KR102463931B1 - 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러 - Google Patents

광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메타구조체의 공명실 내부로 입사되는 소음의 음파 에너지의 손실을 최대화하여 유동관 내에서 유동하는 소음의 투과손실을 높일 수 있고, 저주파 영역에서 고주파 영역까지 광대역 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있는 메타 머플러를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 유체가 유동하는 유동관; 상기 유동관의 외측에서 상기 유동관과 이격되게 배치되는 외통; 및 유체의 유동방향과 평행하게 개구된 개구부와, 상기 유동관과 상기 외통 사이에 배치되고 상기 개구부를 통해 상기 유동관과 연통되는 공명실과, 상기 개구부로부터 상기 유동방향을 따라 이격되게 배치되고 상기 외통으로부터 상기 유동관을 향하여 연장되는 넥조절부재를 구비하는 메타구조체;를 포함하고, 복수의 메타구조체는 상기 유동방향을 따라 배치되는 특징을 개시한다.

Description

광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러{METAMATERIAL MUFFLER FOR NOISE REDUCTION IN WIDE BANDFREQUENCIES}
본 발명은 머플러에 관한 것으로, 상세하게는 유동관 외측에 배치되는 메타구조체를 이용하여 유동관 내에서 유동하는 소음의 투과손실을 높일 수 있는 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러에 관한 것이다.
일반적으로 소음 저감장치는 이미 다양하게 개발되어 사용되고 있다. 이중 하나인 흡음재를 사용하는 흡음형은 고주파 영역에서는 우수한 성능을 가지지만 저주파 영역에서는 성능이 현저히 떨어지며, 흡음재의 비산 문제와 습기나 열에 취약하여 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.
최근에는 유동관의 형상 변화로 인해 생겨나는 임피던스 부정합(Impedance mismatch)을 이용하여 음파를 반사시키는 원리를 이용하는 반사형이 함께 사용되고 있다. 대표적인 반사형으로는 배관의 단면적을 변화시킨 형태인 확장관이나 천공관을 이용한 모델들이 있지만, 배관의 단면적 변화 정도에 따라 소음 성능이 직결되기 때문에 크기나 부피가 커지는 문제점이 있다.
공명기를 이용한 소음장치는 유동관에서 발생하는 소음과 동일한 주파수를 갖는 공명기를 배관에 설치하여 소음을 감소시킨다. 그러나 공명기의 경우 각 배관 사이의 위치 관계, 주변 구조물과의 관계 등 여러 설계 조건에 의해 그 크기가 일정 범위 내로 제한되기 때문에, 타겟 주파수에 속하지 않는 소음의 저감 성능이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.
일반적으로 고주파 영역의 소음을 제거하기 위해서는 상대적으로 작은 크기의 공명기가 필요하고, 저주파 영역의 소음을 제거하기 위해서는 상대적으로 큰 크기의 공명기가 필요하다. 그러나, 통상의 유동관은 좁은 공간에 설치되므로 큰 공명기를 설치하는데 많은 어려움이 있으며, 때문에 저주파 영역의 소음을 제거하는 것은 매우 어려웠으며, 장치의 소형화를 추구하는 최근 기술동향과도 거리가 멀었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0112867호(2017.10.12 공개)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 메타구조체의 공명실 내부로 입사되는 소음의 음파 에너지의 손실을 최대화하여 유동관 내에서 유동하는 소음의 투과손실을 높일 수 있고, 저주파 영역에서 고주파 영역까지 광대역 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있는 메타 머플러를 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러는, 유체가 유동하는 유동관; 상기 유동관의 외측에서 상기 유동관과 이격되게 배치되는 외통; 및 유체의 유동방향과 평행하게 개구된 개구부와, 상기 유동관과 상기 외통 사이에 배치되고 상기 개구부를 통해 상기 유동관과 연통되는 공명실과, 상기 개구부로부터 상기 유동방향을 따라 이격되게 배치되고 상기 외통으로부터 상기 유동관을 향하여 연장되는 넥조절부재를 구비하는 메타구조체;를 포함하고, 상기 넥조절부재는, 상기 외통으로부터 상기 유동방향과 교차하는 교차방향으로 연장되는 제1연장부와, 상기 제1연장부의 단부로부터 상기 유동방향으로 연장되는 제2연장부를 포함하고, 복수의 메타구조체는 상기 유동방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러는, 유체가 유동하는 유동관; 상기 유동관의 외측에서 상기 유동관과 이격되게 배치되는 외통; 및 유체의 유동방향과 평행하게 개구된 개구부와, 상기 