KR102613018B1 - 덕트의 소음을 저감하는 메타라이너 - Google Patents

덕트의 소음을 저감하는 메타라이너 Download PDF

Info

Publication number
KR102613018B1
KR102613018B1 KR1020210163725A KR20210163725A KR102613018B1 KR 102613018 B1 KR102613018 B1 KR 102613018B1 KR 1020210163725 A KR1020210163725 A KR 1020210163725A KR 20210163725 A KR20210163725 A KR 20210163725A KR 102613018 B1 KR102613018 B1 KR 102613018B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metaliner
neck
resonator
resonators
duct
Prior art date
Application number
KR1020210163725A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230076619A (ko
Inventor
전원주
김지완
오태석
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020210163725A priority Critical patent/KR102613018B1/ko
Publication of KR20230076619A publication Critical patent/KR20230076619A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102613018B1 publication Critical patent/KR102613018B1/ko

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/02Silencing apparatus characterised by method of silencing by using resonance
    • F01N1/023Helmholtz resonators
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/12Intake silencers ; Sound modulation, transmission or amplification
    • F02M35/1255Intake silencers ; Sound modulation, transmission or amplification using resonance
    • F02M35/1261Helmholtz resonators
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/172Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using resonance effects
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K2210/00Details of active noise control [ANC] covered by G10K11/178 but not provided for in any of its subgroups
    • G10K2210/10Applications
    • G10K2210/112Ducts
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K2210/00Details of active noise control [ANC] covered by G10K11/178 but not provided for in any of its subgroups
    • G10K2210/30Means
    • G10K2210/321Physical
    • G10K2210/3214Architectures, e.g. special constructional features or arrangements of features
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K2210/00Details of active noise control [ANC] covered by G10K11/178 but not provided for in any of its subgroups
    • G10K2210/30Means
    • G10K2210/321Physical
    • G10K2210/3227Resonators
    • G10K2210/32272Helmholtz resonators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Exhaust Silencers (AREA)

Abstract

본 발명은, 중공부를 가지는 덕트의 소음을 저감하도록, 상기 덕트의 중공부로 일단이 개구된 목과 상기 목의 타단에 연결되는 캐비티를 가지는 복수의 공명기; 및 상기 덕트의 중공부를 복수의 단위중공부로 분할하는 분할부재;를 포함하고, 상기 분할부재가 공명기를 포함하여 상기 단위중공부의 내주면을 따라 복수의 공명기가 배치됨에 따라, 유동 저항을 최소화하면서 덕트의 소음 저감 성능이 우수한 메타라이너에 관한 것이다.

Description

덕트의 소음을 저감하는 메타라이너{METALINER FOR REDUCING DUCT NOISE}
본 발명은 메타라이너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 덕트 내부에서 발생되는 소음을 차단하도록 복수의 헬름홀츠 공명기를 포함하는 메타라이너에 관한 것이다.
차량의 배기구, 비행체의 엔진, 가전제품, 냉각탑 및 발전소에 이르기까지 여러 제품과 설비에서는 흡기, 배기, 냉각, 압축 등의 과정에서 덕트 내에서 유체가 흐르도록 형성된다. 이에 따라 상기 덕트에서는 유체 뿐만 아니라 소음이 전파가 되는 문제가 발생함에 따라, 종래에는 소음 저감 설비가 덕트에 설치되어 소음을 저감하도록 제공되었다.
상기 소음 저감 설비는 크게 반사형과 흡음형으로 나뉠 수 있다. 이때 머플러와 같은 반사형 소음 저감 설비는 음향 임피던스의 변화를 이용해 소음을 음원 쪽으로 반사하는 기술로, 작동 주파수의 범위가 좁고 발생한 소음이 음원 쪽으로 반사되어 반사파의 크기를 감소시키지 못하는 단점이 있다. 그리고 흡음 루버, 음향라이너와 같은 흡음형 소음 저감 설비는 전파되는 소음을 흡수한 뒤 열 에너지로 소산시키는 기술로, 파장이 긴 저주파수 소음을 저감하기 위해서는 두꺼운 재료의 사용이 불가피하다. 그리고 이러한 종래의 소음 저감 설비들은 덕트에 설치되는 경우에 유동 저항이 가중되는 문제가 있었다.
이를 해결하기 위해 한국공개특허공보 제10-2005-0013325호("공명기배열을 이용한 소음저감장치", 2005.02.04. 공개)에서는 도 1에서 도시된 바와 같이 배관(1)을 통해 전파되는 소음을 제거하는 소음저감장치로서, 상기 배관(1)에 설치되는 각기 다른 주파수영역을 갖는 복수의 공명기(2)를 포함하고, 이 공명기(2)가 배관(1)의 길이방향(직렬)과 둘레방향(병렬)으로 배치된 기술이 개시되어 있다. 이는 설치공간을 최소화하면서도 보다 넓은 주파수대역에서의 소음을 저감할 수 있는 장점이 있다.
다만, 덕트는 설치되는 장소나 제품에 따라 다양한 크기로 형성되며, 덕트 내부의 유로 단면적이 큰 경우에는 흡음률 및 투과 손실 감소로 인해 소음 저감 성능이 저하가 되는 문제점으로 이어졌다. 이에 현재는 흡음형 소음 저감 설비에서 두께가 얇아 부피가 작으면서도 넓은 면적의 덕트에 적용하여도 소음 저감 성능이 우수한 설비가 요구되고 있는 실정이다.
