KR102025853B1 - 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체 및 그 형성방법 - Google Patents

비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체 및 그 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체 및 그 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일방향으로 긴 길이를 가지는 환봉 형상으로 음향메타물질 단위요소가 하나 이상으로 소정의 간격을 갖도록 평행하게 배열되어 단일층을 형성하는 단위요소층을 이루고, 상기 단위요소층은 복수개가 교차 적층되어 음향메타물질 구조체를 이루고, 상기 음향메타물질 구조체는 상하로 형성된 각 단위요소층의 음향메타물질 단위요소에 형성된 결합부가 상호 접하여 교차 적층하며, 상기 결합부는 음향메타물질 단위요소의 상부 외주면에 상부에 접하는 단위요소층과 결합될 수 있도록 결합홈 또는 돌출부가 형성되고, 하부 외주면에는 하부에 접하는 단위요소층과 결합될 수 있도록 결합홈 또는 돌출부가 형성된 것이나, 또는 음향메타물질 단위요소의 상부 또는 하부에 접하는 단위요소층과 결합될 수 있도록 일측에 일정 깊이로 평평하게 함몰되어 음향메타물질 단위요소가 안착되는 평면홈이 형성되어 음향메타물질 구조체의 비선형 접촉 특성을 조절하여 음향메타물질의 충격저감 효과를 가지면서도 재사용이 가능하여 기계시스템의 구조재로 사용이 가능한 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체 및 그 형성방법에 관한 것이다.

Description

비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체 및 그 형성방법{ACOUSTIC METAMATERIALS STRUCTURES FOR IMPACT VIBRATION MITIGATION BY CONTROLLING NONLINER CONTACT PROPERTIES AND FORMATION METHOD THEREOF}
본 발명은 충격진동 저감이 가능한 구조를 갖는 음향메타물질 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음향메타물질 구조체의 비선형 접촉 특성을 조절하여 음향메타물질의 충격저감 효과를 가지면서도 재사용이 가능하여 기계시스템의 구조재로 사용이 가능한 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체 및 그 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로 충격진동을 저감시키는 방법으로 고무와 같은 탄성중합체, 복합재료, 스티로폼, 알루미늄 폼 등과 같은 다공질 소재, 유체, 기체 등을 이용한 재료적인 방법과 허니콤 구조와 같이 충격이 왔을 때 자기변형을 통해 충격 흡수하는 구조적인 방법이다.
하지만, 상기 재료적인 방법은 이에 사용되는 재료의 강도 및 강성과 같은 기계적인 특성이 낮아 비교적 큰 충격을 견디지 못하는 이유로 기계시스템의 구조 재료로써 적용이 어렵고, 상기 구조적인 방법은 충격 흡수 후에 재료의 소성변형 및 파괴가 일어나 재사용이 어려운 단점이 있다.
한편, 음향메타물질은 음향의 파장보다 작은 연속된 구조를 이용하여 소리 혹은 초음파 등을 통과, 변조, 흡수할 수 있는 인공 물질이다. 음향메타물질은 음향이라는 탄성파를 제어하는 특성을 가진 것으로, 구조물에 가해지는 충격진동인 탄성파의 제어도 가능함이 이론 및 실험을 통하여 입증되었으며, 음향메타물질을 이용하여 충격 진동 저감이 가능하며 기계시스템의 구조물로 가능한 복합재료 혹은 샌드위치 형상의 음향메타물질 구조체도 제안되었다.
이와 같은 음향메타물질 구조체의 경우도 음향메타물질을 구성하는 단위 요소간의 비선형 접촉 특성을 통하여 충격진동을 효과적으로 저감시킬 수 있으며 재사용이 가능하지만, 충격진동저감 특성을 조절하기 위해서는 단위요소의 재료, 크기, 배열 간격, 적층 각도 및 수를 적절히 바꾸어야 한다. 하지만, 실제 기계시스템에 적용할 때는 이러한 변수들의 변화가 항상 가능한 것은 아니며, 특히 재료와 크기의 변화에 제약이 많은 편이다.