유동관과 상기 외통 사이에 배치되고 상기 개구부를 통해 상기 유동관과 연통되는 공명실과, 상기 개구부로부터 상기 유동방향을 따라 이격되게 배치되고 상기 외통으로부터 상기 유동관을 향하여 연장되는 넥조절부재를 구비하는 메타구조체;를 포함하고, 상기 넥조절부재는, 상기 외통으로부터 상기 유동방향과 교차하는 교차방향으로 연장되는 제1연장부와, 상기 제1연장부의 단부로부터 상기 유동방향으로 연장되는 제2연장부를 포함하고, 복수의 메타구조체는 상기 유동방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러에 있어서, 상기 공명실의 외벽은, 상기 유동관으로부터 상기 유동방향과 교차하는 교차방향을 따라 연장되는 제1외벽과, 상기 제1외벽으로부터 상기 유동방향을 따라 이격되게 배치되고 상기 유동관에서 상기 외통까지 연장되는 제2외벽을 포함할 수 있고, 이 경우 상기 개구부는 상기 제1외벽과 상기 외통 사이에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러에 있어서, 상기 제1외벽의 길이는, 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우에는 상대적으로 길게 형성될 수 있고, 상기 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우에는 상대적으로 짧게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러에 있어서, 상기 공명실의 외벽은, 상기 외통으로부터 상기 교차방향을 따라 연장되는 제3외벽을 더 포함할 수 있고, 이 경우 상기 개구부는 상기 제1외벽과 상기 제3외벽 사이에 형성될 수 있다.
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본 발명의 실시예에 따른 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러에 있어서, 상기 제1연장부 및 상기 제2연장부는, 직선 형상으로 형성될 수 있다.
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본 발명의 실시예에 따른 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러에 있어서, 상기 넥조절부재의 길이는, 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우에는 상대적으로 길게 형성되고, 상기 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우에는 상대적으로 짧게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러에 있어서, 상기 공명실의 외벽은, 상기 유동관으로부터 상기 유동방향과 교차하는 교차방향을 따라 연장되는 제1외벽과, 상기 제1외벽으로부터 상기 유동방향을 따라 이격되게 배치되고 상기 유동관에서 상기 외통까지 연장되는 제2외벽을 포함할 수 있고, 이 경우 상기 넥조절부재는, 상기 유동방향에 대해 상기 제1외벽으로부터 제1간격으로 이격하여 배치될 수 있고, 상기 유동방향에 대해 상기 제2외벽으로부터 제2간격으로 이격하여 배치될 수 있으며, 이때 상기 제1간격은 상기 제2간격보다 좁을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러에 있어서, 상기 공명실의 외벽은, 상기 유동관으로부터 상기 유동방향과 교차하는 교차방향을 따라 연장되는 제1외벽과, 상기 제1외벽으로부터 상기 유동방향을 따라 이격되게 배치되고 상기 유동관에서 상기 외통까지 연장되는 제2외벽을 포함할 수 있고, 이 경우 상기 넥조절부재는, 상기 유동방향에 대해 상기 제1외벽으로부터 제1간격으로 이격하여 배치될 수 있고, 이때 상기 제1간격은 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우에는 상대적으로 좁게 형성될 수 있고, 상기 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우에는 상대적으로 넓게 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 개구부와 공명실 및 넥조절부재를 포함하는 메타구조체를 통하여 유동관 내에서 유동하는 소음의 투과손실을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 개구부와 공명실 및 넥조절부재를 포함하는 메타구조체를 통하여 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수를 광대역화할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제한된 부피를 가지는 공명실에도 불구하고, 메타구조체만을 적절히 변경하는 것으로 감쇠하고자 하는 주파수 대역의 소음을 감쇠할 수 있기 때문에, 머플러의 크기를 줄일 수 있고, 제한된 크기를 가지는 머플러의 설계 변경이 용이하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메타 