KR 10-2005-0013325 A (2005.02.04. 공개)
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 분할부재를 이용하여 덕트의 중공을 복수의 단위중공부로 분할하되, 복수의 단위중공부의 내주면과 길이를 따라 복수의 공명기를 배치되어 유동 저항을 최소화하면서 소음 저감 기능을 극대화 시키는 메타라이터를 제공하기 위한 목적을 가진다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 중공부를 가지는 덕트의 소음을 저감하는 메타라이너에 있어서, 상기 덕트의 중공부로 일단이 개구된 목과 상기 목의 타단에 연결되는 캐비티를 가지는 복수의 공명기; 및 상기 덕트의 중공부를 복수의 단위중공부로 분할하는 분할부재;를 포함하고, 상기 분할부재가 공명기를 포함하여 상기 단위중공부의 내주면을 따라 복수의 공명기가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메타라이너는, 상기 분할부재가 제1단위중공부 및 제2단위중공부를 포함하도록 상기 덕트의 중공부를 양측으로 분할하되, 상기 분할부재는 상기 제1단위중공부로 목이 개구되는 공명기와, 상기 제2단위중공부로 목이 개구되는 공명기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메타라이너는, 복수의 서로 다른 공명기가 덕트의 길이방향을 따라 배치되어 복수의 열로 형성되는 것을 특징으로 하는 메타라이너.
또한, 본 발명에 따른 메타라이너는, 상기 분할부재가 유선형으로 이루어져, 복수의 열로 배열된 공명기들의 목 반경, 목 길이와 캐비티의 부피가 서로 다르도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메타라이너는, 상기 분할부재가 선단의 일정영역에서 후단으로 갈수록 두께가 작아지는 유선형으로 형성되되, 상기 선단의 일정영역을 기준으로 후단으로 갈수록 공명기의 목 반경, 목 길이와 캐비티의 부피가 작아질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메타라이너는, 인접한 복수의 공명기들 중 일부가 반대위상으로 공명하는 주파수 영역을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메타라이너는, 복수의 공명기들 중 인접한 한 쌍의 공명기가 아래의 식을 만족하는 공명주파수 영역(
Figure 112021135959504-pat00001
)을 각각 가질 수 있다.
Figure 112021135959504-pat00002
(여기에서,
Figure 112021135959504-pat00003
: 하나의 공명기의 공명주파수 영역,
Figure 112021135959504-pat00004
: 다른 하나의 공명기의 공명주파수 영역,
Figure 112021135959504-pat00005
: 목표주파수)
또한, 본 발명에 따른 메타라이너는, 상기 분할부재는 양단이 상기 덕트의 내주면에 고정되되, 상기 분할부재에 고정되어 공명기가 내장되는 보조몸체;를 더 포함할 수 있다.
아울러 상술한 메타라이너의 설계방법은, 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00006
), 주파수 대역폭(
Figure 112021135959504-pat00007
) 및 목표 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00008
)을 설정하는 단계; 한 쌍의 공명기의 캐비티 크기를 고정하고 한 쌍의 공명기 각각의 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00009
)을 조절하여 상기 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00010
)에 따른 투과손실 스펙트럼을 산출하는 단계; 및 아래의 식을 만족하는 설정주파수(
Figure 112021135959504-pat00011
) 범위에서 목표 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00012
) 보다 큰 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00013
)을 가지는 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00014
)을 선정하는 단계;를 포함할 수 있다.
Figure 112021135959504-pat00015
또한, 본 발명에 따른 메타라이너의 설계방법은, 복수의 목 반경이 선정되면, 다수의 유속조건별로 투과손실 스펙트럼을 산출하여, 다수의 유속조건에 대해 설정주파수(
Figure 112021135959504-pat00016
) 범위에서 투과 손실이 목표 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00017
) 보다 큰 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00018
)을 선정할 수 있다.
본 발명에 따른 메타라이너는, 분할부재를 통해 구획된 단위중공부 각각에 공명기가 설치됨에 따라 유동 저항은 최소화하면서도 소음 저감 기능이 극대화될 수 있는 장점이 있다.
아울러 본 발명에 따른 메타라이너는 인접한 한 쌍의 공명기가 목표주파수의 주파수 대역폭 내에서 반대 위상으로 공명하여 목표주파수에서 반사파와 투과파의 에너지 합이 최소가 되도록 하면서도 얇은 두께로 보다 넓은 대역의 소음 저감 능력을 가진 장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 소음저감장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 메타라이너를 부분 절개한 사시도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 메타라이너의 소음 저감 효율을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 공간을 도식화한 메타라이너의 사시도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 공명기의 공간을 도식화한 사시도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 메타라이너의 투과손실과 흡음률을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 대면적을 갖는 메타라이너의 사시도.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 메타라이너의 사시도.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 메타라이너의 투과손실과 흡음률을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 제1실시예와 제2실시예 간의 대면적 상황에서의 음압 레벨 크기를 비교한 도면.
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 메타라이너의 사시도.
도 13은 본 발명의 제4실시예에 따른 메타라이너의 사시도.
도 14는 본 발명의 제4실시예에 따른 메타라이너의 유선형 분할부재와 편평형 분할부재를 비교한 도면.
도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 공명기의 목 반경에 따른 유효 임피던스의 실수부와 허수부를 도시한 도면.
도 16은 본 발명의 메타라이터의 설계방법에 따른 투과손실 스펙트럼과 유효 임피던스의 실수부 및 허수부를 각각 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 메타라이터의 설계방법에 따른 배경 유속별 목 반경과 평균 투과손실을 나타낸 도면.
도 18은 본 발명의 메타라이터의 설계방법에 따른 플로차트.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 메타라이너와 메타라이너의 설계방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
[메타라이너]
<제1실시예>
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 메타라이너에 관한 것으로, 도 2는 메타라이너를 부분 절개한 사시도를, 도 3은 메타라이너의 소음 저감 효율을 나타낸 도면을 각각 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 메타라이너(100)는 유체가 흐를 수 있도록 내부에 중공부(11)를 가지는 덕트(10)에 설치될 수 있으며, 덕트(10)의 벽면을 관통하는 목(111)과 덕트(10)의 외주면에 배치되는 캐비티(112)를 가지는 복수의 공명기(110)를 포함할 수 있다. 여기서 복수의 상기 공명기(110)는, 덕트(10)의 둘레방향을 따라서 복수 개가 배치될 수 있으며, 덕트(10)의 길이방향으로도 복수 개가 배치되어 다중 열로 구성될 수 있다. 이때 상기 공명기(110)는 인접한 한 쌍의 목 반경을 조절하여 서로 다른 공명 주파수를 가지도록 설계된다. 또한, 두께를 최소화한 캐비티(112)를 가지도록 설계될 수도 있으며, 덕트(10)의 중공부(11)에서 흐르는 유체에 대한 유동저항은 없으면서 스치듯이 입사하는 소음을 흡수하여 투과음과 반사음을 동시에 저감하는 불투과-무반사를 달성하도록 제공될 수도 있다.