한편, 음향메타물질 구조체의 비선형 접촉 특성은 음향메타물질의 재료와 크기에 의하여 결정된다. 음향메타물질의 강성이나 크기에 따라서 접촉 하중-접촉 변위 곡선의 차이가 발생하게 되며, 상성이나 크기의 차이가 접촉 하중-접촉 변위 곡선의 차이와 비례하지 않기 때문에 특정 영역에서 비선형 접촉 특성 변화를 위해서는 강성 혹은 크기의 변화를 크게 해야 할 수도 있다.
하지만 재료와 크기의 변화에 제약이 많은 기계시스템에 적용하기 위해서는 비선형 접촉 특성 조절이 용이하지 않다.
이때, 비선형 접촉 특성은 음향메타물질 단위요소의 강성과 크기에 의하여 결정이 되기 때문에 음향메타물질의 충격진동 저감 특성 변화를 위해서는 재료 혹은 크기를 변형하여야 하는 제약이 따른다.
대한민국 특허공개공보 제10-2016-0101639호
이에 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명은 음향메타물질의 재료 혹은 크기를 변형하지 않고 본 발명의 음향메타물질 구조체를 이루는 단위요소끼리 접촉하는 부분의 형상을 다양한 형태로 변형하여 비선형 접촉 특성을 제어함으로써 음향메타물질 구조체를 기계시스템에 적용할 때 기계시스템의 공간 및 기계적 특성 변화 없이 충격진동 저감이 가능한 구조를 갖는 음향메타물질 구조체를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로만 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체는, 일방향으로 긴 길이를 가지는 환봉 형상으로 음향메타물질 단위요소가 복수 개로 소정의 간격을 갖도록 평행하게 배열되어 단일층을 형성하는 단위요소층을 이루고, 상기 단위요소층은 복수개가 교차 적층되어 음향메타물질 구조체를 이루고, 상기 음향메타물질 구조체는 상하로 형성된 각 단위요소층의 음향메타물질 단위요소에 형성된 결합부가 상호 접하여 교차 적층하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 결합부는 상기 음향메타물질 단위요소의 상부 외주면에는 상부에 접하는 단위요소층과 결합될 수 있도록 결합홈 또는 돌출부가 형성되고, 상기 음향메타물질 단위요소의 하부 외주면에는 하부에 접하는 단위요소층과 결합될 수 있도록 결합홈 또는 돌출부가 형성되어 이루어질 수 있다.
또한, 다른 형상으로 상기 결합부는 상기 음향메타물질 단위요소의 상부 또는 하부에 접하는 단위요소층과 결합될 수 있도록 일측에 일정 깊이로 평평하게 함몰되어 상기 음향메타물질 단위요소가 안착되는 평면홈이 형성되어 이루어질 수 있다.
상기 결합부에서 상기 돌출부는 반구형의 돌기이고, 상기 결합홈은 상기 돌출부 형상에 대응되는 반구형 홈일 수 있으며, 상기 결합부로 음향메타물질 단위요소 하부 외주면에 돌출부가 형성되면, 상기 음향메타물질 단위요소 하부에 적층되는 다른 하나의 단위요소층에서 결합부의 상부 외주면에는 상기 돌출부에 결합하는 결합홈이 이루어져 서로 교차 적층될 수 있다.
상기 단위요소층의 결합부는 둘 이상의 다수로 형성될 수 있으며, 결합부의 위치가 하나의 음향메타물질 단위요소 내에서 일정한 간격 혹은 두 가지 이상의 서로 다른 간격을 갖고 형성될 수 있다.
상기 결합부는 인접하는 단위요소층이 서로 결합하여 교차 적층될 수 있도록 동일한 간격으로 적어도 둘 이상 다수로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 음향메타물질 단위요소에서 상기 결합부를 제외한 나머지 부분의 단면 형상이 원형 또는 다원형 중 어느 하나인 형태를 가질 수 있다.
상기 단위요소층을 이루는 음향메타물질 단위요소는 주조, 소결, 압연, 사출, 단조 및 적층가공 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 제조된 음향메타물질 단위요소를 사용할 수 있다.
