 임피던스인 ZHR은 하기 수학식 2에 기초하여 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017019369224-pat00011
Figure 112017019369224-pat00012
여기서, ρ0는 공기의 밀도이고, η는 공기의 점성 계수이고, γ는 공기의 열용량계수이고, c0는 공기의 음파 속도이고, k0는 공기의 파수이고, ω는 각주파수이고, SH는 제1 홀(132) 및 제2 홀(122) 중 적어도 하나의 직경에 따른 면적이고, φ는 제1 홀(132) 및 제2 홀(122) 중 적어도 하나의 직경이고, L1은 흡음재(120)의 높이이고, V는 공간부(140)의 부피이고, Rw는 점성 감쇠 항이고, Pr은 프란틀수(Prandtl number)이다.
제1 흡음부에 관한 음향 임피던스인 ZHelical은 하기 수학식 3에 기초하여 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017019369224-pat00013
여기서, Zc,helical은 특성 임피던스이고, khelical은 흡음재(120)의 파수이고, L1은 흡음재(120)의 높이이고, ρ0는 공기의 밀도이고, c0는 공기의 음파 속도이다.
이때, 특성 임피던스인 Zc,helical 및 흡음재(120)의 파수인 khelical은 하기 수학식 4에 기초하여 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017019369224-pat00014
Figure 112017019369224-pat00015
여기서, ω는 각주파수이고, ρ helical은 흡음재(120)의 유효 밀도이고, Khelical은 흡음재(120)의 체적 탄성률이다. 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스는 중앙에 슬릿(slit) 형태의 홀이 구비된 나선형으로 된 흡음재(120)의 구조에 관한 음향 임피던스로서, 점성 효과(Viscosity effect)와 열 효과(thermal effect)에 의해 흡음이 이루어지며, 강벽(Rigid wall) 사이의 공기층 부피 조절을 통한 흡음계수 및 임피던스에 대한 조정이 가능하다. 참고로, 공기가 가지는 점성으로 인하여 Rigid wall에서 속도가 0이 되는 원리로 인하여 흡음이 이루어질 수 있다.
이때, 흡음재(120)의 유효 밀도인 ρ helical 및 흡음재(120)의 체적 탄성률인 Khelical은 하기 수학식 5에 기초하여 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112017019369224-pat00016
Figure 112017019369224-pat00017
여기서, δ=(2η/ωρ0)0.5로서, ρ0는 공기의 밀도이고, η는 공기의 점성 계수이고, a는 제2 홀(122)의 두께이고, P0는 표준 대기압이고, γ는 공기의 열용량계수이고, B는 프란틀수(Prandtl number)이다.
필름판(130)에 관한 음향 임피던스인 ZPM은 하기 수학식 6에 기초하여 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112017019369224-pat00018
여기서, ZHole은 제1 홀(132)에 관한 음향 임피던스이고, ω는 각주파수이고, ρp는 필름판(130)의 면적 별 질량비이고, ρ0는 공기의 밀도이고, c는 공기의 음향 속도이고, L2는 공간부(140)의 높이이고, c0는 공기의 음파 속도이다.
이때, 제1 홀(132)에 관한 음향 임피던스인 ZHole은 하기 수학식 7에 기초하여 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112017019369224-pat00019
여기서, h는 필름판(130)의 두께이고, φ는 제1 홀(132) 및 제2 홀(122) 중 적어도 하나의 직경이고, δp은 필름판(130)의 면적 대비 제1 홀(132)의 면적이고, x=d(f/10)0.5로서, d는 제1 홀(132)의 직경이다.
이하에서는, 도 3, 도 4a, 도 4b 및 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 소음 저감 장치를 설명하고자 한다.