도 3을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 메타라이너(100)는 복수의 상기 공명기(110)가 각 목표 주파수(
Figure 112021135959504-pat00019
)와 소정 수치 가량 차이 나는 공명 주파수를 가져 서로 반대위상으로 공명하는 적어도 한 쌍의 아파장 크기의 공명기(110)를 포함함에 따라 입사파 파장의 대략 1/24배 수준의 두께로도 보다 넓은 주파수 대역에서 높은 투과손실(Transmission Los,
Figure 112021135959504-pat00020
)의 달성이 가능한 장치를 제공할 수도 있다.
도 4에서 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 메타라이너에 관한 것으로, 도 4는 공간을 도식화한 메타라이너의 사시도를, 도 5는 공명기의 공간을 도식화한 사시도를, 도 6과 도 7은 단일 주파수 혹은 이중 주파수를 목표로 설계된 메타라이너의 투과손실과 흡음률을 나타낸 도면을 각각 나타낸다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 덕트(10)의 중공부(11)는 도시된 바와 같이 소정 너비(W), 폭(D), 그리고 길이(L)를 가질 수 있으며, 복수의 상기 공명기(110)는 상기 중공부(11)의 길이(L)와 폭(D)을 따라 배열된 4개의 서로 다른 공명기를 포함할 수 있다. 여기서 4개의 공명기는 각각 제1공명기(110a), 제2공명기(110b), 제3공명기(110c) 및 제4공명기(110d)로 정의하여 설명한다.
제1공명기(110a), 제2공명기(110b), 제3공명기(110c) 및 제4공명기(110d)는 각각 목(111)과 캐비티(112)를 가질 수 있으며, 목(111)의 반경 또는 직경에 따른 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00021
)과 흡음 성능을 수치해석하기 위해 각각의 캐비티(112)의 크기와 목의 길이는 아래의 표 1과 같이 정의될 수 있다.
구 분 수치(단위 : mm)
중공부의 너비(W) 107.2
중공부의 폭(D) 42.9
중공부의 길이(L) 214.5
캐비티의 면적(a×a) 19.5 × 19.5
캐비티의 높이(b) 12.6
목의 길이(l) 5
여기서 단일 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00022
)가 설정되는 경우에서 인접한 공명기가 서로 다른 위상으로 공명하기 위해, 제1공명기(110a), 제2공명기(110b), 제3공명기(110c) 및 제4공명기(110d) 각각의 목의 직경(d1, d2, d3, d4) 중제1공명기(110a)의 목의 직경(d1)과, 제3공명기(110c)의 목의 직경(d3)이 동일하고, 제2공명기(110b)의 목의 직경(d2)과, 제4공명기(110d)의 목의 직경(d4)이 동일하도록 설계되어, 상기 제1공명기(110a)와 제3공명기(110c)의 공명주파수가 서로 동일하고 제2공명기(110b)와 제4공명기(110d)의 공명주파수가 서로 동일하도록 설계될 수 있다. 그리고 상기 제1공명기(110a)의 목의 직경(d1)과 상기 제2공명기(110b)의 목의 직경(d2)은 서로 상이하게 설계되되, 각각의 공명주파수가 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00023
)에서 소정 수치만큼 가감되도록 설계될 수 있다. 이는 도 6에서 도시된 바와 같이 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00024
)가 1000 Hz인 상황에서 상기 제1공명기(110a)의 목의 직경(d1)과 상기 제2공명기(110b)의 목의 직경(d2)이 각각 4.06 mm 및 4.38 mm로 설계되어 93 dB/m의 높은 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00025
)을 달성함과 동시에 소음 에너지를 매우 높은 흡음률(α)로 흡수하도록 설계될 수 있다. 이때 장치의 두께는 입사파 파장 대비 1/20 수준으로 보다 소형화될 수 있으며, 93 dB/m 이상의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00026
)을 달성하는 주파수 대역폭(
Figure 112021135959504-pat00027
) 또한 112 Hz(중심주파수
Figure 112021135959504-pat00028
= 1019 Hz 기준
Figure 112021135959504-pat00029
= 0.11)로 보다 넓은 소음 저감 대역폭을 가질 수 있다. 이때 흡음률(α)은 반사 계수(
Figure 112021135959504-pat00030
)와 투과계수(
Figure 112021135959504-pat00031
)에 대해 아래의 수학식 1에 따라 산출될 수 있다.
Figure 112021135959504-pat00032
즉, 상기 덕트(10)의 중공부(11) 내부에서 반사파와 투과파를 동시에 제어함으로써 보다 낮은 반사 계수(
Figure 112021135959504-pat00033
)와, 투과계수(
Figure 112021135959504-pat00034
)를 얻도록 설계되어, 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00035
)에서 1에 가까운 우수한 흡음성능을 달성할 수 있다. 여기서 보다 높은 성능으로 제공하기 위해 상기 제1공명기(110a)와 제3공명기(110c) 또는 상기 제2공명기(110b)와 제4공명기(110d)는 동일한 공명주파수에서 서로 반대 위상으로 공명하는 아파장 크기의 공명기로 형성될 수도 있다.