상기 단위요소층을 이루는 음향메타물질 단위요소는 금속, 세라믹, 고분자재료 및 탄성중합체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 음향메타물질 구조체의 상부와 하부에 각각 하나의 판(plate)이 접촉되거나, 또는 상기 음향메타물질 구조체 외부를 감싸는 단일 지지체를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 단일 지지체는 고분자재료, 탄성중합체, 폴리에스터, 폴리에폭시, 폴리우레탄, 비닐에스터 또는 폴리디메틸실록산 중 어느 하나가 적용되어 이루어질 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 구조체의 형성방법은, 소정 영역에 다른 음향메타물질 단위요소 간에 서로 적층되도록 결합부가 구비된 일방향으로 긴 길이를 가지는 환봉 형상의 음향메타물질 단위요소가 복수 개로 소정의 간격을 갖고 평행하게 배열되어 단일 층을 이루는 단위요소층을 형성하는 단계 및 상기 형성된 단위요소층을 적층하되, 상기 단위요소층을 이루는 음향메타물질 단위요소에 형성된 결합부가 교차하도록 적층하여 음향메타물질 구조체를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 결합부는 상기 음향메타물질 단위요소의 상부 외주면에 접하는 단위요소층과 결합될 수 있도록 결합홈 또는 돌출부가 형성되고, 상기 음향메타물질 단위요소의 하부 외주면에는 하부에 접하는 단위요소층과 결합될 수 있도록 결합홈 또는 돌출부이 형성되어 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 결합부에서 상기 돌출부는 반구형의 돌기이고, 상기 결합홈은 상기 돌출부 형상에 대응되는 반구형 홈으로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 다른 형상으로 상기 결합부는 음향메타물질 단위요소의 상부 또는 하부에 접하는 단위요소층과 결합될 수 있도록 일측에 일정 깊이로 평평하게 함몰되어 음향메타물질 단위요소가 안착되는 평면홈이 형성되어 이루어질 수 있다.
상기 음향메타물질 구조체를 형성하는 단계는, 상기 단위요소층의 결합부로 상기 음향메타물질 단위요소의 하부 외주면에 돌출부가 형성되면, 상기 음향메타물질 단위요소 하부에 적층되는 다른 하나의 단위요소층에서 음향메타물질 단위요소의 상부 외주면에는 결합부로 상기 돌출부에 결합하는 결함홈이 형성되어 교차 적층할 수 있다. 여기서 단위요소층의 서로 교차 적층되도록 반복 수행하면 다층으로 이루어진 음향메타물질 구조체를 형성할 수 있다.
상기 음향메타물질 구조체를 형성하는 단계 이후에, 상기 음향메타물질 구조체의 상부와 하부에 판(plate)을 형성하는 단계 또는 상기 음향메타물질 구조체의 외부를 단일 지지체로 감싸는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단일 지지체로는 앞서 설명한 바와 같이 고분자재료, 탄성중합체, 폴리에스터, 폴리에폭시, 폴리우레탄, 비닐에스터 또는 폴리디메틸실록산 중 어느 하나가 적용되어 이루어진 것을 사용할 수 있다.
음향메타물질 구조체를 구성하는 단위 요소의 교차하는 부분 형상을 달리하여 음향메타물질 및 음향메타물질 구조체가 가지는 배열 및 고정의 어려움을 해결함으로써 음향메타물질 구조체의 형성이 용이해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 음향메타물질 구조체를 구성하는 하나의 음향메타물질 단위요소에는 상호 반대되는 형상의 결합부가 각각 형성되어 있어, 이와 같은 결합부의 형상과 적층시 인접하는 음향메타물질 단위요소 간 적층되는 위치가 바뀌거나 또는 어긋나는 것을 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서 제시된 음향메타물질 구조체는 음향메타물질의 우수한 충격흡수 능력 및 재사용 가능성을 기계시스템의 구조재로 활용이 가능하여, 지상 무기 체계의 충격흡수 장갑, 각종 전자장비의 보호용 케이스, 개인장구의 방탄 혹은 충격흡수 장비 등에 적용이 가능해지며, 충격에 의한 전달 소음의 저감도 가능하다. 본 발명에 의하면 음향메타물질의 단위 요소의 배열 및 고정이 용이하게 되어 음향메타물질의 제조 및 수리에 필요한 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 선행기술로 제시된 음향메타물질 및 음향메타물질 구조체의 모식도이다.
