KR102013410B1 - Acoustic Metamaterials having Meta-atom and Speaker Module having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 메타 원자를 포함하는 음향 메타물질 및 이를 포함하는 스피커 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메타 원자를 일정하게 배열한 음향 메타물질을 이용하여 음파를 시준하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to an acoustic metamaterial including a meta atom and a speaker module including the same. More particularly, the present invention relates to a technique for collimating sound waves using an acoustic meta material in which meta atoms are constantly arranged.
메타물질은 자연에서 발견될 수 없는 성질을 갖는 인공 구조물로서, 음의 유전율 또는 음의 굴절률등의 파동 특성을 구현할 수 있다. 메타 물질은 과거에 주로 전자기 분야에서 활용되었으나 최근에는 음향 분야에서도 적용되고 있다. 음향 메타물질은 메타 원자를 기본 단위로 구성되며, 메타 원자의 기하학적 구조, 크기, 재료 및 배열에 따라서 다양한 음향학적 특성을 보인다. 예를 들어, 음파의 파장보다 작은 메타 원자를 규칙적으로 배열하여, 음의 굴절률을 갖는 음향 메타물질을 구현할 수 있다.Metamaterials are artificial structures having properties that cannot be found in nature, and can realize wave characteristics such as negative dielectric constant or negative refractive index. Metamaterials have been used mainly in the electromagnetic field in the past, but have recently been applied in the acoustic field. Acoustic metamaterials are composed of metaatoms as basic units and exhibit various acoustic properties depending on the geometry, size, material and arrangement of metaatoms. For example, by arranging meta atoms smaller than the wavelength of sound waves regularly, an acoustic metamaterial having a negative refractive index may be realized.
최근 들어, 메타 원자를 규칙적으로 배열하여 음파를 시준하는 등 음파의 경로를 조절할 수 있는 음향 메타물질을 구현할 수 있다. 음향 메타물질을 사용되는 파장 또는 구현하고자 하는 음향학적 특성에 따라 메타원자의 구조 및 배열방법이 중요하다.Recently, acoustic metamaterials capable of controlling the path of sound waves, such as collimating sound waves by regularly arranging meta atoms, may be implemented. The structure and arrangement of metaatoms are important depending on the wavelength of the acoustic metamaterial or the acoustic characteristics to be implemented.
본 개시의 실시예들에 따른 과제는 2차원 평면에서 퍼지는 음파의 파형을 변조하는 음향 메타물질을 제공하는 데 있다.An object according to embodiments of the present disclosure is to provide an acoustic metamaterial that modulates a waveform of sound waves spread in a two-dimensional plane.
본 개시의 실시예들에 따른 과제는 음원 소스로부터 발생하는 음파를 시준(collimation)할 수 있는 음향 메타물질을 제공하는 데 있다.An object according to embodiments of the present disclosure is to provide an acoustic metamaterial capable of collimating sound waves generated from a sound source.
본 개시의 실시예들에 따른 과제는 음파를 시준할 수 있는 음향 메타물질을 포함하는 스피커 모듈을 제공하는 데 있다.An object according to embodiments of the present disclosure is to provide a speaker module including an acoustic metamaterial capable of collimating sound waves.
본 개시의 음향 메타물질은 직사각형 막대가 수직으로 겹쳐진 십자 형태를 갖는 메타 원자들을 포함할 수 있다. 상기 음향 메타물질은 상기 메타 원자를 일정한 패턴으로 배열하여 형성되고, 통과되는 음파를 시준할 수 있다.The acoustic metamaterial of the present disclosure may include meta atoms having a cross shape in which rectangular bars are vertically overlapped. The acoustic metamaterial is formed by arranging the meta atoms in a predetermined pattern, and may collimate the sound waves passing through.
본 개시의 실시예들에 따르면, 2차원 평면에서 퍼지는 음파의 파형을 변조할 수 있다.According to embodiments of the present disclosure, it is possible to modulate the waveform of sound waves spread in a two-dimensional plane.
본 개시의 실시예들에 따르면, 음원 소스로부터 발생하는 구면파를 시준하여 평면파를 형성할 수 있다.According to embodiments of the present disclosure, a spherical wave generated from a sound source may be collimated to form a plane wave.
