KR102116466B1 - 흡음 장치 - Google Patents

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KR102116466B1
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전원주
유현빈
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치는, 평면 상에 배열된 복수의 헬름홀츠 공명기를 포함하며, 상기 복수의 헬름홀츠 공명기 각각은, 두께 방향으로 홀이 관통된 소정 두께의 목부; 및 상기 목부에 연결되어 상기 홀을 통해 음파가 연통되는 내부 공간이 마련된 챔버부;를 포함하고, 인접한 헬름홀츠 공명기와 서로 다른 공명 주파수를 가지며, 상기 복수의 헬름홀츠 공명기 중 적어도 하나의 상기 내부 공간에는 상기 음파의 진행 방향을 가이드하는 격벽이 구비된다.

Description

흡음 장치 {SOUND ABSORBING APPARATUS}
본 발명은 흡음 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 둘 이상의 주파수를 높은 흡음률로 흡음할 수 있는 초박형의 흡음 장치에 관한 것이다.
주변 소음을 효율적으로 저감시키는 장치는 일상 생활 혹은 산업 현장에서 중요한 고려 사항이다. 각종 기계 설비 등에서 발생하는 소음을 저감시키기 위해 많은 산업 현장에서 이용되는 흡음 방식은 그 원리에 따라 대표적으로 다공질형, 공명형 및 판상형 흡음 방식으로 나눌 수 있다.
다공질형 흡음 방식은 흡음 성능이 높은 적절한 재료를 채택함으로서 특정 주파수 및 광대역 주파수에서의 흡음률을 향상시키는 방식이며, 공명형 및 판상형 흡음 방식은 흡음재의 내부구조를 변형시킴으로써 특정 주파수에서의 흡음률을 부분적으로 향상시키는 방식이다.
기존 흡음 기술들은 얇은 흡음재 두께만으로는 저주파수에서 높은 흡음률을 기대할 수 없다는 분명한 한계점을 가지고 있으며, 또한 여러 주파수의 소음이 발생할 경우 각각의 주파수에 대해 선택적으로 높은 흡음 성능을 기대할 수 없다. 따라서, 설계자가 두 개 이상의 주파수를 선택할 수 있고, 적은 공간만을 차지하는 흡음 장치를 설계할 수 있는 흡음 기술이 필요하다.
본 발명의 일 측면은 두께가 얇으면서 두 개 이상의 주파수의 소음을 높은 흡음률로 흡수하는 흡음 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치는, 평면 상에 배열된 복수의 헬름홀츠 공명기를 포함하며, 상기 복수의 헬름홀츠 공명기 각각은, 두께 방향으로 홀이 관통된 소정 두께의 목부; 및 상기 목부에 연결되어 상기 홀을 통해 음파가 연통되는 내부 공간이 마련된 챔버부;를 포함하고, 인접한 헬름홀츠 공명기와 서로 다른 공명 주파수를 가지며, 상기 복수의 헬름홀츠 공명기 중 적어도 하나의 상기 내부 공간에는 상기 음파의 진행 방향을 가이드하는 격벽이 구비된다.
상기 복수의 헬름홀츠 공명기 각각은, 상기 인접한 헬름흘츠 공명기와 상기 홀의 크기, 상기 목부의 두께, 및 상기 내부 공간의 부피 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
상기 격벽에는 상기 음파가 통과할 수 있는 개방부가 형성되고, 상기 격벽이 구비된 헬름홀츠 공명기에서, 상기 챔버부의 내면과 상기 격벽에 의해 상기 내부 공간을 진행하는 상기 음파의 경로가 규정될 수 있다.
상기 복수의 헬름홀츠 공명기는 동일한 크기의 정사각기둥 형태이며, 네 개의 헬름홀츠 공명기가 격자 형태로 배열되어 하나의 흠음 셀을 형성하며, 복수 개의 상기 흡음 셀이 상기 평면 상에 격자 형태로 배열될 수 있다.
상기 네 개의 헬름홀츠 공명기는 각각 상기 홀의 크기가 서로 다르게 형성될 수 있다.
상기 네 개의 헬름홀츠 공명기는 상기 음파의 경로의 길이가 동일할 수 있다.
상기 네 개의 헬름홀츠 공명기가 상기 내부 공간의 부피와 상기 목부의 두께가 서로 동일할 수 있다.
상기 상기 격벽에 의하여 상기 음파의 진행 방향이 적어도 한 번 변경되도록 가이드 될 수 있다.
상기 흡음 셀은 흡음 주파수가 두 개 이상일 수 있다.
상기 복수의 헬름홀츠 공명기는 여덟 개의 헬름홀츠 공명기이고, 일부는 다른 일부와 상기 음파의 경로의 길이가 서로 다르며, 상기 여덟 개의 헬름홀츠 공명기가 서로 인접하여 정사각기둥 형태의 하나의 흡음 셀을 형성하고, 복수의 상기 흡음 셀이 상기 평면 상에 격자 형태로 배열될 수 있다.
상기 여덟 개의 헬름홀츠 공명기는 동일한 높이의 다각기둥 형태이고, 상기 홀의 크기가 서로 다르게 형성될 수 있다.
상기 여덟 개의 헬름홀츠 공명기 중 두 개씩의 헬름홀츠 공명기가 인접하게 배열되어 동일한 크기의 네 개의 정사각기둥 형태를 형성하고, 상기 네 개의 정사각기둥 형태가 인접하게 배열되어 상기 흡음 셀을 형성할 수 있다.
상기 여덟 개의 헬름홀츠 공명기는 적어도 세 개의 서로 다른 상기 음파의 경로의 길이를 가질 수 있다.
상기 흡음 셀은 흡음 주파수가 네 개 이상일 수 있다.
상기 격벽은 상기 두께 방향으로 연장되고, 상기 평면 상에서 상기 내부 공간을 동일 면적으로 구획하며, 상기 음파의 경로는 상기 개방부를 통하여 연결될 수 있다.
상기 평면은 입사하는 음파의 방향에 수직하고, 상기 홀은 상기 음파를 향하도록 배열될 수 있다.
상기 복수의 헬름홀츠 공명기 각각의 두께는 상기 음파의 파장보다 작을 수 있다.
상기 음파는 서로 인접한 헬름홀츠 공명기에서 반사되는 위상이 서로 달라 상쇄 간섭을 일으킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 헬름홀츠 공명기를 조합하여 배열함으로써, 소음을 높은 흡음률로 흡수할 수 있고, 복수의 주파수의 소음이나 넓은 주파수 대역의 소음을 효과적으로 흡수할 수 있다.
또한, 음파의 경로를 연장시키는 격벽 구조가 구비된 헬름홀츠 공명기를 배열함으로써, 두께를 매우 얇게 하면서 높은 흠음률을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 흠음 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 사시도이다.
도 3은 도 2의 흡음 셀을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 투시하여 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 흡음 장치의 흡음 성능을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 정면도이다.
도 8 내지 도 10은 도 7의 흡음 셀을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 투시하여 도시한 사시도이다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡음 장치의 흡음 성능을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 사시도이다.
도 13 내지 도 16은 도 12의 흡음 셀을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 투시하여 도시한 사시도이다.
도 17은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 흡음 장치의 흡음 성능을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 사시도이다.
도 19는 도 18의 흡음 셀을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 투시하여 도시한 사시도이다.
도 20은 도 19의 헬름홀츠 공명기를 투시하여 도시한 정면도이다.