이어 이중의 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00036
)가 설정되는 경우에서, 제1공명기(110a), 제2공명기(110b), 제3공명기(110c) 및 제4공명기(110d)는 서로 다른 목의 직경(d1, d2, d3, d4)을 가질 수 있다. 이때 상기 제1공명기(110a)와 제2공명기(110b)는 하나의 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00037
)에서 서로 반대 위상으로 공명하고 상기 제3공명기(110c)와 제4공명기(110d)는 다른 하나의 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00038
)에서 서로 반대 위상으로 공명하도록 설계될 수 있으며, 예시로 하나의 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00039
)는 800 Hz으로 다른 하나의 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00040
)는 1030 Hz로 설정될 수 있다. 그리고 상기 제1공명기(110a)의 목의 직경(d1)은 3.26 mm로, 상기 제2공명기(110b)의 목의 직경(d2)은 3.12 mm로, 상기 제3공명기(110c)의 목의 직경(d3)은 4.14 mm로, 상기 제4공명기(110d)의 목의 직경(d4)은 4.34 mm로 각각 설정될 수 있다. 이는 도 7에서 도시된 바와 같이 이중의 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00041
)인 800 Hz와 1030 Hz에서 각각 68 dB/m와 99 dB/m의 높은 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00042
)을 달성함과 동시에 소음에너지를 0.95 이상의 흡음률로 흡수할 수 있다. 이때 800 Hz인 하나의 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00043
) 기준, 장치의 두께는 입사파 파장 대비 1/24수준이다. 그리고 800 Hz인 하나의 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00044
)에 대해 68 dB/m 이상의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00045
)을 달성하는 주파수 대역폭(
Figure 112021135959504-pat00046
)은 46 Hz(중심주파수
Figure 112021135959504-pat00047
= 802 Hz 기준
Figure 112021135959504-pat00048
= 0.06)이며, 1030 Hz인 다른 하나의 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00049
)에 대해 99 dB/m 이상의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00050
)을 달성하는 주파수 대역폭(
Figure 112021135959504-pat00051
)은 65Hz(중심주파수
Figure 112021135959504-pat00052
= 1030 Hz 기준
Figure 112021135959504-pat00053
= 0.06)로 이중 주파수 대역의 소음도 효과적으로 차단될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 메타라이너에 관한 것으로, 도 8은 대면적을 갖는 메타라이너의 사시도를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 메타라이너(100)는 하나 이상의 단위중공부(C)를 포함하고 복수의 공명기(110)가 벽에 내장되는 별도의 몸체부(100a)를 포함할 수 있으며, 기 설치된 구조에 삽입되어 덕트로 구성될 수도 있다. 혹은 상술한 바와 같이 덕트의 관에 공명기(110)의 목이 관통된 형태로 체결되도록 구성될 수도 있다. 이때 본 발명에 따른 메타라이너(100)는 보다 넓은 유동 면적을 가지는 상황에서도 소음 저감 성능이 우수하도록 복수의 단위중공부(C)를 포함할 수도 있으며, 이는 후술하는 제2실시예에서 보다 상세히 설명한다.
<제2실시예>
도 9 및 도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 메타라이너에 관한 것으로, 도 9는 메타라이너의 사시도를, 도 10은 메타라이너의 투과손실과 흡음률을 나타낸 도면을 각각 나타낸다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 메타라이너(100)는 유로를 구획화하여 복수의 단위중공부를 형성하도록 적어도 하나 이상의 분할부재(100b)를 더 포함할 수도 있다. 도 9에서는 한 쌍의 분할부재(100b)를 통해 너비 및 폭 방향으로 각각 구획하여 4개의 단위중공부(C1, C2, C3, C4)를 포함하는 것으로 예거하고 있다. 이때 상기 분할부재(100b)는 4개의 단위중공부(C1, C2, C3, C4) 중에서 인접한 곳으로 개구된 목을 가지는 한 쌍의 공명기(110)를 가질 수 있다. 즉, 하나의 분할부재(100b)가 폭 방향인 좌우측으로 제1단위중공부(C1)와 제2단위중공부(C2)로 분할하는 경우에, 상기 분할부재(100b)에 좌우방향으로 개구된 한 쌍의 공명기(110)가 상하방향으로 배열된 형태로 내장될 수 있다. 또한, 다른 하나의 분할부재(100b)가 높이 방향인 상하측으로 제3단위중공부(C3)와 제4단위중공부(C4)로 분할하는 경우에, 상기 분할부재(100b)에 상하방향으로 개구된 한 쌍의 공명기(110)가 좌우방향으로 배열된 형태로 내장될 수 있다. 이에 따라 메타라이너(100)의 몸체부(100a)에 삽입된 공명기(110)와, 상기 분할부재(100b)에 삽입된 공명기(110)는 4개의 단위중공부(C1, C2, C3, C4) 각각에서 둘레 방향을 따라 배열된 형태로 배치될 수 있다. 나아가 상기 공명기(110)는 길이방향인 전후방향으로 다수 열로 배열될 수 있다.
이와 같은 구조를 가지는 메타라이너(100)의 성능을 평가하기 위해, 상술한 바와 같이 몸체부(100a)를 포함하는 경우에 아래 표 2와 같은 수치로 구성될 수 있다.
구 분 수치(단위 : mm)
몸체부의 너비(W) 629
몸체부의 폭(D) 629
몸체부의 길이(L) 406
캐비티의 면적(a×a) 24.3 × 24.3
캐비티의 높이(b) 22
목의 길이(l) 7
이때 너비 또는 폭과, 길이방향으로 배열된 4개의 공명기(110a, 110b, 110c, 110d)는 단일 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00054
)인 500 Hz에 대한 소음 저감 성능을 평가하도록, 제1공명기(110a)의 목의 직경(d1)과 제3공명기(110c)의 목의 직경(d3)은 3.6 mm로, 제2공명기(110b)의 목의 직경(d2)과 제4공명기(110d)의 목의 직경(d4)은 4 mm로 각각 설정될 수 있다.
