KR102583152B1 - 음향 메타 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 단위셀들에 의해 결정되는 주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭 현상에 의하여 효과적으로 저감될 수 있는 음향 메타 구조체를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 제1단면적을 가지는 제1공간부와, 상기 제1공간부와 연통되면서 상기 제1단면적보다 큰 제2단면적을 가지고, 유체의 유동방향을 따라 하류에 배치되는 상기 제1공간부와 연통되는 제2공간부를 구비하는 복수 개의 제1단위셀을 포함하고, 복수 개의 제1단위셀의 주기적인 배열 구조에 의해 결정되는 주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭 현상에 의해 효과적으로 저감되는 특징을 개시한다.

Description

음향 메타 구조체{ACOUSTIC METAMATERIAL STRUCTURE}
본 발명은 음향 메타 구조체에 관한 것으로, 상세하게는 주기적인 배열 구조를 갖는 복수의 단위셀들에 의해 결정되는 주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭(Acoustic bandgap) 현상에 의하여 효과적으로 저감될 수 있는 음향 메타 구조체에 관한 것이다.
음향 메타 물질은 자연계에서는 발견되지 않는 특성을 지니도록 금속이나 플라스틱과 같은 소재를 이용하여 인공적으로 주기적인 형상을 만들어 특정 주파수에서 소리 혹은 초음파 등을 통과, 변조, 흡수 등이 가능하도록 구현된 소재이다.
이러한 음향 메타 물질은 유전율과 투자율이 모두 음의 값을 가지는 물질의 가능성이 발표되면서 처음 제안되었고, 이후 음의 유전율과 투자율을 가지는 주기적인 인공 구조를 활용한 음향 메타 구조체에 대한 활발한 연구가 이루어지고 있다.
한편, 흡음재를 사용하는 흡음형 소음 저감장치는 고주파 영역에서는 우수한 성능을 가지지만 저주파 영역에서는 성능이 현저히 떨어지며, 흡음재의 비산 문제와 습기나 열에 취약하여 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.
이에 전술한 메타 구조체를 활용한 소음 저감장치에 대한 활발한 연구가 이루어지고 있다. 그 중 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.
그리고, 공명기를 이용한 소음 저감장치는 유동관에서 발생하는 소음과 동일한 주파수를 갖는 공명기를 배관에 설치하여 소음을 감소시킨다. 하지만 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 있고, 이러한 이유로 저주파 영역의 소음을 제거하는 것은 매우 어려웠으며, 장치의 소형화를 추구하는 최근 기술동향과도 거리가 멀었다.
대한민국 등록특허공보 제0835709호 (2008.06.05. 공고)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 주기적인 배열 구조를 갖는 복수의 단위셀들에 의해 결정되는 주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭 현상에 의하여 저감될 수 있는 음향 메타 구조체를 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 음향 메타 구조체는, 제1단면적을 가지는 제1공간부와, 상기 제1공간부와 연통되면서 상기 제1공간부를 따라 유동하는 유체의 유동방향에 대해 직교하는 양측 방향으로 연장되어 상기 제1단면적보다 큰 제2단면적을 가지고, 상기 유동방향을 따라 하류에 배치되는 제1공간부와 연통되는 제2공간부를 구비하는 제1단위셀;을 복수 개 포함하고, 복수의 제1단위셀은 유체가 유동하는 유동관의 길이방향을 따라 순차적으로 배열되며, 복수의 제1단위셀 중 적어도 하나의 제1공간부는 상기 유동관의 길이방향에 대해 직교하는 유입구를 통해 상기 유동관과 연통되고, 상기 유입구로 유입된 유체는 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행되며, 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부의 주기적인 배열 구조에 의해 결정되는 주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭(Acoustic bandgap) 현상에 의해 저감되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 메타 구조체는, 제1단면적을 가지는 제1공간부와, 상기 제1공간부와 연통되면서 상기 제1공간부를 따라 유동하는 유체의 유동방향에 대해 직교하는 양측 방향으로 연장되어 상기 제1단면적보다 큰 제2단면적을 가지고, 상기 유동방향을 따라 하류에 배치되는 제1공간부와 연통되는 제2공간부를 구비하는 제1단위셀;을 복수 개 포함하고, 복수의 제1단위셀은 유체가 유동하는 유동관의 둘레를 감싸는 나선 형태로 순차적으로 배열되며, 복수의 제1단위셀 중 적어도 하나의 제1공간부는 상기 유동관의 길이방향에 대해 직교하는 유입구를 통해 상기 유동관과 연통되고, 상기 유입구로 유입된 유체는 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행되며, 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부의 주기적인 배열 구조에 의해 결정되는 주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭(Acoustic bandgap) 현상에 의해 저감되는 것도 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 메타 구조체는, 제1단면적을 가지는 제1공간부와, 상기 제1공간부와 연통되면서 상기 제1공간부를 따라 유동하는 유체의 유동방향에 대해 직교하는 양측 방향으로 연장되어 상기 제1단면적보다 큰 제2단면적을 가지고, 상기 유동방향을 따라 하류에 배치되는 제1공간부와 연통되는 제2공간부를 구비하는 제1단위셀;을 