도 2 및 도 3은 종래 음향메타물질 구조체의 비선형 접촉 특성을 표현하는 음향메타물질 단위요소 간의 비선형 접촉 하중-접촉 변위 관계의 일례이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 음향메타물질 구조체의 비선형 접촉 특성의 변화를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 음향메타물질 구조체의 비선형 접촉 특성의 변화를 나타낸다.
이하, 본 발명의 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체를 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명하며, 이는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 하는 설명에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 단계, 숫자, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계. 숫자, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
일반적으로 음향메타물질은 동일한 형상을 가진 단위 요소들이 공간상에서 일정하게 배열된 구조로서 입사된 탄성파를 배열 구조 간의 간섭, 공진, 전달 등을 통하여 제어한다. 종래의 선행기술문헌으로 특허문헌 1에서 음향메타물질 중 단순하면서도 우수한 성능을 가지는 장작더미 형태를 이용하여 기계적인 탄성파, 즉 충격 진동의 저감이 가능한 음향메타물질 구조체가 제시되었다.
도 1에 도시된 바와 같이, 선행기술문헌으로 특허문헌 1에서 제시된 음향메타물질 및 음향메타물질 구조체는 일방향성을 갖는 하나 이상의 단위 요소가 평행하게 배열되어 단일층을 이루고, 상기 단일층 복수개가 서로 인접하게 교차 적층되어 음향메타물질 구조체를 이루며, 다층 구조체를 단일기지체로 감싸고 있거나, 다층 구조체의 상부와 하부에 각각 하나의 판이 접촉되어 있는 형태를 이룬다.
이때, 음향메타물질 혹은 음향메타물질 구조체의 충격진동저감 특성과 관련된 음향메타물질 단위요소 간의 비선형 접촉 특성은 헤르쯔 접촉 이론(Hertzian Contact Law)에 의하여 예측이 가능하며, 특히 반경 R인 환봉 형상 형태의 음향메타물질 단위요소 간의 비선형 접촉은 아래 수학식 1에 의하여 계산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018031944666-pat00001
Figure 112018031944666-pat00002
상기 수식에서 F는 접촉되는 두 음향메타물질 단위요소 간의 접촉력이고, E*은 음향메타물질 구조체의 영률(Young's modulus)이고, E1, E2는 각각의 음향메타물질 단위요소의 영률(Young's modulus)이고, R은 음향메타물질 단위요소의 반지름이고, d는 음향메타물질 단위요소 간 접촉력이 발생하였을 때 음향메타물질 단위요소 간의 변위이며, v1, v2는 접촉되는 두 음향메타물질 단위요소 간 각각의 포아송비(Poisson's Ratio)를 나타낸다.
도 2 및 도 3은 동일한 재료로 환봉 형상의 음향메타물질 단위요소의 강성과 직경에 따라 상기 수학식 1을 이용하여 계산한 음향메타물질 단위요소 간의 비선형 접촉 하중-접촉 변위 곡선의 일례를 나타낸다.
도 2는 동일한 강성에 대하여 환봉 형상의 음향메타물질 단위요소의 직경 변화에 따른 비선형 특성 곡선에 관한 것으로, 음향메타물질 단위요소의 강성이 200GPa 일 때 환봉 형상의 음향메타물질 단위요소의 직경이 1mm, 5mm, 10mm, 15mm, 20mm로 직경의 변화에 따른 접촉 변위와 접촉 하중 곡선을 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이 직경이 1mm로 작을 때는 접촉 변위 변화에 대해 접촉 하중 변화량이 크지 않지만, 직경이 5mm 이상으로 큰 경우는 접촉 변위 변화에 대한 접촉 하중 변화량이 상대적으로 크게 나타난다.
도 3은 동일한 직경에 대하여 환봉 형상 음향메타물질 단위요소의 강성 변화에 따른 비선형 특성 곡선에 관한 것으로, 음향메타물질 단위요소의 직경 5mm 일 때 환봉 형상 음향메타물질 단위요소의 강성이 10GPa, 50GPa, 100GPa, 200GPa으로 변화함에 따른 접촉 변위와 접촉 하중 곡선을 나타낸 것이다.