본 개시의 음향 메타물질은 무전력 기능성 음향 소재로서, 무전력 지향성 스피커 모듈에 활용될 수 있다.The acoustic metamaterial of the present disclosure is a non-power functional acoustic material, and may be utilized in the non-power directional speaker module.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 음향 메타물질의 평면도이다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 메타 원자를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 음향 메타물질이 음파를 시준하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 실시예에 따른 음향 메타물질에 의해 변조되는 음파의 파형의 시뮬레이션을 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 실시예에 따른 음향 메타물질에 의해 변조되는 음파의 음압레벨의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.1 is a plan view of an acoustic metamaterial according to an embodiment of the present disclosure.
2 is a plan view illustrating a meta atom according to an embodiment of the present disclosure.
3 is a conceptual diagram illustrating that the acoustic metamaterial collimates sound waves according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
4A and 4B illustrate simulations of waveforms of sound waves modulated by acoustic metamaterials according to embodiments of the present disclosure.
5A and 5B illustrate simulation results of sound pressure levels of sound waves modulated by acoustic metamaterials according to embodiments of the present disclosure.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 음향 메타물질(100)의 평면도이다.1 is a plan view of an
도 1을 참조하면, 음향 메타물질(100)은 칼럼(110)들 및 메타 원자(120)들을 포함할 수 있다. 음향 메타물질(100)을 통과하는 파는 음파일 수 있다. 음향 메타물질(100)은 통과되는 음파의 성질을 변형시킬 수 있다. 예를 들어, 음향 메타물질(100)은 2차원 평면에서 퍼지는 특정 주파수 대역의 음파를 음의 굴절률로 굴절시킬 수 있다.Referring to FIG. 1, the
칼럼(110)들은 메타 원자(120)들을 일방향을 따라 소정의 간격으로 배치함으로써 형성될 수 있다. 각 칼럼(110)들에 포함된 메타 원자(120)들은 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있으며, 각 메타 원자(120)들은 규칙적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 칼럼(110)들은 메타 원자(120)들을 y방향을 따라 배열하여 형성될 수 있다. 각 칼럼(110)들은 적어도 하나의 메타 원자(120)를 포함할 수 있으며, 각 칼럼(110)들마다 포함된 메타 원자(120)들의 개수는 각기 다를 수 있다. The
각 칼럼(110)들이 x방향을 따라 평행하게 배치됨으로써 일정한 형태를 갖는 음향 메타물질(100)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 각 칼럼(110)들은 x방향을 따라 서로 평행하게 배치됨으로써 8각형 형태를 갖는 음향 메타물질(100)이 형성될 수 있다. 칼럼(110)들은 짝수개의 메타 원자(120)를 포함할 수 있으며, 오른쪽에서 왼쪽으로 메타 원자(120)가 5개, 7개, 9개의 순서로 배치될 수 있다. 각 칼럼(110)들은 일정한 간격(W1)으로 이격되어 배치되며, 상기 간격(W1)은 5.7 ~ 7.6mm 이다. 또한, 각 칼럼(110)내의 메타 원자(120)들도 일정한 간격(W2)으로 이격되어 배치되며, 상기 메타 원자(120)들 간의 간격(W2)은 5.7 ~ 7.6mm 이다. 상기 간격(W1,W2)보다 좁게 배치되는 경우 메타 원자(120)들이 포개어 지는 형태가 되므로 본 발명의 음향 메타물질(100)을 구현할 수 없으며, 상기 간격(W1,W2)보다 넓게 배치되는 경우 원하는 음향학적 효과를 얻기 어렵다.Each
상술한 바와 같이, 음향 메타물질(100)은 8각형 형태를 가질 수 있으며, 상기 8각형은 입사면, 출사면을 가질 수 있다. 입사면은 음파가 들어오는 상기 8각형의 어느 한변이 될 수 있으며, 상기 8각형의 중심으로부터 입사면의 반대편에 위치한 다른 한 변이 출사면이 될 수 있다. 음파는 입사면으로 들어와서 음향 메타물질(100)을 통과한 후, 출사면으로 나오게 된다.As described above, the
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 메타 원자(120)를 나타내는 평면도이다.2 is a plan view illustrating a