복수 개 포함하고, 복수의 제1단위셀은 유체가 유동하는 유동관의 둘레를 감싸도록 상기 유동관의 길이방향에 교차하는 방향을 따라 순차적으로 배열되며, 복수의 제1단위셀 중 적어도 하나의 제1공간부는 상기 유동관의 길이방향에 대해 직교하는 유입구를 통해 상기 유동관과 연통되고, 상기 유입구로 유입된 유체는 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행되며, 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부의 주기적인 배열 구조에 의해 결정되는 주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭(Acoustic bandgap) 현상에 의해 저감되는 것도 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 메타 구조체에 있어서, 상기 제1단면적에 대한 상기 제2단면적의 비는 2를 초과하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 메타 구조체에 있어서, 상기 제1단면적에 대한 상기 제2단면적의 비는, 감쇠하고자 하는 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우에는 상대적으로 크게 형성되고, 상기 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우에는 상대적으로 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 메타 구조체에 있어서, 이때 상기 유입구로 유입된 유체는 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행하다가 최하류에 배치된 제2공간부에서 반사된 후 다시 상기 유입구 측으로 진행되도록 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 메타 구조체에 있어서, 이때 상기 유입구로 유입된 유체는 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부에서 순환되도록 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 메타 구조체에 있어서, 상기 제2공간부의 내측을 향해 돌출되도록 연장 형성되는 넥확장부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 메타 구조체에 있어서, 상기 넥확장부재의 길이는, 감쇠하고자 하는 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우에는 상대적으로 길게 형성되고, 상기 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우에는 상대적으로 짧게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 음향 메타 구조체는, 제1단면적을 가지는 제1공간부와, 상기 제1공간부와 연통되면서 상기 제1공간부를 따라 유동하는 유체의 유동방향에 대해 직교하는 양측 방향으로 연장되어 상기 제1단면적보다 큰 제2단면적을 가지고, 상기 유동방향을 따라 하류에 배치되는 제1공간부와 연통되는 제2공간부를 구비하는 제1단위셀을 복수 개 포함하고, 복수의 제1단위셀 중 적어도 하나의 제1공간부는 상기 유동관의 길이방향에 대해 직교하는 제1유입구를 통해 상기 유동관과 연통되며, 상기 제1유입구로 유입된 유체가 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행되는 제1단위셀군; 및 제3단면적을 가지는 제3공간부와, 상기 제3공간부와 연통되면서 상기 제3공간부를 따라 유동하는 상기 유동방향에 대해 직교하는 양측 방향으로 연장되어 상기 제3단면적보다 큰 제4단면적을 가지고, 상기 유동방향을 따라 하류에 배치되는 제3공간부와 연통되는 제4공간부를 구비하는 제2단위셀을 복수 개 포함하고, 복수의 제2단위셀 중 적어도 하나의 제3공간부는 상기 유동관의 길이방향에 대해 직교하는 제2유입구를 통해 상기 유동관과 연통되며, 상기 제2유입구로 유입된 유체가 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행되는 제2단위셀군;을 포함하며, 상기 제1단위셀군 및 상기 제2단위셀군은 상기 유동관의 길이방향을 따라 이격하여 배치되고, 상기 제1단면적에 대한 상기 제2단면적의 비와, 상기 제3단면적에 대한 상기 제4단면적의 비는 서로 다르며, 상기 제1단위셀군의 주기적인 배열 구조에 의해 결정되는 제1주파수 대역의 소음과, 상기 제2단위셀군의 주기적인 배열 구조에 의해 결정되는 상기 제1주파수 대역과 다른 제2주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭(Acoustic bandgap) 현상에 의해 저감되는 것도 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 복수의 단위셀들의 주기적인 배열 구조에 의하여 넓은 음향 밴드갭이 형성될 수 있고, 넓은 음향 밴드갭 현상에 의하여 넓은 주파수 대역에서 소음이 효과적으로 감쇠될 수 있다.
본 발명에 따르면, 소음 감쇠가 요구되는 유동관의 사양에 따라 복수의 단위셀이 가지는 주기적 배열 구조를 길이방향, 나선방향, 또는 길이방향에 교차하는 방향으로 적절히 변경할 수 있기 때문에, 음향 메타 구조체의 호환성과, 음향 메타 구조체를 포함한 소음 감쇠 장치의 소형화 및 경량화에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 메타 구조체가 유동관에 설치된 상태를 나타낸 단면 예시도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 메타 구조체의 변형예를 나타낸 단면 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 메타 구조체의 다른 변형예를 나타낸 단면 예시도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 메타 구조체의 또 다른 변형예를 나타낸 단면 예시도이다.