도 21은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 흡음 장치의 흡음 성능을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 흠음 장치의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 평면 상에 2차원적으로 배열된 복수의 흡음 셀(C)을 포함하며, 두께가 얇은 패널(panel) 또는 보드(board) 형태로 이루어질 수 있다. 흡음 셀(C)은 정사각기둥 형태일 수 있으며, 복수의 흡음 셀(C)이 도 1을 기준으로 x축 및 y축 방향으로 연속적으로 인접하게 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 음파(S)가 z축 방향으로 입사하는 경우, 입사하는 음파에 수직한 xy 평면 상에 복수의 흡음 셀(C)은 격자 형태로 배열될 수 있다.
흡음 셀(C)은 평면 상에 배열된 복수의 헬름홀츠 공명기로 구성될 수 있다. 헬름홀츠 공명기는 홀이 관통된 소정 두께의 목부와, 목부에 연결되어 내부 공간이 마련된 챔버부를 포함할 수 있으며, 목부와 챔버부는 일체로 형성될 수 있다. 이 때, 홀은 음파를 발생시키는 음원을 향하여 배치될 수 있으며, 음파는 헬름홀츠 공명기의 목부에 형성된 홀을 통과하여 챔버부의 내부 공간으로 진행할 수 있다. 이하의 설명에서 전방, 후방은 음파를 발생시키는 음원에 가까운 방향을 전방, 멀어지는 방향을 후방으로 정의한다.
본 발명의 실시예에 따른 흡음 장치(100)에서 흡음 셀(C)을 구성하는 복수의 헬름홀츠 공명기는 다각기둥 형상일 수 있으며, 헬름홀츠 공명기가 배열된 평면에 나란한 방향의 단면은 다각형 형상일 수 있다. 이 때, 흡음 셀(C)을 구성하는 다각기둥 형태의 복수의 헬름홀츠 공명기는 그들 간에 이격된 공간이 존재하지 않도록 인접하게 배열되어, 도 1에 도시된 바와 같이 흡음 셀(C)은 정사각기둥 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 흡음 셀(C)을 구성하는 복수의 헬름홀츠 공명기가 다양한 구조와 배열로 이루어져서 복수의 주파수에 대하여 높은 흡음률을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 흡음 셀(C)을 구성하는 복수의 헬름홀츠 공명기 중 적어도 하나의 내부 공간에는 내부 공간으로 들어온 음파의 진행 방향을 가이드하는 격벽이 구비될 수 있다. 이에 따라 음파의 진행 경로를 연장시킬 수 있게 되어 흡음 장치의 두께를 얇게 구현할 수 있는 바, 이하 다양한 실시예의 흡음 장치(100)의 상세한 구조와 그에 따른 흡음 효과를 설명한다. 이하, 다양한 실시예의 설명에서는 흡음 장치(100)를 구성하는 흡음 셀의 구조에 대하여 설명하며, 복수의 흡음 셀이 평면 상에 2차원적으로 배열됨은 모든 실시예에서 동일하다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 사시도이고, 도 3은 도 2의 흡음 셀을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 투시하여 도시한 사시도이며, 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 정면도이다. 이해의 편의를 위해, 도 3에서 헬름홀츠 공명기의 내부 공간을 진행하는 음파의 경로를 굵은 실선 화살표로 도시하였고, 격벽은 어둡게 도시하였다. 설명의 편의를 위해, 도 2 내지 도 4에서 흡음 셀(C)을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 도면부호 120으로 도시하되, 네 개의 헬름홀츠 공명기를 이하 설명에서 필요에 따라 각각 제 1 내지 4 헬름홀츠 공명기라 지칭할 수 있으며, 120-1~120-4로 도면부호를 구분하였다. 홀(125), 격벽(127), 및 개방부(129)도 동일한 방식으로 도면부호를 구분하였으며, 이하 설명에서 필요에 따라 구분하여 지칭할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 네 개의 헬름홀츠 공명기(120)로 구성되는 흡음 셀(C) 복수 개가 격자 형태, 예를 들어, 도 1에서 x축 및 y축 방향으로 인접하게 배열되는 구조로 구성될 수 있다. 즉, 흡음 장치(100)는 네 개의 헬름홀츠 공명기(120)로 구성되는 흠음 셀(C)을 기본 단위로 하여, 흡음 셀(C)이 xy 평면 상에 연속적으로 배열되는 형태이다. 예를 들어, 정사각기둥 형태의 흡음 셀(C)이 정사각기둥 형태의 네 개의 헬름홀츠 공명기(120)로 구성될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하여, 흡음 셀(C)을 구성하는 정사각기둥 형태의 헬름홀츠 공명기(120)의 구조를 예시적으로 설명하면, 소정 두께(l)의 홀(125)이 관통된 목부(122)와 내부 공간을 가지는 챔버부(124)는 일체로 형성될 수 있다. 홀(125)은 일정한 크기의 원형 단면을 가지고, 헬름홀츠 공명기(120)의 외부와 내부 공간을 서로 연결하도록 길게 연장되며, 소정의 직경(2ri)을 가질 수 있다. 내부 공간은 홀을 통해 외부와 연통되도록 홀(125)의 후단에 연결되며, 챔버부(124)는 일정 두께를 가지는 박스 형태일 수 있으므로, 내부 공간은 챔버부(124)의 형상에 대응되도록 정사각기둥 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면 내부 공간은 가로(x축 방향 길이), 세로(y축 방향 길이), 두께(z축 방향 길이)가 각각 2a, 2a, b 일 수 있다. 그러나, 공간(126)의 형상이 정사각기둥에 한정되는 것은 아니며, 소정의 부피를 가지는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
흡음 장치(100)를 구성하는 헬름홀츠 공명기(120)는 음파(S)의 파장보다 작은 크기(아-파장 크기, subwavelength scale)를 가질 수 있다. 예를 들어, 헬름홀츠 공명기(120)의 한 변의 길이, 다시 말해 헬름홀츠 공명기(120)의 두께(H, 도 2 참조) 및 가로, 세로의 길이(D/2, 도 2 참조)는 음파(S)의 파장보다 작을 수 있다. 이에 따라, 작은 공간에서 높은 흠음 효과를 발휘할 수 있다. 특히 헬름홀츠 공명기(120)의 두께(H)를 작게 함으로써, 얇은 두께의 패널(panel) 형태의 흠음 장치(100)를 구현할 수 있으며, 이를 벽에 부착함으로써 메타 표면(Meta-surface)으로 기능할 수 있다.
도 3을 참조하면, 흡음 셀(C)을 구성하는 헬름홀츠 공명기(120)는 홀(125)이 관통된 소정 두께의 목부(122)와, 목부(122)의 후방에 연속적으로 연결되어 홀(125)을 통해 음원이 존재하는 외부와 연통되는 내부 공간이 마련된 챔버부(124)를 포함한다. 이에 따라, 외부에서 입사되는 음파는 홀(125)을 통해 내부 공간으로 들어올 수 있다.
전술하였듯이, 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 헬름홀츠 공명기(120) 중 적어도 하나는 내부 공간에 격벽을 구비할 수 있다. 도 3을 참조하면, 제 1 실시예에 따른 흡음 장치는 흡음 셀(C)을 구성하는 네 개의 헬름홀츠 공명기(120) 각각의 내부 공간에 격벽(127)이 마련될 수 있다.
격벽(127)은 헬름홀츠 공명기(120)의 내부 공간을 구획하여, 내부 공간에서 진행하는 음파의 경로를 연장시키는 효과를 발휘할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 격벽(127)에 의하여 음파의 진행 방향이 적어도 한 번 변경되도록 가이드 될 수 있다.
도 3을 참조하면, 격벽(127)은 헬름홀츠 공명기(120)의 내부 공간을 동일 부피로 구획하되, xy 평면을 기준으로 내부 공간을 동일 면적으로 구획할 수 있으며, 음파가 통과할 수 있는 개방부(129)가 형성될 수 있다.