도 10에서 도시된 바와 같이, 분할부재(100b)가 포함된 메타라이너(100)는 표 1에 대비하여 보다 넓은 너비와 높이를 가지는 구조에 대해서도 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00055
)인 500 Hz에서 46 dB/m의 높은 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00056
)을 달성함과 동시에 0.9 이상인 높은 흡음률(α)을 가지는 것으로 나타난다. 이때 장치의 두께는 입사자 파장 대비 1/24으로 보다 얇게 설계될 수 있어 분할부재(100b)의 두께를 줄여 유동 저항을 최소화하는 장점이 있다. 그리고 46 dB/m 이상의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00057
)을 달성하는 주파수 대역폭(
Figure 112021135959504-pat00058
)은 94 Hz(중심주파수
Figure 112021135959504-pat00059
= 511 Hz 기준
Figure 112021135959504-pat00060
= 0.18)로 설치 면적이 넓어지더라도 본 발명의 장치가 넓은 주파수 대역의 소음을 차단할 수 있음이 나타난다.
제1실시예와 제2실시예에서 서술한 복수의 공명기들은 혼합공명을 위해서 인접한 한 쌍의 공명기가 아래의 수학식 2에 따라 설계될 수 있다.
Figure 112021135959504-pat00061
(여기에서,
Figure 112021135959504-pat00062
: 하나의 공명기의 공명주파수 영역,
Figure 112021135959504-pat00063
: 다른 하나의 공명기의 공명주파수 영역,
Figure 112021135959504-pat00064
: 목표주파수)
도 11은 본 발명의 제1실시예와 제2실시예 간의 대면적 상황에서의 음압 레벨 크기를 비교한 도면을 나타낸다.
도 11을 참조하면, 설치 면적이 넓은 대상에 적용하는 경우에 스플리터(Splitter) 기능을 갖는 분할부재(100b)를 포함하는 메타라이너(100)가, 상기 분할부재(100b)가 없는 메타라이너(100) 보다 우수한 성능을 가지는 것을 알 수 있다. 특히 목표주파수인 500 Hz의 소음은 406 mm의 거리를 통과한 뒤에 두 구조 간의 차이는 보다 극명하게 차이가 나며, 최대 12 dB 가량의 차이가 나는 것으로 산출되었다. 아울러 500 Hz에서의 흡음률 또한 상기 분할부재(100b)가 없는 메타라이너(100)의 경우에는 0.81로 분할부재(100b)를 포함하는 격자형 메타라이너의 0.91 보다 약 11% 가량이 감소하는 것을 알 수 있다. 이처럼 상기 분할부재(100b)는 넓은 면적을 갖는 대상에 적용되면 보다 뛰어난 소음 저감 성능을 가지는 것을 알 수 있다.
<제3실시예>
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 메타라이너에 관한 것으로, 도 12-(a)에서 도 12-(c)는 다양한 형상에 따른 메타라이너의 사시도를 각각 나타낸다.
도 12-(a)를 참조하면, 본 발명에 따른 메타라이너(100)는 상기 분할부재(100b)가 폭 또는 높이 방향으로 서로 다른 개수로 배치되어 복수의 단위중공부(C)의 배열을 가변하도록 구성될 수 있다. 예거하자면, 좌우측으로 2개의 분할부재(100b)가 배치되고 상하측으로 1개의 분할부재(100b)가 배치되어 6개의 단위중공부(C)가 관통될 수 있다.
도 12-(b)를 참조하면, 본 발명에 따른 메타라이너(100)는 몸체부(100a)의 형상이 폭과 높이을 가지는 직사각형 단면뿐만 아니라 다각형, 원형, 타원형 등의 여러 형태의 구조에 적용되도록 형성될 수 있다. 그리고 상기 분할부재(100b)의 양단은 덕트의 중공부로 형성되는 상기 몸체부(100a)의 내부면에 각각 고정된 형태일 수 있다.
도 12-(c)를 참조하면, 본 발명에 따른 메타라이너는 몸체부(100a)의 내주면에 고정된 분할부재(100b)와 더불어, 상기 분할부재(100b)에 고정된 보조몸체(100c)를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 보조몸체(100c)의 일 예로 상기 몸체부(100a)의 단면적이 축소된 형태로 설계될 수도 있으며, 이 외에도 다양한 형상으로 변형될 수 있다.
<제4실시예>
도 13에서 도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 메타라이너에 관한 것으로, 도 13은 메타라이너의 사시도와 요부확대도를, 도 14는 유선형 분할부재와 편평형 분할부재를 비교한 도면을, 도 15는 공명기의 목 반경에 따른 유효 임피던스의 실수부와 허수부를 도시한 도면을 각각 나타낸다.
도 13을 참조하면, 상술한 바와 같이 분할부재(100b)를 갖는 메타라이너(100)는, 상기 분할부재(100b)의 의한 유동 저항이 발생되는 문제를 해소하기 위해, 상기 분할부재(100b)가 유선형으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때 유선형은 길이방향을 따라 선단부터 후단까지 너비/폭의 두께가 일부 가변되는 것을 의미하여, 도시된 바와 같이 선단에서는 볼록하면서 후단으로는 가늘게 이어지는 형상을 포함할 수 있다. 이때 별도로 도시되지는 않았으나 유선형의 상기 분할부재(100b)의 길이방향을 따라 복수의 공명기(110)의 목(111)이 개구되도록 배치될 수 있다.
도 14를 참조하면, 유선형의 상기 분할부재(100b)의 유동저항은 낮으면서 흡음률(α)은 높이도록 다음과 같이 설계될 수 있다. 이때 도 14-(a)는 편평형 분할부재를, 도 14-(b)는 유선형 분할부재를 각각 도시하고 있다. 여기서 편평형 분할부재는 몸체부(100a)의 내벽일 수도 있으며, 유선형 분할부재와 동일 조건 하에서 다음과 같은 차이를 나타낸다.
편평형 분할부재에서는 메타라이너가 설치된 부분에서 유효 임피던스(
Figure 112021135959504-pat00065
)가 발생될 수 있으며, 1000 Hz에서 69 dB/m의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00066
)과 0.97의 흡음률(α)이 달성되는 것으로 산출된다. 이때 임피던스는 메타라이너의 대표 음향 물성치로, 공명기의 목 반경, 목 길이, 캐비티 크기 등에 따라 유효 임피던스의 실수부(Zr)와 허수부(Zi)가 달라질 수 있다.