도 5는 도 4의 A-A선을 따라 취한 단면 예시도(a 도면)와, B-B선을 따라 취한 단면 예시도(b 도면)이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 음향 메타 구조체가 유동관에 설치된 상태를 나타낸 단면 예시도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 음향 메타 구조체가 유동관에 설치된 상태를 나타낸 단면 예시도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 음향 메타 구조체의 변형예를 나타낸 단면 예시도이다.
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 1의 (a) 도면은 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 메타 구조체가 유동관에 설치된 상태를 나타낸 단면 예시도이고, (b) 도면은 (a) 도면의 음향 메타 구조체의 일부분을 확대하여 나타낸 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 메타 구조체는 제1단위셀군(100)을 포함할 수 있다.
제1단위셀군(100)은 복수의 제1단위셀(110)을 포함할 수 있다.
복수의 제1단위셀(110) 중 적어도 하나는 유체가 유동하는 유동관(10)과 연통될 수 있으며, 유동관(10)에서 유동하는 유체의 일부는 제1단위셀군(100)으로 유입될 수 있다.
복수의 제1단위셀(110)은 유체가 유동하는 유동관(10)의 길이방향(D1)을 따라 순차적으로 배열될 수 있다.
제1단위셀(110)은 유체의 유동공간을 제공하며, 서로 다른 단면적을 가지는 복수의 공간부를 가질 수 있고, 복수의 공간부는 유동관(10)의 길이방향(D1)을 따라 순차적으로 배열될 수 있다.
이러한 제1단위셀군(100)은 복수의 공간부가 가지는 주기적인 배열 구조 즉, 배열 형태, 형상 및 단면적 비에 따라 특정 주파수 대역이 결정될 수 있고, 결정된 주파수 대역에 상응하는 주파수 대역의 소음이 저감될 수 있다.
즉, 감쇠하고자 하는 타겟 주파수에 따라, 제1단위셀군(100)의 주기적인 배열 구조인 배열 형태, 형상 및 단면적 비가 결정될 수 있다.
본 실시예에 따른 제1단위셀(110)은 제1공간부(111) 및 제2공간부(112)를 포함할 수 있다.
제1공간부(111)는 유체의 유동방향(D2)에 대해 제1단면적(A1)을 가질 수 있다.
또한, 제1공간부(111)는 유동관(10)과 연통되는 유입구(111a)를 가질 수 있으며, 이에 따라 유동관(10)에서 유동하는 유체의 일부는 유입구(111a)를 통하여 제1공간부(111)로 유입되거나 유출될 수 있다.
제2공간부(112)는 유체의 유동방향(D2)에 대해 제2단면적(A2)을 가질 수 있다. 이때 제2단면적(A2)은 제1단면적(A1)보다 클 수 있다.
바람직하게, 제2단면적(A2)의 크기는 제1단면적(A1)의 크기보다 적어도 2배를 초과하도록 설정될 수 있다. 즉, 제1단면적(A1)에 대한 제2단면적(A2)의 비는 2를 초과할 수 있다.
또한, 제2공간부(112)는 유체의 유동방향(D2)을 따라 제1공간부(111)의 하류에 배치되며, 제1공간부(111)와 연통될 수 있다.
제1공간부(111) 및 제2공간부(112)는 유동관(10)의 길이방향(D1)으로 배열될 수 있다. 즉, 제1공간부(111) 및 제2공간부(112)에서 유동하는 유체는 유동관(10)의 길이방향(D1)과 나란하게 유동할 수 있다.
본 실시예에 따른 제1단위셀군(100)은 제1공간부(111) 및 제2공간부(112)가 유동관(10)의 길이방향(D1)을 따라 순차적으로 교차되면서 반복 배열됨으로써, 서로 다른 단면적을 가지는 제1공간부(111) 및 제2공간부(112)를 통하여 음향결정(Phononic crystal)이라 불리는 주기적인 배열 구조를 가질 수 있다.
음파가 제1공간부(111) 및 제2공간부(112)의 주기적인 배열 구조를 지날 시, 각 공간부의 크기, 형상, 배열형태 및 단면적 비에 따라 결정되는 특정 주파수 대역에서 음파 진행의 간섭이 발생하게 된다. 즉, 음파가 서로 다른 단면적을 가지는 인접하는 공간부를 지날 때마다 밴드갭(Acoustic bandgap) 현상이 발생된다. 그리고, 복수의 제1단위셀(110)을 순차적으로 지나면서 발생되는 복수의 밴드갭이 합쳐져서 더욱 넓은 밴드갭이 형성될 수 있다.