예를 들어, 헬름홀츠 공명기(120)가 정사각기둥 형태인 경우, 내부 공간도 정사각기둥 형태일 수 있는데, 이 때, 격벽(127)은 두 평면이 교차한 십자 모양으로 형성되어 내부 공간을 동일한 부피의 네 개의 정사각기둥 형태의 공간으로 분할할 수 있다. 이 때, 격벽(127)의 단부 측에는 개방부(129)가 형성될 수 있으며, 이에 따라 격벽(127)과 개방부(129)에 의해 음파의 진행 경로가 수 회 절곡되어 변경되도록 가이드 될 수 있다. 결과적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 음파가 격벽(127)에 의해 분할된 네 개의 공간을 개방부(129)를 통해 순차적으로 통과하게 됨으로써, 격벽(127)이 없는 경우에 비하여 음파의 경로가 연장될 수 있다.
즉, 격벽(127)이 구비된 헬름홀츠 공명기(120)에서, 챔버부(124)의 내면과 격벽(127)에 의해 내부 공간을 진행하는 음파의 경로가 규정되는데, 격벽(127)의 구조와 개방부(129)의 위치를 적절하게 설계함으로써, 음파의 경로를 연장시킬 수 있다.
이 때, 격벽(127)에 의해 열점성 효과가 커지게 되어 낮은 흡음 주파수를 높은 흠음율로 흡음할 수 있다. 일반적으로 헬름홀츠 공명기의 경우, 아래의 식에 의하여 공명 주파수가 결정됨은 널리 알려져 있다.(f는 공명 주파수, v는 음파의 속도, A는 홀의 면적, V는 내부 공간의 부피, l은 홀의 길이)
Figure 112018090927437-pat00001
이 때, 격벽(127)에 의하여 헬름홀츠 공명기(120)의 내부 공간이 구획될 경우, 내부 공간에서 공기의 운동에 대한 열점성 boundary layer의 두께가 내부 공간의 크기에 비해 무시할 수 없는 크기를 가지기 때문에 헬름홀츠 공명기(120) 내부 공간에서의 음향 전파에 미치는 열점성 소산 효과가 지배적이게 된다. 이에 따라 내부 공간을 진행하는 유효한 음속(상기 식에서 v)이 작아지게 되어 공명 주파수가 작아지게 된다. 이에 따라 동일 부피를 가지면서 구획되지 않은 헬름홀츠 공명기 보다 낮은 흡음 주파수를 가지면서 높은 흡음 효과를 얻을 수 있다. 즉, 격벽(127)에 의하여 유효한 음속을 작아지게 하면서, 음파의 진행 경로를 길게 함으로써, 낮은 흡음 주파수를 가지면서 높은 흡음 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 흡음 셀(C)을 구성하는 네 개의 헬름홀츠 공명기(120)는 모두 동일한 구조의 격벽이 마련되어, 음파의 경로의 길이가 모두 같을 수 있다. 도 3에서는 제 1 헬름홀츠 공명기(120-1)를 도시한 것이나, 제 2 내지 4 헬름홀츠 공명기(120-2 ~ 120-4)도 동일한 구조의 격벽을 가질 수 있다. 즉, 제 1 실시예에 따르면, 격벽(127)을 통해 음파의 경로를 연장시킬 수 있게 되어, 격벽(127)이 없는 헬름홀츠 공명기로 구성된 흡음 셀(C)과 비교할 때, 동일한 흡음 효과를 발휘하면서도 흡음 셀(C)의 두께를 더 얇게 구현할 수 있다.
예를 들어, 제 2 헬름홀츠 공명기(120-2)의 격벽(127-2)은 제 1 헬름홀츠 공명기(120-1)의 격벽(127-1)과 xz 평면에 대칭되는 구조이며, 또한, 제 1, 2 헬름홀츠 공명기(120-1, 120-2)의 격벽(127-1, 127-2)은 제 3, 4 헬름홀츠 공명기(120-3, 120-4)의 격벽과 yz 평면에 대칭되는 구조일 수 있다. 또한, 홀(125)의 위치도 동일한 대칭 구조로 배치될 수 있다.
일반적으로 목표하는 흡음 주파수가 작을수록, 다시 말해 음파의 파장이 길어질수록 높은 흡음률을 갖기 위해서는 헬름홀츠 공명기(120)의 두께가 두꺼워져야 하는데, 본 발명의 실시예와 같이 격벽(127)을 구비함으로써 얇은 두께를 가지면서도 광대역 주파수에서 높은 흡음 효과를 발휘할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 평면 상에 배열된 복수의 헬름홀츠 공명기 각각은, 인접한 헬름홀츠 공명기와 서로 다른 공명 주파수를 가지도록 배열될 수 있다. 즉, 인접한 헬름홀츠 공명기에서 반사되는 음파의 위상이 목표하는 흡음 주파수에서 서로 달라 상쇄 간섭을 일으키는 원리를 이용하여 흡음 효과를 발휘할 수 있다. 예를 들어, 서로 인접한 헬름홀츠 공명기에서 반사되는 음파의 위상이 반대가 되면 이론적으로 100%의 흡음률을 가질 수 있다.
관련하여, 헬름홀츠 공명기는 목(홀)의 크기(직경), 목의 길이, 및 내부 공간의 부피에 따라 공명 주파수가 달라지므로, 흡음 셀(C)을 구성하는 복수의 헬름홀츠 공명기 각각은, 인접한 헬름홀츠 공명기와 홀(125)의 크기, 목부(122)의 두께, 및 내부 공간의 부피 중 적어도 하나가 서로 다르게 배열될 수 있다. 즉, 인접한 헬름홀츠 공명기 간에 홀(125)의 크기, 목부(122)의 두께, 및 내부 공간의 부피 중 적어도 하나를 서로 다르게 배열함으로써, 반사되는 음파의 위상이 반대가 되도록 조절할 수 있다.
예를 들어, 도 4를 참조하면, 흡음 셀(C)을 구성하는 네 개의 헬름홀츠 공명기(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)는 각각 홀(125-1, 125-2, 125-3, 125-4)의 크기가 서로 다를 수 있고, 내부 공간의 부피와 목부의 두께는 서로 동일할 수 있다. 즉, 흡음 셀(C)을 구성하는 네 개의 헬름홀츠 공명기(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)의 홀의 크기를 조절함으로써, 복수의 특정 주파수를 높은 흡음률로 흡음할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 설계하는 경우에 이중 주파수의 흡음을 목적으로 한다면, 도 4에서 서로 인접한 제 1, 2 헬름홀츠 공명기(120-1, 120-2)의 홀(125-1, 125-2)의 크기, 즉 r1, r2의 값을 조절하여 하나의 목적 주파수를 가지는 음파를 완벽히 흡음할 수 있도록 설계하고, 서로 인접한 제 3, 4 헬름홀츠 공명기(120-3, 120-4)의 홀(125-3, 125-4)의 크기, 즉 r3, r4를 조절하여 다른 하나의 목적 주파수를 가지는 음파를 완벽히 흡음할 수 있도록 설계할 수 있다. 이를 위해, 두 개의 목적 주파수에 대하여 계산한 흡음 장치(100)에서의 임피던스와 외부 공기의 임피던스 간의 차이가 최소가 되도록 최적화 알고리즘을 통하여 r1, r2, r3, r4 값을 조절할 수 있다. 이 때, 최적화 알고리즘에 순차 2차 계획법 (SQP) 방식이 사용될 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 널리 알려진 다양한 방식이 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 흡음 장치의 흡음 성능을 나타낸 그래프이다. 도 5는 앞서 설명한 방식을 이용하여 흡음 장치(100)를 설계한 후, 이에 대한 흡음 성능을 나타낸 것이다. 보다 상세히, 도 2 내지 도 4에서, a=16 mm, b=44 mm, l=5 mm, D=71 mm, H=50 mm 로 고정하고, 목적 주파수를 300 Hz, 400 Hz 로 하여, 최적화 알고리즘을 통해 r1=2.20 mm, r2=2.27 mm, r3=3.81 mm, r4=4.20 mm 를 도출하여 제 1 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 설계하였고, 이에 대한 흡음 성능을 이론값, 수치해석 결과, 및 실험값으로 각각 나타내었다. 여기서 실험값은 3D 프린팅으로 제작한 시편을 임피던스 튜브 실험을 통해 측정한 결과를 나타내었다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 복수의 주파수에서 높은 흡음 효과를 발휘함을 확인할 수 있는데, 300 Hz, 400 Hz 두 가지 주파수에서 흡음 계수(aMS)가 0.95 이상이므로, 95% 이상의 흡음률을 발휘할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 80% 이상의 흡음률을 가지는 최저주파수인 281 Hz 기준으로, 입사 파장 대비 흡음 장치의 두께는 1/24.4 배이다.