상기 도 2와 마찬가지로 도 3을 살펴보면, 강성이 10GPa 정도로 작을 때는 접촉 변위 변화에 대한 접촉 하중 변화량이 크지 않지만, 강성이 50GPa 이상으로 큰 경우는 접촉 변위 변화에 대한 접촉 하중 변화량이 상대적으로 크게 나타난다. 이로 인하여 음향메타물질 단위요소 간 접촉의 비선형 특성 차이가 발생하게 된다.
기계 시스템에 적용할 때는 허용되는 공간 및 요구되는 기계적 성능을 만족시킬 수 있는 음향메타물질 단위요소의 강성과 크기의 범위가 넓지 않은 경우가 대부분인데, 음향메타물질 및 음향메타물질 구조체의 충격진동 저감 특성을 변화시키기 위해서는 도 2에 제시된 것과 같이 강성 및 직경의 변화가 반드시 필요하게 되어 모순이 발생하게 된다.
헤르쯔 접촉 이론에 따르면 접촉 하중-변위 곡선은 결합부의 형상에 의하여 달라지게 된다. 이러한 원리를 이용하여, 음향메타물질 단위요소의 재료와 크기는 기계 시스템의 공간 및 기계적 성능에 적합하도록 유지하면서 결합부의 형상만 달리하게 되면 음향메타물질 단위요소 간의 비선형 접촉 특성 제어가 가능하다.
본 발명의 따른 음향메타물질 구조체를 구성하는 음향메타물질 단위요소는 일 방향으로 긴 길이를 가지는 환봉 형상으로 외주면을 따라 인접하는 음향메타물질 단위요소끼리 상호 접하여 교차되는 결합부가 형성된다.
본 명세서에서 사용된 '음향메타물질 단위요소'이라는 용어는 음향메타물질 구조체를 이루고 있는 하나의 단위요소를 의미하는 것으로 즉, 도면에서 도시된 부호 2, 3이 가리키고 있는 대상을 의미한다.
상기 결합부는 상부 또는 하부에 인접하는 단위요소층과 결합될 수 있도록 결합홈(21) 또는 상기 결합홈(21)에 대응되는 형상을 갖는 돌출부(22)의 형태로 이루어질 수 있다. 또는 음향메타물질 단위요소의 상부 또는 하부에 접하는 단위요소층과 결합될 수 있도록 일측에 일정 깊이로 평평하게 함몰되어 음향메타물질 단위요소가 안착되는 안착홈의 형태로 이루어질 수 있다.
상기 단위요소층의 결합부는 둘 이상의 복수개로 형성될 수 있으며, 결합부의 위치가 하나의 음향메타물질 단위요소 내에서 일정한 간격 혹은 두 가지 이상의 서로 다른 간격을 갖고 형성될 수 있다.
상기 음향메타물질 단위요소의 결합부 부분을 제외한 나머지 부분의 단면 형상은 원형이 바람직하게 적용될 수 있다.
상기 음향메타물질 단위요소의 재질은 금속, 세라믹, 고분자재료, 탄성중합체 중 어느 하나가 적용될 수 있으며, 본 발명의 음향메타물질 단위요소는 주조, 압연, 소결, 사출, 단조 등 다양한 방법에 의하여 제작이 가능하다.
본 발명의 음향메타물질 구조체는 하나 이상의 음향메타물질 단위요소가 일정한 배열 간격을 두고 평행하게 배열되어 단일층의 단위요소층을 형성하고, 이 형성된 단위요소층의 상부 또는 하부에 또 다른 단위요소층이 결합부를 중심으로 상호 접하도록 교차 적층되어 음향메타물질 구조체를 이룬다.
즉, 본 발명에 따른 음향메타물질 구조체는 일방향성으로 길이를 갖는 단위 요소에 있어 복수개의 층이 서로 교차되는 결합부의 형상이 나머지 부분과 다르게 하여 비선형 접촉 특성을 조절함으로써 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체를 형성하는 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 음향메타물질 구조체(101)를 구성하는 음향메타물질 단위요소의 모식도이다.
도 4에 제시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향메타물질 단위요소(2)는 일 방향으로 긴 길이를 가지는 환봉 형상으로 외주면을 따라 인접하는 음향메타물질 단위요소끼리 상호 접하여 교차되는 결합부가 형성될 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 결합부는 하나의 음향메타물질 단위요소의 상부 외주면에 접하는 음향메타물질 단위요소와 결합될 수 있는 결합홈(21)을 형성하고, 하부 외주면에는 접하는 음향메타물질 단위요소와 결합될 수 있도록 돌출부(22)가 형성할 수 있다.