이는 복수의 제1단위셀이 서로 연통되지 않고 독립적으로 설치되는 경우와 비교하여, 복수의 제1단위셀(110)이 서로 연통되면서 주기적인 반복 배열 구조를 가지는 경우에는 각 공간부를 지날 때마다 발생되는 밴드갭(Acoustic bandgap)의 중첩 현상으로 인하여 상대적으로 보다 넓은 주파수 대역의 음파가 차단될 수 있다.
한편, 제1공간부(110) 및 제2공간부(120)의 단면적은 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라 적절히 조절될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 제1단면적(A1)에 대한 제2단면적(A2)의 비는 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라 조절될 수 있다.
아래 [수학식 1]은 헬륨홀츠(Helmholtz) 주파수(ｆ) 계산 공식으로, c는 음파의 속도, A는 목(구멍)의 면적, L은 목의 길이, V는 공명실의 부피이다.
[수학식 1]
본 실시예에 따른 제1단위셀(110)을 헬륨홀츠 주파수(ｆ) 계산 공식에 대입해 보면, 감쇠하고자 하는 소음 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우, 제1단면적(A1)에 대한 제2단면적(A2)의 비를 상대적으로 크게 형성하면, 헬름홀츠 공명기의 목의 면적(A)을 상대적으로 작게 설정하거나 공명실의 부피(V)를 상대적으로 크게 설정하는 것과 대응될 수 있다. 따라서 상대적으로 저주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
반대로 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우, 제1단면적(A1)에 대한 제2단면적(A2)의 비를 상대적으로 작게 형성하면, 헬름홀츠 공명기의 목의 면적(A)을 상대적으로 크게 설정하거나 공명실의 부피(V)를 상대적으로 작게 설정하는 것과 대응될 수 있다. 따라서 상대적으로 고주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 제1단위셀군(100)을 형성하는 각 제1단위셀(110)의 제1단면적(A1)에 대한 제2단면적(A2)의 비가 동일한 것으로 설명하였지만, 이와 달리 제1단위셀군(100)을 형성하는 각 제1단위셀(110)의 제1단면적(A1)에 대한 제2단면적(A2)의 비는 서로 다르게 설정될 수도 있다. 이처럼 유체의 유동방향(D2)에 대해 상류 및 하류에 배치되는 각 제1단위셀의 제1단면적(A1)에 대한 제2단면적(A2)의 비를 서로 다르게 설정하면, 각 제1단위셀마다 서로 다른 주파수 대역이 설정될 수 있고, 이로 인한 광대역이 가능해질 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 메타 구조체의 변형예를 나타낸 단면 예시도이다.
먼저, 도 1의 (a)를 참조하면, 복수의 제1공간부(111) 중 유동방향(D2)에 대해 최상류에 배치되는 하나의 제1공간부(111)에는 유입구(111a)가 구비될 수 있다. 이 경우 유입구(111a)를 통해 유입되는 유체는 교대로 배치된 제1공간부(111) 및 제2공간부(112)를 따라 진행하다가, 유동방향(D2)에 대해 최하류에 배치되는 제2공간부(112)에서 반사된 후, 다시 제1공간부(111) 및 제2공간부(112)를 따라 반대방향 진행한 후, 유입구(111a)를 통하여 유동관(10)으로 배출될 수 있다. 이처럼 제1단위셀군(100)을 지나면서 투과 및 반사된 음파로 인하여 유동관(10)의 길이방향(D1)에 대해 유입구(111a) 영역에서 인피더스 부정합(Impedance mismatch)이 형성될 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 복수의 제1공간부(111) 중 유동방향(D2)에 대해 최상류에 배치되는 하나의 제1공간부(111)에는 유입구(111a)가 구비되고, 유동방향(D2)에 대해 최하류에 배치되는 다른 하나의 제1공간부(111)에는 배출구(111b)가 구비될 수도 있다. 이 경우 유입구(111a)를 통해 유입되는 유체는 교대로 배치된 제1공간부(111) 및 제2공간부(112)를 따라 진행한 후 배출구(111b)를 통하여 유동관(10)으로 배출될 수 있다. 이에 따라 제1단위셀군(100)을 지나면서 투과 및 반사된 음파로 인하여 유동관(10)의 길이방향(D1)에 대해 유입구(111a) 및 배출구(111b) 영역에서 인피더스 부정합이 형성될 수 있다.
이와 같이, 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라, 제1단위셀군(100)과 유동관(10) 간의 연통 위치 및 구조는 적절히 변경될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 메타 구조체의 다른 변형예를 나타낸 단면 예시도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 제1단위셀군(100)은 넥확장부재(120)를 더 가질 수 있다.