도 2를 참조하면, 메타 원자(120)는 십자 형태를 가질 수 있으며, 아크릴을 포함하여 매질에서 음파를 빠르게 전달할 수 있는 플라스틱, 금속을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the
메타 원자(120)는 두 개의 직사각형 막대가 수직으로 겹쳐진 십자 형태를 가질 수 있다. 상기 메타 원자(120)는 가로의 길이(L1)가 5.4mm, 세로의 길이(L2)가 5.9mm 일 수 있다. 상기 직사각형 막대 각각의 두께(t)는 0.8mm 일 수 있다. The
음향 메타물질(100)의 음향학적 성질은 음향 메타물질(100)을 이루는 메타 원자(120)의 형태, 크기, 메타 원자(120)들의 배치 구조 및 간격 등의 수치에 의해 결정되는 것이므로, 상술한 구체적인 수치를 벗어나는 경우 원하고자 하는 음향학적 효과를 얻기 어려워질 수 있다.Since the acoustic properties of the
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 음향 메타물질(100)이 음파를 시준하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.3 is a conceptual diagram illustrating that the
도 3을 참조하면, 음원 소스(S)로부터 음파가 발생할 수 있다. 상기 음원 소스(S)는 점음원이며 음향 메타물질(100)로부터 적절한 거리에 배치될 수 있다. 상기 음원 소스(S)에서 발생되는 음파는 구면파(130)이고, 6300 ~ 6800Hz의 주파수를 가질 수 있다. 상기 음원 소스(S)로부터 발생하는 음파 중 x방향으로 진행하는 구면파(130)는 음향 메타물질(100)의 입사면으로 입사되어, 음향 메타물질(100)을 통과한 후 출사면으로 출사될 수 있다. 음향 메타물질(100)을 통과한 음파는 시준(collimation)되어 지향성을 가지고 x방향을 따라 진행하게 된다. 즉, 구면파(130)인 음파는 음향 메타물질(100)을 통과하여 평면파(140)로 변형될 수 있다. Referring to FIG. 3, sound waves may be generated from the sound source S. The sound source S is a point sound source and may be disposed at an appropriate distance from the
상술한 바와 같이, 음향 메타물질(100)은 음파의 파형을 구면파(130)에서 평면파(140)로 변형하는 파형 변조 특성을 갖고 있다. 따라서, 이러한 성질을 이용하면 음파의 파형을 지향성 파형으로 변경 가능한 무전력 기능성 음향 소재로 활용이 가능하며, 예를 들어 상기 음향 메타물질(100)을 포함하는 무전력 지향성 스피커 모듈로 활용이 가능하다. As described above, the
도 3에는 음향 메타물질(100)이 하나 설치된 것이 도시되어 있으나, 음원 소스(S)로부터 적절한 거리를 유지하여 배치되는 형태이면 음향 메타물질(100)의 개수는 이에 제한되지 않는다. 음원 소스(S)로부터 적절한 거리에 목표하는 방향으로 음향 메타물질(100)을 설치함으로써, 특정한 방향으로 직진성을 갖는 음파를 전달할 수 있다.Although FIG. 3 illustrates that one
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 실시예에 따른 음향 메타물질(100)에 의해 변조되는 음파의 파형의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 4a 및 도 4b는 각각 6300Hz, 6800Hz의 주파수를 갖는 음파를 사용한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 파형의 시뮬레이션 결과는, 파면의 변위를 시각적으로 보여준다. 도면에서 초록색 또는 노란색으로 표시된 부분에 의해 파형을 유추할 수 있다. 4A and 4B are diagrams showing simulation results of waveforms of sound waves modulated by the
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 음원 소스(S)로부터 구면파(130)가 발생하며, 음향 메타물질(100)을 향해 진행하는 구면파(130)는 음향 메타물질(100)을 통과하여 직진성을 가지고 진행한다. 즉, 음원 소스(S)로부터 발생하는 상기 구면파(130)는 음향 메타물질(100)을 통과하면서 파형이 변조되어 평면파(140)로 변하게 된다. 4A and 4B, the
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 실시예에 따른 음향 메타물질(100)에 의해 변조되는 음파의 음압레벨의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 5a 및 도 5b는 각각 6300Hz, 6800Hz의 주파수를 갖는 음파를 사용한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 음압레벨의 시뮬레이션 결과는, 음파의 압력의 상대적인 세기를 시각적으로 보여준다. 도면에서 음원 소스(S)에서 발생하는 음파의 음압레벨을 기준으로 퍼져 나가는 음파의 음압레벨을 알 수 있으므로, 음파의 진행방향 및 파형을 유추할 수 있다.5A and 5B illustrate simulation results of sound pressure levels of sound waves modulated by the