머플러를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 메타 머플러의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 메타 머플러의 단면 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개구부의 면적이 조절된 경우를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개구부의 위치가 조절된 경우를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 넥조절부재의 다양한 형상을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 넥조절부재의 길이가 조절된 경우를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 넥조절부재의 위치가 조절된 경우를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 상대적으로 고주파수 대역의 소음 감쇠에 적합한 메타구조체(a 도면)와, 상대적으로 저주파수 대역의 소음 감쇠에 적합한 메타구조체(b 도면)를 나타낸 도면이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메타 머플러를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 메타 머플러의 단면을 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2의 메타 머플러의 단면 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 메타 머플러(100)는 유동관(110) 내에서 유동하는 소음의 음파 에너지의 손실을 최대화하여 소음의 투과손실을 높이기 위한 것으로, 유동관(110), 외통(120) 및 메타구조체(130)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 메타 머플러(100)는 복수의 단위셀(101)을 포함할 수 있고, 각 단위셀(101)은 유동관(110), 외통(120) 및 메타구조체(130)를 포함할 수 있다. 즉, 유동관(110), 외통(120) 및 메타구조체(130)를 포함하는 단위셀(101)은 유체의 유동방향(A1)을 따라 순차적으로 배치되면서 메타 머플러(100)를 제공할 수 있다. 결과적으로 유동방향(A1)을 따라 복수의 메타구조체(130)가 순차적으로 배치될 수 있다.
단위셀(101)을 구성하는 유동관(110), 외통(120) 및 메타구조체(130)는 일체형으로 구성될 수 있고, 유동관(110), 외통(120) 및 메타구조체(130)는 각각 개별적으로 제작 조립되어서 단위셀(101)을 구성할 수도 있다.
메타 머플러(100)를 구성하는 복수의 단위셀(101) 역시 일체형으로 구성될 수 있고, 복수의 단위셀(101)은 각각 개별적으로 제작 조립되어서 메타 머플러(100)를 구성할 수도 있다.
이하에서는 단위셀(101)을 구성하는 유동관(110), 외통(120) 및 메타구조체(130)를 중심으로 상세히 설명한다.
유동관(110)은 내부로 유체가 유동하며, 유동방향(A1)으로 구비될 수 있다.
유동관(110)의 내부로 유동하는 유체는 액체, 기체 등이 될 수 있으며, 본 실시예에서는 기체인 공기의 경우를 예로 들어 설명한다.
복수의 단위셀(101)이 유동방향(A1)을 따라 인접하게 배치되고, 이에 따라 복수의 유동관(110)이 유동방향(A1)을 따라 이어지면서 그 내부로 유체가 유동하는 메인 유동경로가 형성될 수 있다. 결과적으로 메인 유동경로를 따라 유동하는 유체의 일부가 인접하는 유동관(110)의 사이에 형성되는 유체유입구(110a)를 통하여 메타구조체(130) 측으로 유입될 수 있다.
본 실시예에서는 유동관(110)의 단면 형상을 원형 형상인 경우를 도시하고 있으나, 유동관(110)의 단면 형상은 사각형 등의 다각형 형상으로 형성될 수도 있다.
외통(120)은 유동관(110)을 감싸도록 배치되며, 유동관(110)의 외측으로 유동관(110)과 이격되게 배치된다. 유동관(110)과 외통(120) 사이에는 메타구조체(130)가 구비될 수 있다.
그리고, 유동방향(A1)에 대해 외통(120)의 전단부 또는 후단부에는 연장부(120a)가 구비될 수 있다. 연장부(120a)를 통하여 복수의 단위셀(101)이 유동방향(A1)을 따라 인접하게 배치될 시 인접하게 배치되는 유동관(110) 사이에는 유체유입구(110a)가 마련될 수 있다.
외통(120)은 메타 머플러(100)의 외형을 형성하게 되는데, 유동관(110)의 형상에 대응되는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 외통(120)의 단면 형상을 유동관(110)의 형상과 대응되는 원형 형상인 경우를 도시하고 있으나, 외통(120)의 단면 형상은 사각형 등의 다각형 형상으로 형성될 수도 있다. 물론, 유동관(110)과 외통(120)은 서로 다른 단면 형상을 가지도록 형성될 수도 있다.