상기 돌출부(22)는 반구형의 돌기로 형성될 수 있고, 상기 결합홈(21)은 상기 반구형의 돌기로 형성된 돌출부(22) 형상에 대응되는 반구형 홈으로 형성할 수 있다. 이때 결합부의 돌출부(22)와 결합홈(21)의 반경을 모두 r이라고 가정하면, 앞서 설명한 헤르쯔 접속 이론에 의해 접촉 하중-변위 곡선은 아래 수학식 2를 이용하여 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018031944666-pat00003
즉, 반경 R인 환봉 형상의 음향메타물질 단위요소의 결합부에 반경 r인 돌출부와 결합홈을 형성하게 되면, 결합부의 접촉 하중-변위 곡선은 수학식 1에서 수학식 2로 바뀌게 된다. 즉, 반경 r을 적절히 결정하면 원하는 비선형 접촉 특성을 얻을 수 있다.
도 5는 상기 도 4에 제시된 본 발명의 실시예 1에 따른 음향메타물질 단위요소의 비선형 접촉 특성 변화를 계산한 접촉 하중-변위 곡선을 나타낸 것이다.
구체적으로 도 5는 강성이 200GPa고 포아송비가 0.29인 직경 5mm의 환봉 형상의 음향메타물질 단위요소의 결합부를 돌출부와 결합홈 모양으로 변경하였을 때, 돌출부 혹은 결합홈의 직경에 따라 앞서 제시한 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 계산한 접촉 하중-변위 곡선이다.
환봉 형상의 음향메타물질 단위요소의 결합부만을 돌출부 혹은 결합홈 모양으로 변경하게 되면, 종래 일반적 환봉 형상의 접촉에 비하여 동일 접촉 하중에 대한 접촉 변위가 모두 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 돌출부와 결합홈의 직경에 따라서 비선형 접촉 특성 변화 정도의 제어가 가능함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예 2에 따른 음향메타물질 구조체(102)의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 음향메타물질 단위요소의 결합부에서 평평한 평면홈(31)을 형성하고, 이와 접촉하는 다른 하나의 음향메타물질 단위요소에는 구형 모양의 돌기(미도시)를 형성하여 음향메타물질 단위요소의 접촉을 구와 면의 접촉으로 변경이 가능하다. 구의 반경을 r이라고 가정하면 헤르쯔 접촉 이론에 의한 접촉 하중-변위 곡선은 상기 수학식 1과 동일한 식으로 계산할 수 있다.
반경 R인 환봉 형상의 음향메타물질 단위요소의 결합부에 반경 r인 돌기와 평면홈(31)을 형성하게 되면, 결합부의 접촉 하중-변위 곡선은 수학식 1에서 수학식 3으로 바뀌게 된다. 이때, 결합부 돌기의 반경 r은 음향메타물질 단위요소의 반경 R보다 작게 되므로, 동일한 접촉 하중에 대해 더 큰 접촉 변위를 얻을 수 있다. 따라서 돌기의 반경 r을 적절히 변경하면 원하는 비선형 접촉 특성을 얻을 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018031944666-pat00004
실시예 2에서도 결합부의 형상은 앞서 설명한 실시예 1과 같이 다양한 방법에 의해 형성이 가능하다. 금속의 경우 롤 압연과 같은 방법으로 국부적인 형상 변화가 가능하며, 고분자 재료나 탄성중합체의 경우 열성형, 적층 성형의 방법으로 일부분만 변경이 가능하다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 음향메타물질 단위요소의 비선형 접촉 특성 변화를 계산한 결과이다. 강성과 포아송비가 각각 200GPa, 0.29인 직경 5mm의 환봉 형상의 음향메타물질 단위요소의 결합부를 구형 돌기와 평면홈으로 모양을 변경하였을 때, 구형 돌기의 직경에 따라 수학식 1 및 수학식 3을 이용하여 계산한 접촉 하중-변위 곡선이다.