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 음향 메타물질(100)을 통과하는 음파의 음압 레벨의 변화가 도시되어 있다. 음원 소스(S)에서의 음압레벨(도면에서 붉은 색으로 표시된 부분)의 분포에 의하면, 음원 소스(S)를 중심으로 붉은 색으로 표시된 부분이 음향 메타물질(100)을 통과하여 일정한 폭으로 형성되어 있다. 즉, 음원 소스(S)에서 발생되는 음파는, 음원 소스(S)로부터 음향 메타물질(100)로의 방향으로 직진성을 갖게 된다.5A and 5B, changes in sound pressure levels of sound waves passing through the
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시에 따른 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해하여야 한다.In the above, embodiments of the present disclosure have been described with reference to the accompanying drawings, but those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. I can understand that you can. It is to be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
100: 음향 메타물질 110 : 칼럼
120 : 메타 원자 130 : 구면파
140 : 평면파 S : 음원 소스100: acoustic metamaterial 110: column
120: meta-atom 130: spherical wave
140: plane wave S: sound source
Claims (8)
상기 메타 원자를 일정한 패턴으로 배열하여 형성되고, 통과되는 음파를 시준하며,
복수 개의 상기 메타 원자들이 일방향을 따라 배열되어 칼럼들을 형성하고, 상기 칼럼들은 평행하게 배치되며,
상기 칼럼 내의 인접하는 상기 메타 원자들 사이의 간격 및 인접하는 상기 칼럼들 사이의 간격은 5.7 ~ 7.6mm인 음향 메타물질.A rectangular bar containing meta atoms having a vertical cross
Formed by arranging the meta atoms in a predetermined pattern, and collimating sound waves passing through them,
A plurality of meta atoms are arranged along one direction to form columns, the columns are arranged in parallel,
The spacing between adjacent meta atoms in the column and the spacing between adjacent columns is between 5.7 and 7.6 mm.
상기 메타 원자는 가로의 길이가 5.4mm, 세로의 길이가 5.9mm이며, 상기 직사각형의 두께는 0.8mm인 음향 메타물질.The method of claim 1,
The meta-atom is 5.4mm in length, 5.9mm in length, and the thickness of the rectangle is 0.8mm acoustic metamaterial.
상기 칼럼들은 8각형 형태를 이루며, 상기 8각형의 어느 한 변이 입사면이 되고, 상기 8각형의 중심으로부터 상기 입사면의 반대편의 다른 한 변이 출사면이 되는 음향 메타물질.The method of claim 1,
The columns form an octagonal shape, wherein one side of the octagon becomes an entrance face, and the other side of the octagon from the center of the octagon is an exit face opposite the entrance face.
상기 음파는 구면파이며, 상기 구면파는 상기 메타 원자들에 의해 시준되어 상기 일방향에 수직인 방향으로 진행하는 음향 메타물질.The method of claim 3,
The acoustic wave is a spherical wave, and the spherical wave is collimated by the meta atoms and proceeds in a direction perpendicular to the one direction.
상기 음파의 음압레벨은 상기 음파가 상기 출사면으로 통과되어 직진성을 갖는 음향 메타물질.The method of claim 3,
The sound pressure level of the sound wave is acoustic meta-material having the sound wave is passed straight through the exit surface.
상기 음파는 주파수가 6300 ~ 6800Hz 인 음향 메타물질.The method of claim 1,
The sound wave is acoustic metamaterial having a frequency of 6300 ~ 6800Hz.
상기 음파의 파형을 구면파에서 평면파로 변조하는 스피커 모듈.A speaker module comprising the acoustic metamaterial according to any one of claims 1 to 3 or 5 to 7,
And a speaker module for modulating the waveform of the sound wave from a spherical wave to a plane wave.
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