메타구조체(130)는 유동관(110)과 외통(120) 사이에 구비되며, 개구부(140), 공명실(150) 및 넥조절부재(160)를 포함할 수 있다.
개구부(140)는 유동방향(A1)에 대해 메타구조체(130)의 전단부에 마련될 수 있고, 유동방향(A1)과 평행하게 구비될 수 있다. 개구부(140)는 유동관(110)의 유체유입구(110a)와 연통될 수 있다.
공명실(150)은 유동관(110)과 외통(120) 사이에 배치되고, 개구부(140)를 통하여 유동관(110)의 유체유입구(110a)와 연통될 수 있다.
공명실(150)의 외벽은 제1외벽(131) 및 제2외벽(132)을 포함할 수 있다.
즉, 공명실(150)은 유동관(110) 및 외통(120)이 내측 및 외측 외벽을 형성하게 되고, 제1외벽(131) 및 제2외벽(132)이 전방 및 후방 외벽을 형성하게 된다.
제1외벽(131)은 유동관(110)으로부터 유동방향(A1)과 교차하는 교차방향(A2)을 따라 외통(120)을 향하여 연장하여 형성될 수 있으며, 외통(120)을 향하여 수직으로 연장하여 형성될 수 있다.
제1외벽(131)은 미리 설정된 길이(131L)를 가질 수 있으며, 제1외벽(131)의 길이(131L)는 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라 조절될 수 있다.
제2외벽(132)은 제1외벽(131)으로부터 유동방향(A1)을 따라 이격되게 배치되고 유동관(110)에서 외통(120)까지 연장하여 형성될 수 있으며, 유동관(110)과 외통(120)을 연결하며 수직으로 연장하여 형성될 수 있다.
이때, 개구부(140)는 제1외벽(131)과 외통(120) 사이에 형성될 수 있는데, 제1외벽(131)의 제1길이(131L)를 조절함으로써, 개구부(140)의 면적은 조절될 수 있다.
한편, 공명실(150)의 외벽은 제3외벽(133)을 더 포함할 수 있다.
즉, 공명실(150)은 유동관(110) 및 외통(120)이 내측 및 외측 외벽을 형성하게 되고, 제1외벽 및 제3외벽(133)이 전방 외벽을 형성하게 되며, 제2외벽(132)이 후방 외벽을 형성하게 된다.
제3외벽(133)은 외통(120)으로부터 교차방향(A2)을 따라 유동관(110)을 향하여 연장하여 형성될 수 있으며, 유동관(110)을 향하여 수직으로 연장하여 형성될 수 있다.
제3외벽(133)은 미리 설정된 길이(133L)를 가질 수 있으며, 제3외벽(133)의 길이(133L)는 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라 조절될 수 있다.
이때, 개구부(140)는 제1외벽(131)과 제3외벽(133) 사이에 형성될 수 있는데, 이 경우에는 제1외벽(131)의 길이(131L) 또는 제3외벽(133)의 길이(133L)를 조절함으로써, 개구부(140)의 면적은 조절될 수 있다.
넥조절부재(160)는 공명실(150)의 내부에 배치될 수 있으며, 개구부(140)로부터 유동방향(A1)으로 이격되게 배치되고, 외통(120)으로부터 유동관(110)을 향하여 연장하여 형성될 수 있다.
넥조절부재(160)는 미리 설정된 길이(160L)를 가질 수 있으며, 넥조절부재(160)의 길이(160L)는 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라 조절될 수 있다.
그리고, 넥조절부재(160)는 유동방향(A1)에 대해 제1외벽(131)으로부터 제1간격(d1)으로 이격하여 배치될 수 있고, 제2외벽(132)으로부터 제2간격(d2)으로 이격하여 배치될 수 있다.
이때, 제1간격(d1)은 제2간격(d2)보다 좁게 형성됨이 바람직하다. 즉, 제1외벽(131)에 상대적으로 가깝게 배치되는 넥조절부재(160)를 통하여 헬름홀츠 공명기의 목(구멍) 구조를 유지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 메타구조체(130)는 유동방향(A1)과 평행하게 구비되는 개구부(140)로부터 이른바, 관형 공명기 효과로 인하여 상대적으로 저주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있고, 공명실(150)의 내부로 유입된 소음은 이른바, 헬름홀츠 공명기 효과로 인하여 상대적으로 고주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다. 따라서 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수를 광대역화할 수 있다.