유선형 분할부재는 기울기의 부호가 변하는 위치를 기준으로 2개의 영역으로 구분될 수 있으며, 선단을 제1영역으로 후단을 제2영역으로 구분할 수 있다. 이때 후단의 제2영역의 임피던스(Z2)는 곡률이 작아 입사각의 영향이 비교적 적으므로 위 유효 임피던스(ZMS)와 동일한 임피던스를 가지도록 설계될 수 있다. 그리고 선단은 곡률에 따른 입사각의 영향을 고려하여 아래 수학식 3을 통해 제1영역의 임피던스(Z1)가 산출될 수 있다.
Figure 112021135959504-pat00067
여기서 cosθ는 입사파와 유선형 분할부재의 면 벡터가 형성하는 각도일 수 있다. 그리고 위와 같이 유선형의 곡률에 의해 설계된 분할부재가 설치되는 경우에는 1000 Hz에서 81 dB/m의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00068
)과 0.97의 흡음률(α)이 가능하여 기존 구조에 대비하여 유동 저항은 최소화하면서 보다 높은 수준의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00069
)을 달성할 수 있는 장점이 있다.
유선형 분할부재가 고려된 유효 임피던스 조건에 대해 메타라이너를 구성하는 공명기의 목 직경(반경)을 적절하게 설정함으로써 성능이 보다 우수하도록 설계할 수 있다. 도 15는 2개의 공명기의 목 반경(r1, r2)에 따른 유효 임피던스의 실수부와 허수부를 나타낸 것으로, 조건을 만족하는 2개의 공명기의 목 반경(r1, r2)을 매칭하여 제작할 수 있다.
더불어 유선형 분할부재의 제2영역은 동일한 유효 임피던스(ZMS)가 되도록 메타라이너를 설계하고자 하여도, 유선형 형상의 두께가 후단으로 갈수록 작아지기 때문에 동일한 크기의 공명기를 설치하기 어려울 수 있다. 이를 고려하여 후단에서는 공명기의 캐비티 크기를 더 작게 설계할 수 있으며, 목의 반경과 길이를 적절하게 조절할 수도 있다.
[메타라이너의 설계방법]
도 16에서 도 18은 본 발명에 따른 메타라이너의 설계방법에 관한 것으로, 도 16은 투과손실 스펙트럼과 유효 임피던스의 실수부 및 허수부를 각각 도시한 도면을, 도 17은 배경 유속별 목 반경과 평균 투과손실을 나타낸 도면을, 도 18은 메타라이너의 설계방법의 플로차트를 각각 나타낸다.
기존 메타라이너는 유동장 내에서 메타라이너는 유동장 내에서 차음 성능이 떨어지게 되며, 특히 덕트 단면적이 좁아지는 구간에서는 유속이 더욱 증가하기 때문에 메타라이너의 차음 성능은 더욱 감소하는 문제점이 발생될 수 있다. 이에 따라 후술되는 내용에서는 유동장 내에서 차음 성능이 우수한 메타라이너를 설계하는 메타라이너의 설계방법을 보다 상세히 설명한다.
도 16-(a)는 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00070
)가 500 Hz인 메타라이너의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00071
) 스펙트럼으로, 덕트 내 유속(
Figure 112021135959504-pat00072
, 여기서 c0는 음속)이 빨라질수록 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00073
) 스펙트럼의 피크 주파수는 고주파수로 이동하고, 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00074
) 성능은 떨어지는 것으로 도시되어 있다. 따라서 유동장 내에서 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00075
)인 500 Hz의 소음을 저감하면서, 상기 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00076
) 값이 최대가 되기 위해서는, 유속이 0 m/s일 때, 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00077
) 스펙트럼의 피크 주파수를 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00078
)보다 작도록 설계할 수 있다. 이는 도 16-(a)에서는 도시된 바와 같이 M=0.1인 경우에 500 Hz에서 투과손실 스펙트럼의 피크주파수가 형성되도록 설계됨에 따라, M=0인 경우에는 피크 주파수가 475 Hz인 것으로 도시되어 있다. 이때 도 16은 아래의 표 3의 수치를 통해 산출된 결과일 수 있다.
구 분 수치(단위 : mm)
몸체부의 너비(W) 51
몸체부의 폭(D) 51
몸체부의 길이(L) 406
캐비티의 면적(a*a) 24.3 * 24.3
캐비티의 높이(b) 22
목의 길이(l) 7
도 16-(b)와 도 16-(c)는 유속에 따른 메타라이너의 유효 임피던스의 실수부(Zr)와 허수부(Zi)를 각각 나타내며, 동일한 목 반지름(r = 1.78mm)을 가진 4개의 공명기를 사용하여 산출되었다. 여기서 도 16-(c) 도시된 바와 같이 유속이 빨라질수록 유효 임피던스의 허수부(Zi)가 작아지고, 이에 따라 도 16-(a)에서 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00079
) 스펙트럼의 피크 주파수가 고주파수로 이동하는 것으로 도시되어 있다. 이는 유효 임피던스의 허수부(Zi)가 0이 되는 주파수가 높아질수록, 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00080
) 스펙트럼의 피크 주파수가 높아지는 것과 연관될 수 있다. 따라서 정지 매질 내에서는 메타라이너의 유효 임피던스의 허수부(Zi)가 크도록 설계하면, 유동장 내 목표 주파수에서 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00081
)이 최대가 되도록 만들 수 있다. 또한 공명기의 목 반경이 작을수록 유효 임피던스의 허수부(Zi)가 커지기 때문에, 유동장 내 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00082
)에서 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00083
)이 최대가 되도록 만들기 위해서는, 공명기의 목 반경을 정지 매질에서 차음 성능이 우수하도록 설계된 공명기의 목 반경보다 더 작게 설계할 수 있다. 아울러 덕트 단면적이 좁아지는 곳(유속이 빨라지는 곳)의 소음을 차단하기 위해서는 목 반경이 더 작은 공명기를 적용할 수도 있다.