이하, 전술한 제 1 실시예에 비해 광대역 주파수의 흡음이 가능한 제 2 실시예에 따른 흡음 장치를 설명한다. 전술한 제 1 실시예와 공통되는 특징에 대해서는 설명을 생략하고 차이점을 위주로 설명한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 정면도이다. 또한, 도 8 내지 도 10은 도 7의 흡음 셀을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 투시하여 도시한 사시도이다. 설명의 편의를 위해, 도 6 내지 도 10에서 흡음 셀(C')을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 앞선 제 1 실시예와 구분하기 위해 도면부호 220으로 도시하되, 여덟 개의 헬름홀츠 공명기를 이하 설명에서 각각 제 1 내지 8 헬름홀츠 공명기라 지칭하고, 220-1~220-8로 도면부호를 구분하였다. 홀(225), 격벽(227), 및 개방부(229)도 동일한 방식으로 이하 설명에서 제 1 내지 8로 지칭하고, 도면부호를 구분하였다. 또한, 이해의 편의를 위해, 도 8 내지 도 10에서 헬름홀츠 공명기의 내부 공간을 진행하는 음파의 경로를 굵은 실선 화살표로 도시하였고, 격벽은 어둡게 도시하였다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡음 장치는 여덟 개의 헬름홀츠 공명기(220)로 구성되는 흡음 셀(C')을 포함하고, 흡음 셀(C')이 복수 개가 격자 형태, 예를 들어, 도 1을 참조하면, x축 및 y축 방향으로 인접하게 배열되는 구조로 구성될 수 있다. 즉, 제 2 실시예에 따른 흡음 장치는 여덟 개의 헬름홀츠 공명기(220)로 구성되는 흠음 셀(C')을 기본 단위로 하여, 흡음 셀(C')이 평면상에 연속적으로 배열되는 형태이다. 예를 들어, 정사각기둥 형태의 흡음 셀(C')이 다양한 형태의 밑면을 가지면서 동일한 높이를 갖는 다각기둥 형태의 여덟 개의 헬름홀츠 공명기(220)로 구성될 수 있다.
도 6 내지 도 10을 참조하면, 흡음 셀(C')은 네 쌍의 헬름홀츠 공명기(220)를 포함할 수 있으며, 그들 간에 공간이 존재하지 않도록 인접하게 배열되어 정사각기둥의 흡음 셀(C')을 형성할 수 있다. 이 때, 전술한 제 1 실시예에서와 동일한 원리에 의해, 흡음 셀(C')을 구성하는 네 쌍의 헬름홀츠 공명기(220)는 홀(225)의 크기가 모두 서로 다르게 형성될 수 있다. 보다 정확히는 쌍을 이루는 헬름홀츠 공명기(220) 간에는 홀(225)의 크기가 서로 다르게 형성될 수 있으며, 반사되는 음파의 위상이 반대가 되도록 홀(225)의 크기를 조정할 수 있다. 이에 따라 복수의 주파수에 대하여 높은 흡음 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 흡음 셀(C')을 구성하는 네 쌍의 헬름홀츠 공명기(220) 중 쌍을 이루는 헬름홀츠 공명기(220) 간에는 내부 공간에서의 음파의 경로의 길이가 동일하게 형성될 수 있다. 또는, 쌍을 이루는 헬름홀츠 공명기(220) 간에는 내부 공간에 구비된 격벽(229)의 구조가 동일할 수 있다. 예를 들어, 쌍을 이루는 헬름홀츠 공명기 간에 xz 평면에 대칭인 홀의 위치 및 격벽의 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 쌍을 이루는 제 1, 2 헬름홀츠 공명기(220-1, 220-2)와 다른 쌍을 이루는 제 3, 4 헬름홀츠 공명기(220-3, 220-4)는 음파의 경로의 길이가 서로 다를 수 있으며, 이를 통해, 광대역 주파수에 대한 흡음을 구현할 수 있다. 앞서 언급하였듯이, 목표하는 흡음 주파수가 작을수록(또는 음파의 파장이 길수록) 높은 흡음률을 갖기 위해서는 헬름홀츠 공명기(220)의 두께가 두꺼워져야 하는데, 격벽 구조를 통해 음파의 경로의 길이를 길게 하여 헬름홀츠 공명기(220)의 두께가 두꺼워지는 것과 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제 1, 2 헬름홀츠 공명기(220-1, 220-2)는 밑면이'L'자 형태의 육각기둥 형태이고, 격벽에 의해 음파의 경로가 연장될 수 있다. 또한, 제 3, 4 헬름홀츠 공명기(220-3, 220-4)는 제 1, 2 헬름홀츠 공명기(220-1, 220-2)의 오목한 측면에 대응되게 접할 수 있는 사각기둥 형태이고, 내부 공간에 격벽이 없을 수 있다. 도 8을 참조하면, 제 1 헬름홀츠 공명기(220-1)는 내부 공간에 격벽(227-1)이 구비되며, 격벽(227-1)은 제 1 헬름홀츠 공명기(220-1)의 내부 공간을 구획하도록 서로 수직한 두 평면이 결합한 형태일 수 있으며, 서로 반대 방향의 단부에 개방부(229-1)가 형성될 수 있다.
이러한 구조의 제 2 실시예에서, 도 8에 도시된 제 1 헬름홀츠 공명기(220-1)의 경우에 두께 방향(z축 방향)으로의 음파의 길이가 도 9에 도시된 격벽이 없는 제 3 헬름홀츠 공명기(220-3)와 비교할 때 3 배 이상 연장될 수 있게 된다. 이에 따라, 상대적으로 제 1, 2 헬름홀츠 공명기(220-1, 220-2)는 낮은 주파수에서 높은 흡음 효과를 발휘할 수 있고, 제 3, 4 헬름홀츠 공명기(220-3, 220-4)는 높은 주파수에서 높은 흡음 효과를 발휘할 수 있다.
이에 따라, 제 2 실시예에 따르면, 하나의 흡음 셀(C') 내에 음파의 경로의 길이가 서로 다른 헬름홀츠 공명기를 포함함으로써, 목표로 하는 흡음 주파수 간의 차이가 큰 경우에도 높은 흡음 효과를 발휘할 수 있다. 다시 말해 광대역 주파수에서 높은 흡음 효과를 발휘할 수 있다.