그리고, 개구부(140)의 면적을 결정하는 제1외벽(131) 또는 제3외벽(133)의 길이를 조절하거나, 넥조절부재(160)의 길이, 형상 및 설치위치를 적절히 변경함에 따라, 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수를 더욱 광대역화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개구부의 면적이 조절된 경우를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따르면, 제1외벽(131)의 제1길이(131L)를 조절함으로써, 개구부(140)의 면적은 조절될 수 있다.
도 4의 (a)에서와 같이, 만일 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우, 제1외벽(131)의 길이(131L)를 상대적으로 길게 형성하면, 개구부(140)의 면적을 상대적으로 작게 형성할 수 있다. 이는 헬름홀츠 공명기의 목(구멍)의 넓이를 작게 설정하는 것과 대응될 수 있기에 상대적으로 저주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
도 4의 (b)에서와 같이, 반대로 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우, 제1외벽(131)의 길이(131L)를 상대적으로 짧게 형성하면, 개구부(140)의 면적을 상대적으로 크게 형성할 수 있다. 이는 헬름홀츠 공명기의 목(구멍)의 넓이를 크게 설정하는 것과 대응될 수 있기에 상대적으로 고주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
그리고, 도 3에서와 같이, 제3외벽(133)이 구비될 경우에는 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라 제3외벽(133)의 길이(133L)를 상대적으로 길게 형성하거나 짧게 형성함으로써, 개구부(140)의 면적을 상대적으로 작게 형성하거나 크게 형성할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개구부의 위치가 조절된 경우를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따르면, 제1외벽(131)의 길이(131L) 및 제3외벽(133)의 길이(133L)를 조절함으로써, 교차방향(A2)에 대한 개구부(140)의 위치가 조절될 수 있다.
도 5의 (a)에서와 같이, 만일 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우, 제1외벽(131) 및 제3외벽(133)의 길이를 조절하여 개구부(140)가 유동관(110)으로부터 교차방향(A2)으로 먼 위치에 형성될 수 있다. 이는 헬름홀츠 공명기의 목(구멍)의 길이를 길게 설정하는 것과 대응될 수 있기에 상대적으로 저주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
도 5의 (b)에서와 같이, 반대로 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우, 제1외벽(131) 및 제3외벽(133)의 길이를 조절하여 개구부(140)가 유동관(110)에 가까운 위치에 형성될 수 있다. 이는 헬름홀츠 공명기의 목(구멍)의 길이를 짧게 설정하는 것과 대응될 수 있기에 상대적으로 고주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 넥조절부재의 다양한 형상을 나타낸 도면이다.
넥조절부재(160)는 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 일직선 형상, 절곡 형상, 곡선 형상 등으로 형성될 수 있다.
도 6의 (a)에서와 같이, 넥조절부재(160A)는 일직선 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 넥조절부재(160A)는 외통(120)으로부터 유동관(110)을 향해 연장되되, 유동방향(A1)과 수직하는 직선 형상으로 형성될 수 있다.
그리고, 도 6의 (b)에서와 같이, 넥조절부재(160B)는 절곡 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 넥조절부재(160B)는 외통(120)으로부터 교차방향(A2)으로 연장되는 제1연장부(161)와, 제1연장부(161)의 단부로부터 유동방향(A1)으로 연장되는 제2연장부(162)를 포함할 수 있으며, 제1연장부(161) 및 제2연장부(162)는 직선 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 도 6의 (c)에서와 같이, 넥조절부재(160C)는 곡선 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 넥조절부재(160C)는 외통(120)으로부터 유동관(110)을 향하여 연장되되, 단부로 갈수록 유동방향(A1)으로 휘어지면서 전체적으로 일정 곡률을 가지는 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 넥조절부재(160C)의 곡률은 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라 변화될 수 있다.
이처럼 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 결정되면, 타겟 주파수에 대응하도록 넥조절부재(160)의 형상이 결정될 수 있고, 넥조절부재(160)의 형상을 적절히 변경함으로써, 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수를 광대역화할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 넥조절부재의 길이가 조절된 경우를 나타낸 도면이다.