넥확장부재(120)는 제1공간부(111) 및 제2공간부(112)의 연결부분에 배치될 수 있으며, 제2공간부(112)의 내측을 향해 돌출되도록 연장 형성될 수 있다.
넥확장부재(120)는 제1공간부(111)의 제1단면적(A1)과 동일한 크기의 단면적을 가지면서 유동방향(D2)으로 연장 형성될 수 있다.
이러한 넥확장부재(120)는 제1공간부(111)를 지나는 유체의 유동 경로가 길어지는 효과를 발생시킬 수 있고, 인접하는 제2공간부(112)로 유입되는 유체의 유동 경로가 길어지는 효과를 발생시킬 수 있다.
헬륨홀츠 주파수(ｆ) 계산 공식에 대입해 보면, 넥확장부재(120)가 구비될 경우에는 제1공간부(111)와 대응되는 목의 길이(L: 수학식 1 참조)를 길게 설정하는 것과 대응될 수 있고, 제2공간부(112)와 대응되는 공명실의 부피(V: 수식1 참조)를 크게 설정하는 것과 대응될 수 있다. 따라서 상대적으로 저주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
그리고, 넥확장부재(120)는 음향 메타 구조체의 실질적인 크기 및 형상의 설계 변경이 전혀 고려되지 않기 때문에, 음향 메타 구조체의 소형화가 가능하고, 동일한 크기의 음향 메타 구조체라 하더라도 넥확장부재(120)가 구비될 경우에는 보다 광대역이 가능하다.
또한, 넥확장부재(120)는 제2공간부(112)를 향해 돌출되는 길이(L)가 설정될 수 있는데, 이러한 넥확장부재(120)의 길이(L)는 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라 조절될 수 있다.
만일 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우, 넥확장부재(120)의 길이(L)를 상대적으로 길게 형성하면, 헬름홀츠 공명기의 목의 길이(L: 수학식 1 참조)를 상대적으로 길게 설정하거나 공명실의 부피(V: 수학식 1 참조)를 상대적으로 크게 설정하는 것과 대응될 수 있기 때문에, 상대적으로 저주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
반대로 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우, 넥확장부재(120)의 길이(L)를 상대적으로 짧게 형성하면, 헬름홀츠 공명기의 목의 길이(L: 수학식 1 참조)를 상대적으로 짧게 설정하거나 공명실의 부피(V: 수학식 1 참조)를 상대적으로 작게 설정하는 것과 대응될 수 있기 때문에, 상대적으로 고주파수 대역의 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 메타 구조체의 또 다른 변형예를 나타낸 단면 예시도이고, 도 5는 도 4의 A-A선을 따라 취한 단면 예시도(a 도면)와, B-B선을 따라 취한 단면 예시도(b 도면)이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 메타 구조체는 유동관(10)의 길이방향을 따라 복수 개의 단위셀군이 구비될 수 있다. 즉, 소음 감쇠가 요구되는 유동관(10)의 길이에 따라 복수의 단위셀군을 배열하여 유동관(10)을 유동하는 소음을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 음향 메타 구조체는 유동관(10)의 길이방향(D1)을 따라 이격하여 배치되는 제1단위셀군(100A) 및 제2단위셀군(100B)을 포함할 수 있다.
제1단위셀군(100A) 및 제2단위셀군(100B)의 구성은 전술한 제1단위셀군(100)과 동일한 구성으로 구비될 수 있으며, 중복되는 구성의 설명은 생략한다.
다만, 본 실시예에 따른 제1단위셀군(100A) 및 제2단위셀군(100B)은 주기적인 배열 구조가 서로 다르게 설정될 수 있다. 즉, 제1단위셀군(100A)의 인접하는 공간부가 가지는 단면적의 비와, 제2단위셀군(100B)의 인접하는 공간부가 가지는 단면적의 비가 서로 다르게 설정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1단위셀군(100A)은 복수의 제1단위셀(110A)을 포함하며, 각각의 제1단위셀(110A)은 제1단면적(A1)을 가지는 제1공간부(111A)와, 제1공간부(111A)와 연통되면서 제1단면적(A1)보다 큰 제2단면적(A2)을 가지는 제2공간부(112A)를 포함한다.
제2단위셀군(100B)은 복수의 제2단위셀(110B)을 포함하며, 각각의 제2단위셀(110B)은 제3단면적(A3)을 가지는 제3공간부(111B)와, 제3공간부(111B)와 연통되면서 제3단면적(A3)보다 큰 제4단면적(A4)을 가지는 제4공간부(112B)를 포함한다.