더불어 도 16-(b)에서 도시된 바와 같이 유속이 증가할수록 유효 임피던스의 실수부(Zr)가 커지며, 상기 유효 임피던스의 실수부(Zr)가 커질수록 피크 주파수에서의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00084
) 성능이 저하되는 것을 알 수 있다. 즉, 유속이 빠른 유동장 내에서는 메타라이너의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00085
) 성능 저하 현상이 나타날 수 있으며, 이를 고려하여 정지 매질 내 유효 임피던스의 실수부(Zr)을 작아지도록 설계하면, 유동장 내에서도 높은 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00086
) 성능을 달성할 수 있다. 아울러 정지 매질 내 메타라이너의 유효 임피던스의 실수부(Zr)를 감소시킬 수 있는 방법으로 공명기의 목 길이 를 줄일 수 있으며, 공명기의 목 길이를 짧아질수록 유효 임피던스의 허수부(Zi)도 함께 작아지는 것을 고려하여 목 반경, 목 길이가 설계될 수 있다.
이에 따른 본 발명에 따른 메타라이너 설계방법은, 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00087
), 주파수 대역폭(
Figure 112021135959504-pat00088
) 및 목표 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00089
)을 설정하는 단계, 한 쌍의 공명기의 캐비티 크기를 고정하고 한 쌍의 공명기 각각의 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00090
)을 조절하여 상기 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00091
)에 따른 투과손실 스펙트럼을 산출하는 단계 및, 아래의 수학식 4를 만족하는 설정주파수(
Figure 112021135959504-pat00092
) 범위에서 목표 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00093
) 보다 큰 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00094
)을 가지는 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00095
)을 선정하는 단계를 포함할 수 있다.
Figure 112021135959504-pat00096
아울러 본 발명에 따른 메타라이너 설계방법은, 수학식 4의 주파수 영역에서 투과 손실이 목표 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00097
)보다 큰 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00098
)를 선정하도록 형성될 수 있다. 여기서 다수의 유속 조건에 대해 찾은 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00099
)의 교집합 영역을 선정하면, 목표로 선정한 다수의 유속 조건에서 투과 손실이 목표 투과 손실보다 큰 메타라이너 설계 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00100
)을 찾을 수 있다.
이하, 도 17을 참조하여 메타라이너의 설계방법에서 일부 수치를 예거하여 보다 명확하게 설명한다. 본 발명에 따른 메타라이너의 설계방법은 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00101
)를 500 Hz로, 주파수 대역폭(
Figure 112021135959504-pat00102
)을 50 Hz로, 목표 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00103
)을 45 dB/m으로 목표치를 설정할 수 있다. 그리고 덕트의 중공부 또는 메타라이너의 몸체부의 외곽은 각각 51 × 51 × 406 mm으로 설정될 수 있으며, 한 쌍의 공명기의 캐비티 크기를 24.3 × 24.3 × 22 mm로, 목의 길이는 7 mm로 고정할 수 있다. 여기서 본 발명에 따른 메타라이너의 설계방법은 한 쌍의 공명기 각각에 대한 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00104
)을 조절하여 설정된 목표치를 달성하는 수치에 도달하는지 여부를 판단할 수 있으며,
상기 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00105
)에 따른 투과손실 스펙트럼을 산출하는 단계 및, 설정주파수(
Figure 112021135959504-pat00106
) 범위에서 목표 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00107
) 보다 큰 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00108
)을 가지는 한 쌍의 공명기의 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00109
)을 선정하는 단계를 포함할 수 있다. 도 17-(a)에서 도 17-(c)는 여러 유속 상황 하에서 한 쌍의 공명기의 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00110
)에 따른 평균 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00111
) 등고선(contour) 테이블을 각각 나타낸다. 도 18을 참조하면, 한 쌍의 공명기의 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00112
)가 각각 (1.66, 1.78), (1.66, 1.82), (1.7, 1.74), (1.7, 1.78), (1.7, 1.82), (1.74, 1.74), (1.74, 1.78), (1.74, 1.82), (1.78, 1.78) mm인 경우에 모든 유속(M=0, 0.05, 0.1)에 대해 설계 조건을 만족하는 교집합인 것을 알 수 있으며, 위 수치 중에 하나를 선정하여 제품이 설계되도록 제작할 수 있다. 이는 위 형상으로 제작된 제품이 모든 유속에 대해 목표주파수(
Figure 112021135959504-pat00113
)의 ㅁ5% 주파수 대역에서 45 dB/m 이상의 투과 손실을 달성할 수 있으므로, 소음 저감 성능이 보다 우수하도록 제공할 수 있다.
도 18의 플로우차트를 참조하여, 본 발명에 따른 메타라이너의 설계방법에서 한 쌍의 공명기의 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00114
)을 선정하는 과정을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 메타라이너의 설계방법은, 조건을 만족하는 한 쌍의 공명기의 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00115
)을 선정하기 위해 변수를 입력하는 단계와, 입력된 변수를 기반으로 적어도 하나 이상의 연산과정을 통해 결과를 산출하는 단계와, 연산결과, 위 수학식 4의 목표주파수 대역에서의 메타라이너의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00116
)이 목표 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00117
)보다 큰지 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 상기 변수를 입력하는 단계에서는 덕트 내 유속(
Figure 112021135959504-pat00118
), 각 주파수(
Figure 112021135959504-pat00119
), 메타라이너의 형상 수치(a, b, l, D, L) 등이 입력될 수 있다. 여기서 상기 메타라이너의 형상 수치에는 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00120
)이 입력될 수 있으며, 회귀분석 모델을 통해 상기 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00121
)의 수치를 변경하여 최종적으로 덕트 내 유속(
Figure 112021135959504-pat00122
)의 유동장 내에서 목표 차음 성능을 달성하는 목 반경(
Figure 112021135959504-pat00123
)이 선정될 수 있다.