넥조절부재(160)는 전체 길이(L)를 변화시키는 것으로도 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수를 광대역화할 수 있다.
도 7의 (a)에서와 같이, 만일 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우, 넥조절부재(160)의 길이(160L)를 상대적으로 길게 형성하면, 헬름홀츠 공명기의 목(구멍)의 길이를 길게 설정하는 것과 대응될 수 있기에 상대적으로 저주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
도 7의 (b)에서와 같이, 반대로 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우, 넥조절부재(160)의 길이(160L)를 상대적으로 짧게 형성하면, 헬름홀츠 공명기의 목(구멍)의 길이를 짧게 설정하는 것과 대응될 수 있기에 상대적으로 고주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 넥조절부재의 위치가 조절된 경우를 나타낸 도면이다.
넥조절부재(160)는 전술한 형상 및 길이 조절뿐만 아니라, 공명실(150) 내에서의 설치위치를 조절하는 것으로도 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수를 광대역화할 수 있다.
도 8의 (a)에서와 같이, 만일 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우, 넥조절부재(160)와 제1외벽(131) 사이의 제1간격(d1)을 상대적으로 좁게 형성하면, 제한된 공명실(150)의 부피를 최대로 이용할 수 있고 헬름홀츠 공명기의 목(구멍)의 길이를 길게 설정하는 것과 대응될 수 있기에 상대적으로 저주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
도 8의 (b)에서와 같이, 반대로 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우, 넥조절부재(160)와 제1외벽(131) 사이의 제1간격(d1)을 상대적으로 넓게 형성하면, 헬름홀츠 공명기의 목(구멍)의 길이를 짧게 설정하는 것과 대응될 수 있기에 상대적으로 고주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 상대적으로 고주파수 대역의 소음 감쇠에 적합한 메타구조체(a)와, 상대적으로 저주파수 대역의 소음 감쇠에 적합한 메타구조체(b)를 나타낸 도면이다.
도 9의 (a)에 나타낸 메타구조체는 제1외벽(131), 제3외벽(133) 및 넥조절부재(160)의 각 길이를 상대적으로 짧게 형성하고, 넥조절부재(160)를 제1외벽(131)으로부터 상대적으로 이격하여 배치하고 있다. 즉, 넥조절부재(160)를 상대적으로 최소화하면서 개구부(140)의 면적을 상대적으로 크게 형성하고 있다.
이 경우 헬름홀츠 공명기의 원리를 적용해 보면, 제한된 공명실(150)의 부피에 대해, 헬름홀츠 공명기의 목(구멍)의 넓이를 상대적으로 크게 형성할 수 있고, 목(구멍)의 길이를 상대적으로 짧게 형성할 수 있기 때문에, 공명주파수는 높아질 수 있고, 이에 따라 상대적으로 고주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
도 9의 (b)에 나타낸 메타구조체는 반대로 제1외벽(131), 제3외벽(133) 및 넥조절부재(160)의 각 길이를 상대적으로 길게 형성하고, 넥조절부재(160)를 제1외벽(131)으로부터 상대적으로 가깝게 배치하고 있다. 즉, 넥조절부재(160)를 상대적으로 최대화하면서 개구부(140)의 면적을 상대적으로 작게 형성하고 있다.