이때, 제1단면적(A1)에 대한 제2단면적(A2)의 비와, 제3단면적(A3)에 대한 제4단면적(A4)의 비는 서로 다르게 설정될 수 있다.
이처럼 제1단위셀군(100A) 및 제2단위셀군(100B)의 주기적인 배열 구조를 서로 다르게 설정함으로써, 제1단위셀군(100A)에 의해서는 제1주파수 대역이 설정될 수 있고, 제2단위셀군(100B)에 의해서는 제1주파수 대역과 다른 제2주파수 대역이 설정될 수 있다.
결과적으로, 서로 다른 제1주파수 대역 및 제2주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭 현상에 의해 저감되므로, 보다 넓은 광대역이 가능해질 수 있다.
도 6의 (a) 도면은 본 발명의 제2실시예에 따른 음향 메타 구조체가 유동관에 설치된 상태를 나타낸 측면 예시도이고, (b) 도면은 (a) 도면의 음향 메타 구조체를 펼친 상태에서 일부분을 확대하여 나타낸 횡단면 예시도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 메타 구조체는 전술한 음향 메타 구조체와 마찬가지로 복수의 제1단위셀(210)을 구비하는 제1단위셀군(200)을 포함한다.
본 실시예에 따른 제1단위셀(210)의 구성은 전술한 제1단위셀(110)과 동일한 구성으로 구비될 수 있으며, 중복되는 구성의 설명은 생략한다.
다만, 본 실시예에 따른 제1단위셀군(200)은 복수의 제1단위셀(210)이 유동관(10)의 둘레를 감싸는 나선 형태로 순차 배열되는 점에서 차이점을 가진다.
즉, 제1단위셀군(200)을 통과하는 유체는 유동관(10)의 길이방향(D1)에 대해 나선 형태의 유동방향(D2)을 형성할 수 있다. 이처럼 유동관(10)에서의 유체 유동방향(D2)과 음향 메타 구조체에서의 유체 유동방향(D1)을 다르게 설정하는 것만으로도 제1실시예에 따른 제1단위셀군(100)과 제2실시예에 따른 제1단위셀군(200)은 서로 다른 주파수 대역의 소음이 감쇠될 수 있다.
또한, 나선형 음향 메타 구조체가 가지는 제1단위셀(200)의 수량, 나선 각도, 피치 및 길이는, 유동관(10)의 길이 및 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라 적절히 조절될 수 있다.
예컨대, 만일 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우에는 나선형 음향 메타 구조체의 피치를 상대적으로 조밀하게 배치할 수 있고, 소음의 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우에는 나선형 음향 메타 구조체의 피치를 상대적으로 넓게 배치할 수 있다.
또한, 도 6에 나타낸 유동관(10)은 원형 단면 형상의 유동관을 보이고 있으나, 이와 달리 사각 형상을 포함한 다각 형상의 유동관이 적용될 수도 있다.
도 7의 (a) 도면은 본 발명의 제3실시예에 따른 음향 메타 구조체가 유동관에 설치된 상태를 나타낸 측면 예시도이고, (b) 도면은 (a) 도면의 A-A선을 따라 취한 단면 예시도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 메타 구조체 역시 전술한 음향 메타 구조체와 마찬가지로 복수의 제1단위셀(310)을 구비하는 제1단위셀군(300)을 포함한다.
본 실시예에 따른 제1단위셀(310)의 구성 역시 전술한 제1단위셀(110,210)과 동일한 구성으로 구비될 수 있으며, 중복되는 구성의 설명은 생략한다.
다만, 본 실시예에 따른 제1단위셀군(300)은 복수의 제1단위셀(310)이 유동관(10)의 둘레를 감싸도록 유동관(10)의 길이방향(D1)에 교차하는 방향을 따라 순차적으로 배열되는 점에서 차이점을 가진다.
즉, 제1단위셀군(300)을 통과하는 유체는 유동관(10)의 길이방향(D1)에 교차하는 방향으로 유체가 유동될 수 있다. 이처럼 유동관(10)에서의 유체 유동방향과 음향 메타 구조체에서의 유체 유동방향(D2)을 다르게 설정하는 것만으로 제1,2실시예에 따른 제1단위셀군(100,200)과, 제3실시예에 따른 제1단위셀군(300)은 서로 다른 주파수 대역의 소음이 감쇠될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 음향 메타 구조체가 가지는 제1단위셀(310)의 수량 역시 유동관(10)의 길이 및 감쇠하고자 하는 소음의 타겟 주파수에 따라 적절히 조절될 수 있다.
또한, 도 7에 나타낸 유동관(10)은 사각 단면 형상의 유동관을 보이고 있으나, 이와 달리 원형 형상 또는 다각 형상의 유동관이 적용될 수도 있다.