도 7에 도시된 바와 같이 환봉 형상의 음향메타물질 단위요소의 결합부만을 돌기와 평면홈(31)으로 변경하게 되면, 기존의 환봉 형상으로 음향메타물질 단위요소 간의 접촉한 경우(Cylinder D 5.0로 표시)에 비하여 동일 접촉 하중에 대한 접촉 변위가 모두 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 돌기 혹은 홈의 직경에 따라서 변화 정도의 제어가 가능함을 알 수 있다.
본 발명에서 하나의 단위요소층을 이루는 음향메타물질 단위요소는 동일한 길이, 동일한 단면직경 및 동일한 단면 형상으로 이루어져 적층될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 해당 기술분야의 종사자의 편의나 사용 환경에 맞춰 보다 변경하여 음향메타물질 구조체를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제시된 결합부 형상은 다양한 방법에 의해 형성이 가능하다. 금속의 경우 롤 압연과 같은 방법으로 국부적인 형상 변화가 가능하며, 고분자 재료나 탄성중합체의 경우 열성형, 적층 성형의 방법으로 음향메타물질 단위요소의 일부분만 변경이 가능하다.
본 발명의 실시예로 도 4와 도 6에서는 단위요소층 복수개가 적층각 90도를 이루며 서로 인접하게 교차 적층된 음향메타물질 구조체를 제시하지만, 이때 적층각은 이에 한정되지 않고, 0도 초과 180도 미만인 범위 내에서 적합하게 변경 가능하다.
본 명세서의 도면에는 도시되지 않았으나, 앞서 실시예 1 및 실시예 2에서 제시된 결합부를 포함하여 이루어진 비선형 접촉 특성이 조절되어 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체를 추가적으로 단일지지체로 감싸거나 상부와 하부에 판을 부착하여 음향메타물질 구조체를 형성할 수 있다.
여기서 단일기지체는 탄성을 가진 소재로서 고분자일 수 있으며, 바람직하게는 고분자재료, 탄성중합체, 폴리에스터, 폴리에폭시, 폴리우레탄, 비닐에스터 또는 폴리디메틸실록산 중 어느 하나가 적용될 수 있으나, 이에 한정되어 있지 않고, 충격진동 저감이 필요한 소재 등에 적용되어 해당 기술 분야의 종사자의 편의나 사용 환경에 맞춰 보다 적합한 재질을 제공하도록 변경이 가능하다.
앞서 살펴본 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시하도록 하는 바람직한 실시예 일뿐 전술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변경 및 변경이 가능하다.
2, 3 : 음향메타물질 단위요소
21 : 결합홈
22 : 돌출부
31 : 평면홈
101, 102 : 음향메타물질 구조체

Claims (16)

  1. 환봉 형상의 음향메타물질 단위요소가 복수 개로 소정의 간격을 갖도록 평행하게 배열되어 단일층을 형성하는 단위요소층을 이루고, 상기 단위요소층은 복수 개가 교차 적층되어 음향메타물질 구조체를 이루고,
    상기 음향메타물질 구조체는 상하로 형성된 각 단위요소층의 음향메타물질 단위요소에 형성된 결합부가 상호 접하여 교차 적층하며,
    상기 결합부는 상기 단위요소층과 결합될 수 있도록 상기 음향메타물질 단위요소의 상부 외주면 및 하부 외주면에 결합홈 또는 돌출부가 형성된 것이나, 상기 단위요소층과 결합될 수 있도록 상기 음향메타물질 단위요소의 상부 또는 하부에 일측에 일정 깊이로 평평하게 함몰되어 상기 음향메타물질 단위요소가 안착되는 평면홈이 형성되며,
    상기 결합부의 위치는 상기 복수 개의 음향메타물질 단위요소 중 어느 하나의 음향메타물질 단위요소 내에서 일정한 간격 혹은 두 가지 이상의 서로 다른 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결합부에서 상기 돌출부는 반구형의 돌기이고, 상기 결합홈은 상기 돌출부 형상에 대응되는 반구형 홈인 것을 특징으로 하는 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결합부로 상기 음향메타물질 단위요소의 하부 외주면에 돌출부가 형성되면, 상기 음향메타물질 단위요소 하부에 적층되는 다른 하나의 단위요소층에서 음향메타물질 단위요소의 상부 외주면에는 상기 돌출부에 결합하는 결합홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결합부는 인접하는 단위요소층이 서로 결합하여 교차 적층될 수 있도록 동일한 간격으로 적어도 둘 이상 다수로 형성되는 것을 특징으로 하는 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음향메타물질 단위요소에서 상기 결합부를 제외한 나머지 부분의 단면 형상이 원형, 다각형 또는 다원형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 음향메타물질 단위요소는 금속, 세라믹 및 탄성중합체 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 음향메타물질 구조체는 상기 음향메타물질 구조체의 상부와 하부에 각각 하나의 판(plate)이 접촉되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 음향메타물질 구조체는 상기 음향메타물질 구조체 외부를 감싸는 단일 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단일 지지체는 탄성중합체, 폴리에스터, 폴리에폭시, 폴리우레탄, 비닐에스터 또는 폴리디메틸실록산 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비선형 접촉 특성을 조절하여 충격진동이 저감된 음향메타물질 구조체.