참고로, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 소음 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 사시도이고, 도 4a는 도 3의 하우징(110)의 제1 서브 하우징(112)이고, 도 4b는 도 3의 하우징(110)의 제2 서브 하우징(114)이고, 도 5는 도 3의 광대역 소음 저감 장치의 내부 측면도이다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 소음 저감 장치는 하우징(110), 필름판(130), 흡음재(120) 및 공간부(140)를 포함한다. 본 발명의 광대역 소음 저감 장치는 하우징(110)의 내부에 필름판(130) 및 흡음재(120)가 구비되는 형태로서, 중-고주파수 대역의 소음뿐만 아니라 저주파수 대역의 소음을 저감시키도록 할 수 있다.
본 실시예에서의 하우징(110), 필름판(130), 흡음재(120) 및 공간부(140)는 본 발명의 일 실시예에 따른 소음 저감 장치의 하우징(110), 필름판(130), 흡음재(120) 및 공간부(140)와 형상, 기능 및 효과는 동일 또는 유사하므로 자세한 설명은 생략하고, 각 구성간의 결합에 관해서만 설명하기로 한다.
도 3, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 하우징(110)은 일측이 개방된 구조물로서, 제1 서브 하우징(112) 및 제2 서브 하우징(114)의 결합에 의해 구성될 수 있다. 참고로, 본 실시예에서의 하우징(110)은 제1 서브 하우징(112) 및 제2 서브 하우징(114)이 필름판(130)과 함께 결합되어 구현될 수 있으며, 제1 서브 하우징(112)과 제2 서브 하우징(114)의 외경 및 내경은 동일하게 구현하는 것이 바람직하다.
제1 서브 하우징(112)은 일측이 개방되고 타측이 차단된 원통형으로 구현될 수 있다. 이때, 제1 서브 하우징(112)은 개방된 일측에 필름판(130)이 구비됨에 따라 내부에 빈 공간이 형성될 수 있다.
제2 서브 하우징(114)은 양측이 개방된 중공형의 구조물로서, 제1 서브 하우징(112)의 개방된 일측에 결합될 수 있다. 즉, 제2 서브 하우징(114)은 고리 형태로 구현되어 일측이 제1 서브 하우징(112)과 결합될 수 있는데, 더 정확히는 제2 서브 하우징(114)의 일측이 필름판(130)과 결합될 수 있다.
제1 서브 하우징(112) 및 제2 서브 하우징(114)의 결합에 관하여 다시 도 3 및 도 5를 참조하면, 필름판(130)은 제1 서브 하우징(112) 및 제2 서브 하우징(114) 사이에 형성될 수 있다. 즉, 필름판(130)은 일면이 제1 서브 하우징(112)의 개방된 부분과 결합되고, 타면이 제2 서브 하우징(114)(110)의 개방된 부분 중 제1 서브 하우징(112)을 향하는 부분과 결합될 수 있다. 이에 따라, 제1 서브 하우징(112) 및 제2 서브 하우징(114)은 필름판(130)을 사이에 두고 서로 결합될 수 있다. 참고로, 제1 서브 하우징(112), 제2 서브 하우징(114) 및 필름판(130)의 결합은 접착제를 이용한 접착 또는 이외의 다양한 방식을 통해 이루어질 수 있다.
필름판(130)의 직경은 하우징(110)의 외경과 동일하게 구현됨에 따라 필름판(130)에 의한 소음 저감력을 향상시킬 수 있다.
흡음재(120)는 나선형 구조의 원통형으로서 필름판(130)의 일측에 형성되는데, 더 정확히는 제2 서브 하우징(114)의 내부에 형성될 수 있다. 여기서, 흡음재(120)의 직경은 하우징(110)의 내경과 동일하게 구현됨에 따라 흡음재(120)에 의한 소음 저감력을 향상시킬 수 있다.
공간부(140)는 하우징(110)의 내부 공간의 일부로서, 필름판(130)의 타측에 형성된다. 이때, 공간부(140)는 필름판(130)이 제1 서브 하우징(112)의 상단에 결합됨에 따라, 제1 서브 하우징(112)의 내부 공간의 높이와 동일한 높이를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 소음 저감 장치의 흡음 성능을 검증하기 위한 이론적인 음향 임피던스는 본 발명의 일 실시예에서의 이론적인 음향 임피던스에 관한 설명을 동일하게 적용하여 설명할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 최적의 설계 변수(parameter) 값을 통하여 본 발명의 광대역 소음 저감 장치에 대해 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이들 설계 변수 값은 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 설계 변수 값에 한정되는 것은 아니다.