또한, 본 실시예에 따른 제1단위셀군(300)은 유동관(10)의 길이방향(D1)에 수직 교차하는 방향으로 배열되기 때문에, 유동관(10)의 길이방향(D1)에 대한 음향 메타 구조체의 소형화에 더욱 기여할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 음향 메타 구조체의 변형예를 나타낸 단면 예시도이다.
먼저, 도 7의 (b)를 참조하면, 복수의 제1공간부(311) 중 유동방향(D2)에 대해 최상류에 배치되는 하나의 제1공간부(311)에는 유입구(311a)가 구비될 수 있다. 이 경우 유입구(311a)를 통해 유입되는 유체는 교대로 배치된 제1공간부(311) 및 제2공간부(312)를 따라 진행하다가, 유동방향(D2)에 대해 최하류에 배치되는 제2공간부(312)에서 반사된 후, 다시 제1공간부(111) 및 제2공간부(112)를 따라 반대방향 진행한 다음 유입구(311a)를 통하여 유동관(10)으로 배출될 수 있다.
한편, 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 단위셀군(300)은 유동관(10)의 둘레를 완전히 감싸도록 링 형상으로 구비될 수 있는데, 이때 유체의 유동방향(D2)에 대해 최상류에 배치되는 제1공간부(311)와 최하류에 배치되는 제2공간부(312)는 서로 연통될 수 있다.
즉, 복수의 제1공간부(311) 중 유동방향(D2)에 대해 최상류에 배치되는 하나의 제1공간부(311)에는 유입구(311a)가 구비될 수 있고, 이때 최하류에 배치되는 제2공간부(312)는 유입구(311a)를 구비하는 제1공간부(311)와 연통될 수 있다. 이에 따라 유입구(311a)를 통해 유입되는 유체는 교대로 배치된 제1공간부(311) 및 제2공간부(312)에서 계속해서 순환될 수 있다. 이 경우 무한한 주기적인 배열 구조에 준하는 음향 밴드갭이 형성 및 합쳐질 수 있기 때문에, 더욱 넓은 밴드갭이 형성될 수 있고, 이로 인하여 보다 넓은 주파수 대역의 음파가 차단될 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 음향 메타 구조체는 복수의 단위셀들의 주기적인 배열 구조에 의하여 넓은 음향 밴드갭이 형성될 수 있고, 넓은 음향 밴드갭 현상에 의하여 넓은 주파수 대역에서 소음이 효과적으로 감쇠될 수 있다.
또한, 소음 감쇠가 요구되는 유동관(10)의 사양에 따라 복수의 단위셀이 가지는 주기적 배열 구조를 길이방향, 나선방향, 또는 길이방향에 교차하는 방향으로 적절히 변경할 수 있기 때문에, 음향 메타 구조체의 호환성과, 음향 메타 구조체를 포함한 소음 감쇠 장치의 소형화 및 경량화에 기여할 수 있다.
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.
10: 유동관
100,200,300: 제1단위셀군
110,210,310: 제1단위셀
111,211,311: 제1공간부
112,212,312: 제2공간부

Claims (10)

  1. 제1단면적을 가지는 제1공간부와, 상기 제1공간부와 연통되면서 상기 제1공간부를 따라 유동하는 유체의 유동방향에 대해 직교하는 양측 방향으로 연장되어 상기 제1단면적보다 큰 제2단면적을 가지고, 상기 유동방향을 따라 하류에 배치되는 제1공간부와 연통되는 제2공간부를 구비하는 제1단위셀;을 복수 개 포함하고,
    복수의 제1단위셀은 유체가 유동하는 유동관의 길이방향을 따라 순차적으로 배열되며,
    복수의 제1단위셀 중 적어도 하나의 제1공간부는 상기 유동관의 길이방향에 대해 직교하는 유입구를 통해 상기 유동관과 연통되고,
    상기 유입구로 유입된 유체는 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행되며,
    상기 제1공간부 및 상기 제2공간부의 주기적인 배열 구조에 의해 결정되는 주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭(Acoustic bandgap) 현상에 의해 저감되는 것을 특징으로 하는 음향 메타 구조체.
  2. 제1단면적을 가지는 제1공간부와, 상기 제1공간부와 연통되면서 상기 제1공간부를 따라 유동하는 유체의 유동방향에 대해 직교하는 양측 방향으로 연장되어 상기 제1단면적보다 큰 제2단면적을 가지고, 상기 유동방향을 따라 하류에 배치되는 제1공간부와 연통되는 제2공간부를 구비하는 제1단위셀;을 복수 개 포함하고,
    복수의 제1단위셀은 유체가 유동하는 유동관의 둘레를 감싸는 나선 형태로 순차적으로 배열되며,
    복수의 제1단위셀 중 적어도 하나의 제1공간부는 상기 유동관의 길이방향에 대해 직교하는 유입구를 통해 상기 유동관과 연통되고,
    상기 유입구로 유입된 유체는 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행되며,
    상기 제1공간부 및 상기 제2공간부의 주기적인 배열 구조에 의해 결정되는 주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭(Acoustic bandgap) 현상에 의해 저감되는 것을 특징으로 하는 음향 메타 구조체.