도 6, 도 7, 및 도 10을 참조하면, 제 5 내지 8 헬름홀츠 공명기(220-5 ~ 220-8)는 동일한 크기의 직사각기둥 형태일 수 있으며, 동일한 음파의 경로를 가질 수 있다. 또는, 동일한 구조의 격벽이 내부 공간에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 10을 참조하면, 제 5 헬름홀츠 공명기(220-5)의 내부 공간에는 격벽(227-5)이 구비되며, 격벽(227-5)의 단부 중 홀(225-5)에서 먼 방향의 단부에 개방부(229-5)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 홀(225-5)을 통과한 음파는 z축 방향으로 진행하다가 개방부(229-5)를 통해 진행 방향이 변경되어 -z축 방향으로 진행하게 되므로, 음파의 경로의 길이가 연장될 수 있다.
이 때, 제 5 내지 8 헬름홀츠 공명기(220-5 ~ 220-8)는 제 1, 2 헬름홀츠 공명기(220-1, 220-2)에 비해서는 짧은 음파의 경로를 가지지만, 제 3, 4 헬름홀츠 공명기(220-3, 220-4)에 비해서는 긴 음파의 경로를 가질 수 있다. 즉, 흡음 셀(C')을 구성하는 복수의 헬름홀츠 공명기(220)는 적어도 세 개의 서로 다른 음파의 경로를 가질 수 있으며, 적어도 네 개의 흡음 주파수를 가질 수 있다(이하 설명할 도 11 참조). 이에 따라, 제 2 실시예에 따르면, 광대역의 주파수에 대하여 높은 흡음률이 가능하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 설계하는 경우에 다중 주파수 또는 광대역 주파수의 흡음을 목적으로 한다면, 도 6 및 도 7에서 서로 인접한 제 1, 2 헬름홀츠 공명기(220-1, 220-2)의 홀(225-1, 225-2)의 크기, 즉 r1, r2의 값을 조절하여 제 1 목적 주파수를 가지는 음파를 완벽히 흡음할 수 있도록 설계하고, 서로 인접한 제 3, 4 헬름홀츠 공명기(220-3, 220-4)의 홀(225-3, 225-4)의 크기, 즉 r3, r4를 조절하여 제 2 목적 주파수를 가지는 음파를 완벽히 흡음할 수 있도록 설계할 수 있다. 또한, 서로 인접한 제 5, 6 헬름홀츠 공명기(220-5, 220-6)의 홀(225-5, 225-6)의 크기, 즉 r5, r6의 값을 조절하여 제 3 목적 주파수를 가지는 음파를 완벽히 흡음할 수 있도록 설계하고, 서로 인접한 제 7, 8 헬름홀츠 공명기(220-7, 220-8)의 홀(225-7, 225-8)의 크기, 즉 r7, r8를 조절하여 제 4 목적 주파수를 가지는 음파를 완벽히 흡음할 수 있도록 설계할 수 있다. 제 1 실시예에서 설명하였던 방식과 동일하게, 흡음 장치(100)에서의 임피던스와 외부 공기의 임피던스 간의 차이가 최소가 되도록 최적화 알고리즘을 통하여 r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7, r8 값을 조절할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡음 장치의 흡음 성능을 나타낸 그래프이다.
도 11은 앞서 설명한 방식을 이용하여 제 2 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 설계한 후, 이에 대한 흡음 성능을 나타낸 것이다. 보다 상세히, 도 6 내지 도 10에서, a=16 mm, b=44 mm, l=5 mm, D=71 mm, H=50 mm 로 고정하고, 목적 주파수를 300 Hz, 400 Hz, 500 Hz, 600 Hz 로 하여, 최적화 알고리즘을 통해 r1=1.77 mm, r2=1.78 mm, r3=2.010 mm, r4=2.014 mm, r5=2.56 mm, r6=2.66 mm, r7=1.91 mm, r8=1.92 mm 를 도출하여 제 2 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 설계하였고, 이에 대한 흡음 성능을 이론값, 및 수치해석 결과값으로 각각 나타내었다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 네 개의 주파수에서 높은 흡음 효과를 발휘함을 확인할 수 있는데, 300 Hz, 400 Hz, 500 Hz, 600 Hz 네 가지 주파수에서 흡음 계수(aMS)가 0.95 이상이므로, 95% 이상의 흡음률을 발휘할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 광대역 주파수에 효과적임을 확인할 수 있는데, 50% 이상의 흡음률을 발휘할 수 있는 주파수 대역폭은 300 Hz 목표 주파수 기준으로 36 Hz, 300 Hz 목표 주파수 기준으로 44 Hz, 500 Hz 목표 주파수 기준으로 55 Hz, 600 Hz 목표 주파수 기준으로 52 Hz 이다. 또한, 80% 이상의 흡음률을 가지는 최저주파수인 293 Hz 기준으로, 입사 파장 대비 흡음 장치의 두께는 1/23.4 배이다. 따라서, 제 1 실시예와 유사한 수준의 얇은 두께의 흡음 장치를 구현하면서도, 제 1 실시예에 비해 더 많은 주파수 및 광대역의 주파수에 대하여 높은 흡음률을 발휘하는 흡음 장치(100)를 구현할 수 있다.
이하, 전술한 제 2 실시예에 비해 보다 확실하게 광대역의 주파수에 대하여 높은 흡음률을 발휘하는 제 3 실시예에 따른 흡음 장치를 설명한다.
도 12는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 사시도이고, 도 13 내지 도 16은 도 12의 흡음 셀을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 투시하여 도시한 사시도이다. 설명의 편의를 위해, 도 12 내지 도 16에서 흡음 셀(C'')을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 앞선 제 1, 2 실시예와 구분하기 위해 도면부호 320으로 도시하되, 여덟 개의 헬름홀츠 공명기를 이하 설명에서 각각 제 1 내지 8 헬름홀츠 공명기라 지칭하고, 320-1~320-8로 도면부호를 구분하였다. 홀(325), 격벽(327), 및 개방부(329)도 동일한 방식으로 이하 설명에서 제 1 내지 8로 지칭하고, 도면부호를 구분하였다. 또한, 이해의 편의를 위해, 도 13 내지 도 16에서 헬름홀츠 공명기의 내부 공간을 진행하는 음파의 경로를 굵은 실선 화살표로 도시하였고, 격벽은 어둡게 도시하였다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 흡음 장치는 여덟 개의 헬름홀츠 공명기(320)로 구성되는 흡음 셀(C'')을 포함하고, 흡음 셀(C'')이 복수 개가 격자 형태, 예를 들어, 도 1을 참조하면, x축 및 y축 방향으로 인접하게 배열되는 구조로 구성될 수 있다. 예를 들어, 정사각기둥 형태의 흡음 셀(C'')은 여덟 개의 헬름홀츠 공명기(320) 중 두 개씩의 헬름홀츠 공명기가 인접하게 배열되어 동일한 크기의 네 개의 정사각기둥 형태를 형성하고, 상기 네 개의 정사각기둥 형태가 인접하게 배열되어 흡음 셀(C'')을 형성할 수 있다.