  11. 소정 영역에 다른 음향메타물질 단위요소 간에 서로 적층되도록 결합부가 구비된 환봉 형상의 음향메타물질 단위요소가 복수 개로 소정의 간격을 갖고 평행하게 배열되어 단일 층을 이루는 단위요소층을 형성하는 단계; 및
    상기 단위요소층을 적층하되, 상기 단위요소층을 이루는 음향메타물질 단위요소에 형성된 결합부가 교차하도록 적층하여 음향메타물질 구조체를 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 결합부는 상기 단위요소층과 결합될 수 있도록 상기 음향메타물질 단위요소의 상부 외주면 및 하부 외주면에 결합홈 또는 돌출부가 형성된 것이나, 상기 단위요소층과 결합될 수 있도록 상기 음향메타물질 단위요소의 상부 또는 하부에 일측에 일정 깊이로 평평하게 함몰되어 음향메타물질 단위요소가 안착되는 평면홈이 형성되며,
    상기 결합부의 위치는 상기 복수 개의 음향메타물질 단위요소 중 어느 하나의 음향메타물질 단위요소 내에서 일정한 간격 혹은 두 가지 이상의 서로 다른 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 구조체의 형성방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 결합부에서 상기 돌출부는 반구형의 돌기이고, 상기 결합홈은 상기 돌출부 형상에 대응되는 반구형 홈인 것을 특징으로 하는 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 구조체의 형성방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 음향메타물질 구조체를 형성하는 단계는,
    상기 단위요소층의 결합부로 상기 음향메타물질 단위요소의 상부 외주면에 결합홈이 형성되면, 상기 음향메타물질 단위요소 상부에 적층되는 다른 하나의 단위요소층을 이루는 음향메타물질 단위요소의 하부 외주면에는 결합부로 상기 결합홈에 결합하는 돌출부가 형성되어 교차 적층하는 것을 특징으로 하는 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 구조체의 형성방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 음향메타물질 구조체를 형성하는 단계 이후에, 상기 음향메타물질 구조체의 상부와 하부에 판(plate)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 구조체의 형성방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 음향메타물질 구조체를 형성하는 단계 이후에, 상기 음향메타물질 구조체의 외부를 단일 지지체로 감싸는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 구조체의 형성방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단일 지지체는 탄성중합체, 폴리에스터, 폴리에폭시, 폴리우레탄, 비닐에스터 또는 폴리디메틸실록산 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 구조체의 형성방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012151523A (ja) * 2011-01-14 2012-08-09 Canon Inc メタマテリアル
KR20160101639A (ko) 2015-02-17 2016-08-25 엘지전자 주식회사 차량의 실내 방향 장치
KR20180017582A (ko) * 2016-08-10 2018-02-21 국방과학연구소 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012151523A (ja) * 2011-01-14 2012-08-09 Canon Inc メタマテリアル
KR20160101639A (ko) 2015-02-17 2016-08-25 엘지전자 주식회사 차량의 실내 방향 장치
KR20180017582A (ko) * 2016-08-10 2018-02-21 국방과학연구소 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102658820B1 (ko) * 2021-11-30 2024-04-19 한국표준과학연구원 음향메타물질 구조체

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