  3. 제1단면적을 가지는 제1공간부와, 상기 제1공간부와 연통되면서 상기 제1공간부를 따라 유동하는 유체의 유동방향에 대해 직교하는 양측 방향으로 연장되어 상기 제1단면적보다 큰 제2단면적을 가지고, 상기 유동방향을 따라 하류에 배치되는 제1공간부와 연통되는 제2공간부를 구비하는 제1단위셀;을 복수 개 포함하고,
    복수의 제1단위셀은 유체가 유동하는 유동관의 둘레를 감싸도록 상기 유동관의 길이방향에 교차하는 방향을 따라 순차적으로 배열되며,
    복수의 제1단위셀 중 적어도 하나의 제1공간부는 상기 유동관의 길이방향에 대해 직교하는 유입구를 통해 상기 유동관과 연통되고,
    상기 유입구로 유입된 유체는 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행되며,
    상기 제1공간부 및 상기 제2공간부의 주기적인 배열 구조에 의해 결정되는 주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭(Acoustic bandgap) 현상에 의해 저감되는 것을 특징으로 하는 음향 메타 구조체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1단면적에 대한 상기 제2단면적의 비는 2를 초과하는 것을 특징으로 하는 음향 메타 구조체.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1단면적에 대한 상기 제2단면적의 비는 감쇠하고자 하는 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우에는 상대적으로 크게 형성되고, 상기 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우에는 상대적으로 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타 구조체.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입구로 유입된 유체는 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행하다가 최하류에 배치된 제2공간부에서 반사된 후 다시 상기 유입구 측으로 진행되는 것을 특징으로 하는 음향 메타 구조체.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 유입구로 유입된 유체는 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부에서 순환되는 것을 특징으로 하는 음향 메타 구조체.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2공간부의 내측을 향해 돌출되도록 연장 형성되는 넥확장부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 메타 구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 넥확장부재의 길이는 감쇠하고자 하는 타겟 주파수가 상대적으로 낮을 경우에는 상대적으로 길게 형성되고, 상기 타겟 주파수가 상대적으로 높을 경우에는 상대적으로 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타 구조체.
  10. 제1단면적을 가지는 제1공간부와, 상기 제1공간부와 연통되면서 상기 제1공간부를 따라 유동하는 유체의 유동방향에 대해 직교하는 양측 방향으로 연장되어 상기 제1단면적보다 큰 제2단면적을 가지고, 상기 유동방향을 따라 하류에 배치되는 제1공간부와 연통되는 제2공간부를 구비하는 제1단위셀을 복수 개 포함하고, 복수의 제1단위셀 중 적어도 하나의 제1공간부는 유동관의 길이방향에 대해 직교하는 제1유입구를 통해 상기 유동관과 연통되며, 상기 제1유입구로 유입된 유체가 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행되는 제1단위셀군; 및
    제3단면적을 가지는 제3공간부와, 상기 제3공간부와 연통되면서 상기 제3공간부를 따라 유동하는 상기 유동방향에 대해 직교하는 양측 방향으로 연장되어 상기 제3단면적보다 큰 제4단면적을 가지고, 상기 유동방향을 따라 하류에 배치되는 제3공간부와 연통되는 제4공간부를 구비하는 제2단위셀을 복수 개 포함하고, 복수의 제2단위셀 중 적어도 하나의 제3공간부는 상기 유동관의 길이방향에 대해 직교하는 제2유입구를 통해 상기 유동관과 연통되며, 상기 제2유입구로 유입된 유체가 교대로 배치된 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 따라 진행되는 제2단위셀군;을 포함하며,
    상기 제1단위셀군 및 상기 제2단위셀군은 상기 유동관의 길이방향을 따라 이격하여 배치되고,
    상기 제1단면적에 대한 상기 제2단면적의 비와, 상기 제3단면적에 대한 상기 제4단면적의 비는 서로 다르며,
    상기 제1단위셀군의 주기적인 배열 구조에 의해 결정되는 제1주파수 대역의 소음과, 상기 제2단위셀군의 주기적인 배열 구조에 의해 결정되는 상기 제1주파수 대역과 다른 제2주파수 대역의 소음이 음향 밴드갭(Acoustic bandgap) 현상에 의해 저감되는 것을 특징으로 하는 음향 메타 구조체.
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