도 12 내지 도 16을 참조하면, 흡음 셀(C'')은 네 쌍의 헬름홀츠 공명기(320)를 포함할 수 있으며, 그들 간에 공간이 존재하지 않도록 인접하게 배열되어 정사각기둥의 흡음 셀(C'')을 형성할 수 있다. 이 때, 흡음 셀(C'')을 구성하는 네 쌍의 헬름홀츠 공명기(220)는 내부 공간의 부피가 서로 다르게 형성될 수 있다. 보다 정확히는 쌍을 이루는 헬름홀츠 공명기(320) 간에는 내부 공간의 크기가 동일하나, 서로 다른 쌍의 헬름홀츠 공명기(320) 간에는 내부 공간의 부피가 서로 다르게 형성될 수 있다. 이에 따라 복수의 주파수에 대하여 높은 흡음 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 3 실시예에 따르면, 흡음 셀(C'')을 구성하는 네 쌍의 헬름홀츠 공명기(320) 중 쌍을 이루는 헬름홀츠 공명기(320) 간에는 내부 공간에서의 음파의 경로의 길이가 동일하게 형성될 수 있다. 또는, 쌍을 이루는 헬름홀츠 공명기(320) 간에는 내부 공간에 구비된 격벽(327)의 구조가 동일할 수 있다. 예를 들어, 쌍을 이루는 헬름홀츠 공명기 간에 xz 평면에 대칭인 홀의 위치 및 격벽의 구조를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 제 3 실시예에 따르면, 전술한 제 1, 2 실시예와는 달리, 내부 공간이 형성되지 않은 헬름홀츠 공명기(320)의 목부가 헬름홀츠 공명기(320)의 전방의 일부에만, 보다 구체적으로는 홀(325)이 있는 부분에만 형성되고, 나머지 부분에는 목부가 연장되어 형성되지 않고 내부 공간이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 13에서 홀(325-1)과 바로 연결되는 내부 공간의 z축 방향의 길이는 b이지만, 홀(325-1)의 (y축 방향) 상부 위치의 내부 공간의 z축 방향의 길이는 b+l이 된다. 이를 통해, 목부의 부피를 최소화하여 내부 공간을 더 크게 할 수 있고, 음파의 경로를 더 길게 할 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따르면, 쌍을 이루는 제 1, 2 헬름홀츠 공명기(320-1, 320-2), 제 3, 4 헬름홀츠 공명기(320-3, 320-4), 제 5, 6 헬름홀츠 공명기(320-5, 320-6), 및 제 7, 8 헬름홀츠 공명기(320-7, 320-8)는 음파의 경로의 길이가 서로 다를 수 있으며, 이를 통해, 광대역 주파수에 대한 흡음을 구현할 수 있다. 즉, 음파의 경로가 다른 복수의 헬름홀츠 공명기를 적절히 배치함으로써, 다중 주파수 및 광대역 주파수에 대하여 높은 흡음률을 발휘할 수 있다.
도 12, 도 13 및 도 14를 참조하면, 제 1 헬름홀츠 공명기(320-1)는 정사각기둥에서 일부가 분할된 불규칙적인 형태이고, 격벽에 의해 음파의 경로가 연장될 수 있다. 또한, 제 3 헬름홀츠 공명기(320-3)는 제 1 헬름홀츠 공명기(320-1)의 오목한 측면에 대응되게 접할 수 있는 형태이고, 제 1 헬름홀츠 공명기(320-1)와 제 3 헬름홀츠 공명기(320-3)가 서로 인접하게 배열되어 하나의 정사각기둥을 형성할 수 있다.
또한, 도 12, 도 15 및 도 16을 참조하면, 제 5 헬름홀츠 공명기(320-5)는 정사각기둥에서 일부가 분할된 불규칙적인 형태로서 제 1 헬름홀츠 공명기(320-1)와는 다른 형태이고, 격벽 구조도 제 1 헬름홀츠 공명기(320-1)와는 다르기 형성될 수 있다. 또한, 제 7 헬름홀츠 공명기(320-7)는 제 5 헬름홀츠 공명기(320-5)의 오목한 측면에 대응되게 접할 수 있는 형태이고, 제 5 헬름홀츠 공명기(320-5)와 제 7 헬름홀츠 공명기(320-7)가 서로 인접하게 배열되어 하나의 정사각기둥을 형성할 수 있다.
즉, 제 3 실시예에 따르면, 흡음 셀(C'')을 구성하는 여덟 개의 헬름홀츠 공명기 중 두 개씩의 헬름홀츠 공명기가 인접하게 배열되어 동일한 크기의 네 개의 정사각기둥 형태를 형성하고, 상기 네 개의 정사각기둥 형태가 인접하게 배열되어 상기 흡음 셀을 형성할 수 있다.
보다 상세히, 전술한 제 2 실시예의 경우, 흡음 셀(C')을 구성하는 헬름홀츠 공명기(220)가 두께(z축 방향의 길이)가 모두 동일하고, 서로 인접한 두 개의 헬름홀츠 공명기는 정사각기둥을 x축 및 y축 방향으로만 절개한 형태이지만, 제 3 실시예의 경우, 흡음 셀(C'')을 구성하는 헬름홀츠 공명기(320) 중 서로 인접한 두 개의 헬름홀츠 공명기는 정사각기둥을 x축 및 y축 방향뿐 만 아니라, z축 방향으로도 절개한 형태이다. 이러한 구조의 제 3 실시예에서, 전술한 제 2 실시예와 비교할 때 흡음 셀을 구성하는 헬름홀츠 공명기의 형태를 보다 다양하게 할 수 있어서 설계 자유도가 높으며, 이에 따라 음파의 경로의 길이를 보다 세밀하게 조정할 수 있다.
이에 따라, 제 3 실시예에 따르면, 하나의 흡음 셀(C'') 내에 음파의 경로의 길이가 서로 다른 헬름홀츠 공명기를 다양하게 포함함으로써, 목표로 하는 흡음 주파수 간의 차이가 줄일 수 있으며, 이를 통해 광대역 주파수에서 높은 흡음 효과를 뚜렷하게 발휘할 수 있다. 즉, 흡음 셀(C'')을 구성하는 복수의 헬름홀츠 공명기(320)는 네 개의 서로 다른 음파의 경로를 가질 수 있으며, 네 개의 흡음 주파수를 가질 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 설계하는 경우에 앞선 제 1, 2 실시예에서 설명하였던 방식과 동일하게, 흡음 장치(100)에서의 임피던스와 외부 공기의 임피던스 간의 차이가 최소가 되도록 최적화 알고리즘을 통하여 r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7, r8 값을 조절할 수 있다.
도 17은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 흡음 장치의 흡음 성능을 나타낸 그래프이다.
도 17은 도 12 내지 도 16에 도시된 제 3 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 설계한 후, 이에 대한 흡음 성능을 나타낸 것이다. 보다 상세히, 도 12 내지 도 16에서, a=16 mm, b=46 mm, l=5 mm, D=71 mm, H=52 mm 로 고정하고, 목적 주파수를 370 Hz, 420 Hz, 475 Hz, 530 Hz 로 하여, 최적화 알고리즘을 통해 r1=2.23 mm, r2=2.23 mm, r3=2.45 mm, r4=2.58 mm, r5=2.22 mm, r6=2.27 mm, r7=2.36 mm, r8=2.37 mm 를 도출하여 제 3 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 설계하였다. 이에 대한 흡음 성능을 이론값, 수치해석 결과값, 및 실험값으로 각각 나타내었다. 여기서 실험값은 3D 프린팅으로 제작한 시편을 임피던스 튜브 실험을 통해 측정한 결과를 나타내었다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 네 개의 주파수에서 높은 흡음 효과를 발휘함을 확인할 수 있는데, 375 Hz, 425 Hz, 472 Hz, 536 Hz 네 가지 주파수에서 흡음 계수(aMS)가 0.95 이상이므로, 95% 이상의 흡음률을 발휘할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 광대역 주파수에 매우 효과적임을 확인할 수 있는데, 50% 이상의 흡음률을 발휘할 수 있는 주파수 대역폭은 344 Hz 에서 533 Hz 까지이므로, 총 209 Hz 이다. 또한, 80% 이상의 흡음률을 가지는 최저주파수인 357 Hz 기준으로, 입사 파장 대비 흡음 장치의 두께는 1/18.5 배이다. 따라서, 제 2 실시예에 비해 두께가 조금 두꺼워지지만, 훨씬 넓은 광대역의 주파수에 대하여 높은 흡음률을 발휘하는 흡음 장치(100)를 구현할 수 있다.