[표 1]
Figure 112017019369224-pat00020
본 실시예에서는, 표 1의 수치 중 제1 홀(132) 및 제2 홀(122)의 직경인 Dneck과 공간부(140)의 높이인 L2의 변화에 따른 흡음계수 특성을 분석하였다. 분석에 사용되는 설계 변수 값을 변경함에 따라 광대역 소음 저감 구조의 음향 특성이 달라지며, 설계 변수 영향을 검증하기 위해 Dneck을 3 mm, 6.8 mm로 제작하고, L2를 10 mm, 20 mm로 제작하여 변화에 따른 영향을 2 마이크로폰 임피던스 튜브 법을 통해 흡음계수를 측정하여 비교하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 홀(132) 및 제2 홀(122)의 직경의 변화에 따른 흡음계수 특성을 나타내기 위한 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는, 제1 홀(132)의 높이 및 공간부(140)의 높이가 각각 20 mm로 고정된 상태에서 제1 홀(132) 및 제2 홀(122)의 직경을 3 mm 또는 6.8 mm로 변화시키며 흡음계수를 측정하였다.
상기 측정된 결과, 두 경우 모두 1000 Hz 이상의 중주파수 및 고주파수 대역에서 높은 흡음률을 보이며 저주파수 대역에서는 두 군데에서의 피크 성분이 확인되었다. 이때, 제1 홀(132) 및 제2 홀(122)의 직경이 6.8 mm에서 3 mm 로 작아짐에 따라 높은 흡음계수를 가지는 피크 성분이 792 Hz에서 400 Hz로 낮아졌으며, 추가적인 피크 성분이 1000 Hz 부근에서 측정되었다.
이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 크기가 작은 제1 홀(132) 및 제2 홀(122)을 구비함으로써 저주파수 대역에서 트윈 밴드의 소음 저감 효과를 획득할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 공간부(140)의 높이의 변화에 따른 흡음계수 특성을 나타내기 위한 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는, 제1 홀(132) 및 제2 홀(122)의 직경이 6.8 mm로 고정되고, 제1 홀(132)의 높이가 20 mm로 고정된 상태에서 공간부(140)의 높이를 10 mm 또는 20 mm로 변화시키며 흡음계수를 측정하였다.
상기 측정된 결과, 두 경우 모두 1000 Hz 이상의 중주파수 및 고주파수 대역에서 높은 흡음률을 보이며 저주파수 대역에서는 두 군데에서의 피크 성분이 확인되었다. 이때, 공간부(140)의 높이가 10 mm에서 20 mm로 증가함에 따라 높은 흡음계수를 가지는 피크 성분이 800 Hz에서 560 Hz로 낮아졌으며, 추가적인 피크 성분이 1000 Hz 부근에서 측정되었다.
이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 부피가 큰 공간부(140)를 구비함으로써 저주파수 대역에서 트윈 밴드의 소음 저감 효과를 획득할 수 있다.
참고로, 도 6 및 도 7에서, 저주파수 대역에서의 피크 성분이 낮아지는 것은 본 실시예에서의 제1 홀(132), 제2 홀(122) 및 공간부(140)에 의한 헬름홀츠 공명기 구조에 의한 것으로 판단되고, 추가적으로 측정된 피크 성분이 낮아지는 것은 본 실시예에서의 필름판(130)에 의한 것으로 판단된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이론 음향 임피던스에 따른 이론 흡음계수와 실제 측정된 흡음계수의 비교 결과를 보여주는 그래프이다. 비교에 앞서, 이론 및 측정된 흡음계수를 비교하기 위한 설계 변수는 모두 동일하게 구현하였다.
도 8을 참조하면, 본 발명에서 제시하는 광대역 소음 저감 장치를 통한 이론 흡음계수와 실험 흡음계수는 매우 동일한 분포를 나타내었다.
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 : 하우징
112 : 제1 서브 하우징
114 : 제2 서브 하우징
116 : 고정부
120 : 흡음재
122 : 제2 홀
130 : 필름판
132 : 제1 홀
140 : 공간부