이 경우 헬름홀츠 공명기의 원리를 적용해 보면, 제한된 공명실(150)의 부피에 대해, 헬름홀츠 공명기의 목(구멍)의 넓이를 상대적으로 작게 형성할 수 있고, 목(구멍)의 길이를 상대적으로 길게 형성할 수 있기에, 공명주파수는 낮아질 수 있고, 이에 따라 상대적으로 저주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
결과적으로, 본 발명은 메타구조체(130)의 제1외벽(131)의 길이(131L), 제3외벽(133)의 길이(133L), 넥조절부재(160)의 길이(160L), 형상, 설치위치를 적절히 조절하는 것으로, 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수와 대응하는 공명주파수를 효과적으로 생성할 수 있고, 따라서 광대역 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
그리고, 본 발명은 제한된 부피를 가지는 공명실(150)에도 불구하고, 제1외벽(131), 제3외벽(133) 및 넥조절부재(160)만을 적절히 조절함으로써, 목표로 하는 타겟 주파수 대역의 소음을 감쇠할 수 있기 때문에, 머플러의 소형화가 가능하다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
100: 메타 머플러
110: 유동관
120: 외통
130: 메타구조체
140: 개구부
150: 공명실
160: 넥조절부재

Claims (11)

  1. 유체가 유동하는 유동관;
    상기 유동관의 외측에서 상기 유동관과 이격되게 배치되는 외통; 및
    유체의 유동방향과 평행하게 개구된 개구부와, 상기 유동관과 상기 외통 사이에 배치되고 상기 개구부를 통해 상기 유동관과 연통되는 공명실과, 상기 개구부로부터 상기 유동방향을 따라 이격되게 배치되고 상기 외통으로부터 상기 유동관을 향하여 연장되는 넥조절부재를 구비하는 메타구조체;를 포함하고,
    상기 넥조절부재는, 상기 외통으로부터 상기 유동방향과 교차하는 교차방향으로 연장되는 제1연장부와, 상기 제1연장부의 단부로부터 상기 유동방향으로 연장되는 제2연장부를 포함하고,
    복수의 메타구조체는 상기 유동방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러.
  2. 유체가 유동하는 유동관;
    상기 유동관의 외측에서 상기 유동관과 이격되게 배치되는 외통; 및
    유체의 유동방향과 평행하게 개구된 개구부와, 상기 유동관과 상기 외통 사이에 배치되고 상기 개구부를 통해 상기 유동관과 연통되는 공명실과, 상기 개구부로부터 상기 유동방향을 따라 이격되게 배치되고 상기 외통으로부터 상기 유동관을 향하여 연장되는 넥조절부재를 구비하는 메타구조체;를 포함하고,
    상기 넥조절부재는, 상기 외통으로부터 상기 유동관을 향하여 연장되되, 단부로 갈수록 상기 유동방향을 향하여 휘어지도록 미리 설정된 곡률을 가지고,
    복수의 메타구조체는 상기 유동방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공명실의 외벽은, 상기 유동관으로부터 상기 유동방향과 교차하는 교차방향을 따라 연장되는 제1외벽과, 상기 제1외벽으로부터 상기 유동방향을 따라 이격되게 배치되고 상기 유동관에서 상기 외통까지 연장되는 제2외벽을 포함하고,
    상기 개구부는 상기 제1외벽과 상기 외통 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1외벽의 길이는, 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우에는 상대적으로 길게 형성되고, 상기 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우에는 상대적으로 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 공명실의 외벽은, 상기 외통으로부터 상기 교차방향을 따라 연장되는 제3외벽을 더 포함하고,
    상기 개구부는 상기 제1외벽과 상기 제3외벽 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1연장부 및 상기 제2연장부는, 직선 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 넥조절부재의 길이는, 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우에는 상대적으로 길게 형성되고, 상기 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우에는 상대적으로 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공명실의 외벽은, 상기 유동관으로부터 상기 유동방향과 교차하는 교차방향을 따라 연장되는 제1외벽과, 상기 제1외벽으로부터 상기 유동방향을 따라 이격되게 배치되고 상기 유동관에서 상기 외통까지 연장되는 제2외벽을 포함하고,
    상기 넥조절부재는 상기 유동방향에 대해 상기 제1외벽으로부터 제1간격으로 이격하여 배치되고, 상기 유동방향에 대해 상기 제2외벽으로부터 제2간격으로 이격하여 배치되며,
    상기 제1간격은 상기 제2간격보다 좁은 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공명실의 외벽은, 상기 유동관으로부터 상기 유동방향과 교차하는 교차방향을 따라 연장되는 제1외벽과, 상기 제1외벽으로부터 상기 유동방향을 따라 이격되게 배치되고 상기 유동관에서 상기 외통까지 연장되는 제2외벽을 포함하고,
    상기 넥조절부재는 상기 유동방향에 대해 상기 제1외벽으로부터 제1간격으로 이격하여 배치되고,
    상기 제1간격은 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우에는 상대적으로 좁게 형성되고, 상기 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우에는 상대적으로 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 소음 저감을 위한 메타 머플러.
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