이하, 전술한 제 1, 2, 3 실시예에 비해 얇은 두께로 구현이 가능한 제 4 실시예에 따른 흡음 장치를 설명한다. 전술한 제 1, 2, 3 실시예와 공통되는 특징에 대해서는 설명을 생략하고 차이점을 위주로 설명한다.
도 18은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 셀의 사시도이고, 도 19는 도 18의 흡음 셀을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 투시하여 도시한 사시도이며, 도 20은 도 19의 헬름홀츠 공명기를 투시하여 도시한 정면도이다. 설명의 편의를 위해, 도 18 내지 도 20에서 흡음 셀(C''')을 구성하는 헬름홀츠 공명기를 앞선 제 1, 2, 3 실시예와 구분하기 위해 도면부호 420으로 도시하되, 네 개의 헬름홀츠 공명기를 이하 설명에서 필요에 따라 각각 제 1 내지 4 헬름홀츠 공명기라 지칭할 수 있으며, 420-1~420-4로 도면부호를 구분하였다. 홀(425), 격벽(427), 및 개방부(429)도 동일한 방식으로 도면부호를 구분하였다. 또한, 이해의 편의를 위해, 도 19 및 도 20에서 헬름홀츠 공명기의 내부 공간을 진행하는 음파의 경로를 굵은 실선 화살표로 도시하였고, 격벽은 어둡게 도시하였다.
도 18 내지 도 20을 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 흡음 장치는 네 개의 헬름홀츠 공명기(420)로 구성되는 흡음 셀(C''')을 포함하고, 흡음 셀(C''')이 복수 개가 격자 형태, 예를 들어, 도 1을 참조하면, x축 및 y축 방향으로 인접하게 배열되는 구조로 구성될 수 있다. 즉, 제 4 실시예에 따른 흡음 장치는 전술한 제 1 실시예와 유사하게 네 개의 헬름홀츠 공명기(420)로 구성되는 흠음 셀(C''')을 기본 단위로 하여, 흡음 셀(C''')이 평면상에 연속적으로 배열되는 형태이다. 예를 들어, 정사각기둥 형태의 흡음 셀(C''')이 밑면의 사이즈에 비해 높이가 작은 동일한 크기의 정사각기둥 형태의 네 개의 헬름홀츠 공명기(420)로 구성될 수 있다.
도 18 내지 도 20을 참조하면, 흡음 셀(C''')은 네 개의 헬름홀츠 공명기(420)를 포함할 수 있으며, 그들 간에 공간이 존재하지 않도록 인접하게 배열되어 정사각기둥의 흡음 셀(C''')을 형성할 수 있다. 이 때, 전술한 제 1 실시예에서와 동일한 원리에 의해, 흡음 셀(C''')을 구성하는 네 개의 헬름홀츠 공명기(420)는 홀(425)의 크기가 모두 서로 다르게 형성될 수 있다. 보다 정확하게는, 인접하는 두 개의 헬름홀츠 공명기(420) 또는 쌍을 이루는 두 개의 헬름홀츠 공명기 간에 반사되는 음파의 위상이 반대가 되도록 홀(425)의 크기가 조정될 수 있다. 이에 따라 복수의 주파수에 대하여 높은 흡음 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 4 실시예에 따르면, 흡음 셀(C''')을 구성하는 네 개의 헬름홀츠 공명기(420)는 내부 공간에서의 음파의 경로의 길이가 동일하게 형성될 수 있다. 또는, 흡음 셀(C''')을 구성하는 네 개의 헬름홀츠 공명기(420) 간에는 내부 공간에 구비된 격벽(429)의 구조가 동일할 수 있다.
예를 들어, 네 개의 헬름홀츠 공명기(420) 각각은 내부 공간에서 진행되는 음파의 경로가 빙빙 도는 형태가 되도록 격벽(429)이 형성될 수 있다. 이를 통해, 매우 얇은 두께의 흡음 장치를 구현할 수 있다. 앞서 언급하였듯이, 격벽 구조를 통해 열점성 효과를 크게 하면서 음파의 경로의 길이를 연장할 수 있는데, 도 19 및 도 20을 기준으로, 헬름홀츠 공명기(420)의 xy 평면 상의 면적을 크게 하는 반면 z축 방향의 두께를 얇게 하고, xy 평면 상에서 음파의 경로가 빙빙 도는 형태로 격벽(429)을 구성할 수 있다. 이를 통해 음파의 경로의 연장 효과를 극대화 하면서, 흡음 장치의 두께를 최소화 할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 19 및 도 20을 참조하면, 제 1 헬름홀츠 공명기(420-1)는 밑면의 사이즈에 비해 높이가 작은 정사각기둥 형태이고, 격벽(427-1)에 의해 음파의 경로가 연장될 수 있다. 예를 들어, 도 20의 xy 평면을 기준으로, 격벽(427-1)은 제 1 헬름홀츠 공명기(420-1)의 내부 공간을 동일 면적으로 구획하도록, 또는 내부 공간을 격자 형태로 구획하도록 형성될 수 있다. 이 때, 홀(425-1)로 입사된 음파가 xy 평면을 기준으로 홀(425-1)을 중심으로 홀(425-1)에서 멀어지는 방향으로 빙빙 도는 형태의 경로로 진행되도록, 격벽(427-1)에 복수의 개방부(429-1)가 형성될 수 있다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 격벽(427-1)은 두께 방향(z축 방향)으로 연장되는 평판 형태이며, 도 20에 도시된 바와 같이, xy 평면을 기준으로 x축 및 y축 방향으로 번갈아가며 복수 회 절곡되는 형태일 수 있다. 즉, 음파가 빙빙 도는 경로를 유도하도록 격벽(427-1)에 개방부(429-1)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 홀(425-1)로 입사된 음파는 두께 방향인 z축 방향으로 진행되지 않고 x축 및 y축 방향으로 번갈아가며 복수 회 절곡되는 경로로 진행될 수 있다.
예를 들어, 도 20을 참조하면, 격벽(427-1)은 x축 및 y축 방향으로 연장되어 xy 평면을 기준으로 내부 공간을 격자 형태로 구획하는 형태인데, 이 때, 개방부(429-1)는 x축 및 y축 방향으로 연장되는 격벽(427-1)이 연속적으로 연결되지 않도록 중간 중간 비워져 있는 형태로 형성될 수 있다.
도 19 및 도 20을 참조하면, xy 평면을 기준으로 음파의 경로가 반시계 방향 또는 시계 방향으로 빙빙 도는 형태일 수 있다. 이를 통해 제 1 헬름홀츠 공명기(420-1)의 내부 공간을 진행하는 음파의 경로를 극대화시킬 수 있기 때문에, 제 1 헬름홀츠 공명기(420-1)의 두께를 매우 얇게 설계할 수 있다. 더 나아가, 제 4 실시예의 경우, 격벽(427-1)이 내부 공간을 더욱 세밀하게 구획하는 형태가 될수록, 열점성 효과가 커지고 음파의 경로를 더 연장시킬 수 있으며, 결국 동일한 목적 주파수를 높은 흡음율로 흡음하고자 할 때 흡음 장치(100)의 두께를 더 얇게 구현할 수 있다.