Claims (15)

  1. 일측이 개방된 하우징;
    상기 하우징의 내부에 판 형태로 형성되고, 중앙에 소정의 직경을 가지는 제1 홀이 구비되는 필름판;
    나선형 구조의 원통형으로서 상기 필름판의 일측에 형성되고, 중앙에 상기 제1 홀과 연통되어 소정의 직경과 높이를 가지는 제2 홀이 구비되는 흡음재; 및
    상기 필름판의 타측에 형성되어 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀과 연통되는 공간부
    를 포함하고,
    상기 필름판은 외부 소음에 대한 음파가 입사하면서 상기 필름판이 진동함에 따라 소음을 흡수하고,
    상기 흡음재는 제1 흡음부를 형성하고,
    상기 제1 홀, 상기 제2 홀 및 상기 공간부는 제2 흡음부를 형성하고,
    상기 제2 흡음부는 상기 제1 흡음부 보다 상대적으로 낮은 주파수 대역의 소음을 저감하고,
    소음 저감 장치는
    하기 수학식 1에 기초하여 이론 음향 임피던스를 나타내고, 하기 수학식 2에 기초하여 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스를 나타내는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
    [수학식 1]
    Figure 112019500501016-pat00039

    [수학식 2]
    Figure 112019500501016-pat00040

    Figure 112019500501016-pat00041

    여기서, ZTotal은 상기 이론 음향 임피던스이고, ZHR은 상기 제2 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ZHelical은 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스이고, ZPM은 상기 필름판에 관한 음향 임피던스이고,
    ρ0는 공기의 밀도이고, η는 공기의 점성 계수이고, γ는 공기의 열용량계수이고, c0는 공기의 음파 속도이고, k0는 공기의 파수이고, ω는 각주파수이고, SH는 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀 중 적어도 하나의 직경에 따른 면적이고, ?는 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀 중 적어도 하나의 직경이고, L1은 상기 흡음재의 높이이고, V는 상기 공간부의 부피이고, Rw는 점성 감쇠 항이고, Pr은 프란틀수(Prandtl number)임.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 홀의 직경은 상기 제2 홀의 직경과 동일한 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하우징은
    내측으로부터 상기 공간부를 향해 연장되어 돌출 형성되는 적어도 하나의 고정부를 구비하고,
    상기 필름판은
    상기 고정부에 결합됨으로써 상기 하우징의 내부에 고정되는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 필름판의 직경은 상기 흡음재의 직경과 동일한 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 하우징은
    일측이 개방된 원통형의 제1 서브 하우징; 및
    상기 제1 서브 하우징의 개방된 일측에 결합되되 양측이 개방된 중공형의 제2 서브 하우징
    을 포함하고,
    상기 필름판은
    상기 제1 서브 하우징 및 상기 제2 서브 하우징 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 필름판의 직경은 상기 하우징의 외경과 동일하고,
    상기 흡음재의 직경은 상기 하우징의 내경과 동일한 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 흡음부는
    상기 제1 홀 및 상기 제2 홀의 직경이 감소하거나, 상기 공간부의 높이가 증가함에 따라 저감시키기 위한 소음의 주파수 대역이 낮아지는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 흡음재는
    소정의 두께를 가지는 레이어 형태의 흡음 재료를 변형함으로써 나선형 구조의 원통형으로 구현되는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 소음 저감 장치는
    하기 수학식 3에 기초하여 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스를 나타내는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
    [수학식 3]
    Figure 112018094127860-pat00024

    여기서,
    ZHelical은 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스이고,
    Zc,helical은 특성 임피던스이고,
    khelical은 상기 흡음재의 파수이고,
    L1은 상기 흡음재의 높이이고,
    ρ0는 공기의 밀도이고,
    c0는 공기의 음파 속도임.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 소음 저감 장치는
    하기 수학식 4 및 5에 기초하여 상기 제1 흡음부에 관한 음향 임피던스를 나타내는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
    [수학식 4]
    Figure 112017019369224-pat00025

    [수학식 5]
    Figure 112017019369224-pat00026

    Figure 112017019369224-pat00027

    여기서,
    khelical은 상기 흡음재의 파수이고,
    Zc,helical은 특성 임피던스이고,
    ρ helical은 상기 흡음재의 유효 밀도이고,
    Khelical은 상기 흡음재의 체적 탄성률이고,
    ω는 각주파수이고,
    δ=(2η/ωρ0)0.5로서, ρ0는 공기의 밀도이고, η는 공기의 점성 계수이고,
    a는 상기 제2 홀의 두께이고,
    P0는 표준 대기압이고,
    γ는 공기의 열용량계수이고,
    B는 프란틀수(Prandtl number)임.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 소음 저감 장치는
    하기 수학식 6에 기초하여 상기 필름판에 관한 음향 임피던스를 나타내는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
    [수학식 6]
    Figure 112018094127860-pat00028

    여기서,
    ZPM은 상기 필름판에 관한 음향 임피던스이고,
    ZHole은 상기 제1 홀에 관한 음향 임피던스이고,
    ω는 각주파수이고,
    ρp는 필름판의 면적 별 질량비이고,
    ρ0는 공기의 밀도이고,
    c는 공기의 음향 속도이고,
    L2는 상기 공간부의 높이이고,
    c0는 공기의 음파 속도임.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 소음 저감 장치는
    하기 수학식 7에 기초하여 상기 제1 홀에 관한 음향 임피던스를 나타내는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감 장치.
    [수학식 7]
    Figure 112017019369224-pat00029

    여기서,
    ZHole은 상기 제1 홀에 관한 음향 임피던스이고,
    h는 상기 필름판의 두께이고,
    φ는 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀 중 적어도 하나의 직경이고,
    δp은 상기 필름판의 면적 대비 상기 제1 홀의 면적이고,
    x=d(f/10)0.5로서, d는 상기 제1 홀의 직경임.
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