도 19 및 도 20에서는 제 4 실시예에 따른 흡음 셀(C''')을 구성하는 네 개의 헬름홀츠 공명기(420) 중 제 1 헬름홀츠 공명기(420-1) 만을 도시하였으나, 제 2 내지 4 헬름홀츠 공명기(420-2 ~ 420-4)의 경우도 제 1 헬름홀츠 공명기(420-1)와 동일한 구조의 격벽이 구비될 수 있다. 예를 들어, 쌍을 이루는 헬름홀츠 공명기 간에 x축에 대칭인 홀의 위치 및 격벽의 구조를 가질 수 있다. 즉, 제 2 헬름홀츠 공명기(420-2)의 격벽(427-2)은 제 1 헬름홀츠 공명기(420-1)의 격벽(427-1)과 x축에 대칭되는 구조이며, 또한, 제 1, 2 헬름홀츠 공명기(420-1, 420-2)의 격벽(427-1, 427-2)은 제 3, 4 헬름홀츠 공명기(420-3, 420-4)의 격벽과 y축에 대칭되는 구조일 수 있다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 설계하는 경우에 이중 주파수의 흡음을 목적으로 한다면, 도 18에서 서로 인접한 제 1, 2 헬름홀츠 공명기(420-1, 420-2)의 홀(425-1, 425-2)의 크기, 즉 r1, r2의 값을 조절하여 하나의 목적 주파수를 가지는 음파를 완벽히 흡음할 수 있도록 설계하고, 서로 인접한 제 3, 4 헬름홀츠 공명기(420-3, 420-4)의 홀(425-3, 425-4)의 크기, 즉 r3, r4를 조절하여 다른 하나의 목적 주파수를 가지는 음파를 완벽히 흡음할 수 있도록 설계할 수 있다. 이를 위해, 두 개의 목적 주파수에 대하여 계산한 흡음 장치(100)에서의 임피던스와 외부 공기의 임피던스 간의 차이가 최소가 되도록 최적화 알고리즘을 통하여 r1, r2, r3, r4 값을 조절할 수 있음은, 전술한 제 1 실시예에서와 동일하다.
도 21은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 흡음 장치의 흡음 성능을 나타낸 그래프이다. 도 21은 앞서 설명한 방식을 이용하여 흡음 장치(100)를 설계한 후, 이에 대한 흡음 성능을 나타낸 것이다. 보다 상세히, 도 19에서, a=17.75 mm, b=17.75 mm, l=5 mm, D=149 mm, H=23.75 mm 로 고정하고, 목적 주파수를 200 Hz, 250 Hz 로 하여, 최적화 알고리즘을 통해 r1=2.21 mm, r2=2.24 mm, r3=3.68 mm, r4=3.77 mm 를 도출하여 제 4 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 설계하였고, 이에 대한 흡음 성능을 이론값, 및 수치해석 결과값으로 각각 나타내었다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 복수의 주파수에서 높은 흡음 효과를 발휘함을 확인할 수 있는데, 200 Hz, 250 Hz 두 가지 주파수에서 흡음 계수(aMS)가 0.95 이상이므로, 95% 이상의 흡음률을 발휘할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 흡음 장치(100)의 두께를 대폭 줄일 수 있게 되어, 80% 이상의 흡음률을 가지는 최저주파수인 196 Hz 기준으로, 입사 파장 대비 흡음 장치(100)의 두께는 1/73.7 배이다. 따라서, 제 1 실시예와 유사하게 이중 주파수에 대하여 높은 흡음률을 가지면서도, 제 1 실시예에 비해 매우 얇은 흡음 장치(100)를 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100 흡음 장치
120, 220, 320, 420 헬름홀츠 공명기
122 목부
124 챔버부
125, 225, 325, 425 홀
127, 227, 327, 427 격벽
129, 229, 329, 429 개방부
C, C', C'', C''' 흡음 셀
S 음파

Claims (18)

  1. 평면 상에 배열된 복수의 헬름홀츠 공명기를 포함하며,
    상기 복수의 헬름홀츠 공명기 각각은,
    두께 방향으로 홀이 관통된 소정 두께의 목부; 및 상기 목부에 연결되어 상기 홀을 통해 음파가 연통되는 내부 공간이 마련된 챔버부;를 포함하고, 인접한 헬름홀츠 공명기와 서로 다른 공명 주파수를 가지며,
    상기 복수의 헬름홀츠 공명기 중 적어도 하나의 상기 내부 공간에는 상기 음파의 진행 방향을 가이드하는 격벽이 구비되고,
    상기 격벽에는 상기 음파가 통과할 수 있는 개방부가 형성되고,
    상기 격벽이 구비된 헬름홀츠 공명기에서, 상기 챔버부의 내면과 상기 격벽에 의해 상기 내부 공간을 진행하는 상기 음파의 경로가 규정되는, 흡음 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 헬름홀츠 공명기 각각은, 상기 인접한 헬름흘츠 공명기와 상기 홀의 크기, 상기 목부의 두께, 및 상기 내부 공간의 부피 중 적어도 하나가 서로 다른, 흡음 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 헬름홀츠 공명기는 동일한 크기의 정사각기둥 형태이며,
    네 개의 헬름홀츠 공명기가 격자 형태로 배열되어 하나의 흠음 셀을 형성하며,
    복수 개의 상기 흡음 셀이 상기 평면 상에 격자 형태로 배열되는, 흠음 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 네 개의 헬름홀츠 공명기는 각각 상기 홀의 크기가 서로 다르게 형성되는, 흡음 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 네 개의 헬름홀츠 공명기는 상기 음파의 경로의 길이가 동일한, 흡음 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 네 개의 헬름홀츠 공명기가 상기 내부 공간의 부피와 상기 목부의 두께가 서로 동일한, 흡음 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 격벽에 의하여 상기 음파의 진행 방향이 적어도 한 번 변경되도록 가이드되는, 흡음 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 흡음 셀은 흡음 주파수가 두 개 이상인, 흡음 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 헬름홀츠 공명기는 여덟 개의 헬름홀츠 공명기이고, 일부는 다른 일부와 상기 음파의 경로의 길이가 서로 다르며,
    상기 여덟 개의 헬름홀츠 공명기가 서로 인접하여 정사각기둥 형태의 하나의 흡음 셀을 형성하고,
    복수의 상기 흡음 셀이 상기 평면 상에 격자 형태로 배열되는, 흠음 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 여덟 개의 헬름홀츠 공명기는
    동일한 높이의 다각기둥 형태이고, 상기 홀의 크기가 서로 다르게 형성되는, 흡음 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 여덟 개의 헬름홀츠 공명기 중 두 개씩의 헬름홀츠 공명기가 인접하게 배열되어 동일한 크기의 네 개의 정사각기둥 형태를 형성하고, 상기 네 개의 정사각기둥 형태가 인접하게 배열되어 상기 흡음 셀을 형성하는, 흡음 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 여덟 개의 헬름홀츠 공명기는 적어도 세 개의 서로 다른 상기 음파의 경로의 길이를 가지는, 흡음 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 흡음 셀은 흡음 주파수가 네 개 이상인, 흡음 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 두께 방향으로 연장되고, 상기 평면 상에서 상기 내부 공간을 동일 면적으로 구획하며,
    상기 음파의 경로는 상기 개방부를 통하여 연결되는, 흡음 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 평면은 입사하는 음파의 방향에 수직하고,
    상기 홀은 상기 음파를 향하도록 배열되는, 흠음 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 헬름홀츠 공명기 각각의 두께는 상기 음파의 파장보다 작은, 흡음 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 음파는 서로 인접한 헬름홀츠 공명기에서 반사되는 위상이 서로 달라 상쇄 간섭을 일으키는, 흡음 장치.
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