메타라이너의 설계방법의 연산과정은 공명기 목 및 캐비티의 유효 파수, 유효 임피던스 보정 길이(
Figure 112021135959504-pat00124
)를 계산하는 제1단계를 포함할 수 있다. 이때 상기 제1단계에서는 아래의 수학식 5 내지 수학식 10을 통해 각 유효 임피던스의 보정길이를 산출할 수 있다.
Figure 112021135959504-pat00125
Figure 112021135959504-pat00126
Figure 112021135959504-pat00127
Figure 112021135959504-pat00128
Figure 112021135959504-pat00129
Figure 112021135959504-pat00130
아울러 위 수학식 5에서 수학식 8까지의 변수
Figure 112021135959504-pat00131
는 아래의 수학식 11에서 수학식 14를 통해 산출될 수 있다.
Figure 112021135959504-pat00132
Figure 112021135959504-pat00133
Figure 112021135959504-pat00134
Figure 112021135959504-pat00135
(여기에서,
Figure 112021135959504-pat00136
,
Figure 112021135959504-pat00137
,
Figure 112021135959504-pat00138
,
Figure 112021135959504-pat00139
,
Figure 112021135959504-pat00140
,
Figure 112021135959504-pat00141
,
Figure 112021135959504-pat00142
: density of air,
Figure 112021135959504-pat00143
: speed of sound,
Figure 112021135959504-pat00144
: dynamic viscosity of air,
Figure 112021135959504-pat00145
: prandtl number,
Figure 112021135959504-pat00146
: specific heat ratio,
Figure 112021135959504-pat00147
: Bessel function of the 1st kind, f : frequency)
아울러 위 수학식 9 및 수학식 10에서의 변수
Figure 112021135959504-pat00148
는 아래의 수학식 15 및 수학식 16을 통해 산출될 수 있다.
Figure 112021135959504-pat00149
Figure 112021135959504-pat00150
(여기에서,
Figure 112021135959504-pat00151
,
Figure 112021135959504-pat00152
,
Figure 112021135959504-pat00153
,
Figure 112021135959504-pat00154
: Bessel function of the 1st kind
Figure 112021135959504-pat00155
is the pth solution of the equation
Figure 112021135959504-pat00156
)
메타라이너의 설계방법의 연산과정은 메타라이너의 단위 구조를 구성하는 i번째 공명기의 유효 임피던스(
Figure 112021135959504-pat00157
)를 계산하는 제2단계를 포함할 수 있다. 이때 상기 제2단계에서는 아래의 수학식 17 및 수학식 18을 통해 산출할 수 있다.
Figure 112021135959504-pat00158
Figure 112021135959504-pat00159
Figure 112021135959504-pat00160
Figure 112021135959504-pat00161
Figure 112021135959504-pat00162
(여기에서,
Figure 112021135959504-pat00163
,
Figure 112021135959504-pat00164
,
Figure 112021135959504-pat00165
,
Figure 112021135959504-pat00166
: 메타라이너 단위 구조의 I번째 공명기의 목 반경,
Figure 112021135959504-pat00167
: density of air,
Figure 112021135959504-pat00168
: speed of sound,
Figure 112021135959504-pat00169
,
Figure 112021135959504-pat00170
,
Figure 112021135959504-pat00171
: dynamic viscosity of air)
메타라이너의 설계방법의 연산과정은 메타라이너의 유효 임피던스(
Figure 112021135959504-pat00172
)를 계산하는 제3단계와, FE 해석에서 메타라이너의 투과손실(
Figure 112021135959504-pat00173
)을 계산하는 제4단계를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 제3단계 및 제4단계는 아래의 수학식 19 및 수학식 20을 통해 각각 산출될 수 있다.
Figure 112021135959504-pat00174
Figure 112021135959504-pat00175
(여기에서, T는 파워 반사계수)
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상술한 각각의 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 위의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하고, 여러 실시예를 혼용하거나 각 실시예의 일부 구성들을 혼합할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
C : 단위중공부
C1: 제1단위중공부 C2: 제2단위중공부
C3: 제3단위중공부 C4: 제4단위중공부
10 : 덕트 11 : 중공부
100 : 메타라이너
100a : 몸체부 100b : 분할부재
100c : 보조몸체
110 : 공명기
110a : 제1공명기 110b : 제2공명기
110c : 제3공명기 110d : 제4공명기
111 : 목 112 : 캐비티

Claims (10)

  1. 중공부를 가지는 덕트의 소음을 저감하는 메타라이너에 있어서,
    상기 덕트의 중공부로 일단이 개구된 목과 상기 목의 타단에 연결되는 캐비티를 가지는 복수의 공명기를 포함하고,
    복수의 공명기가 상기 중공부의 내주면을 따라 배치되되,
    복수의 공명기가 덕트의 길이방향을 따라 배치되어 복수의 열로 형성되고,
    복수의 공명기들 중 인접한 한 쌍의 공명기가 아래의 식을 만족하는 공명주파수 영역()을 각각 가진 것을 특징으로 하는 메타라이너.

    (여기에서,
    : 하나의 공명기의 공명주파수 영역,
    : 다른 하나의 공명기의 공명주파수 영역,
    : 목표주파수)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 덕트의 중공부를 복수의 단위중공부로 분할하는 분할부재;
    를 더 포함하고,
    상기 분할부재가 공명기를 포함하여 상기 단위중공부의 내주면을 따라 복수의 공명기가 배치되는 것을 특징으로 하는 메타라이너.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분할부재가 제1단위중공부 및 제2단위중공부를 포함하도록 상기 덕트의 중공부를 양측으로 분할하되,
    상기 분할부재는 상기 제1단위중공부로 목이 개구되는 공명기와, 상기 제2단위중공부로 목이 개구되는 공명기를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타라이너.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 분할부재가 유선형으로 이루어져,
    복수의 열로 배열된 공명기들의 캐비티의 크기나 목 반경이 서로 다른 것을 특징으로 하는 메타라이너.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분할부재가 선단의 일정영역에서 후단으로 갈수록 두께가 작아지는 유선형으로 형성되되,
    상기 선단의 일정영역을 기준으로 후단으로 갈수록 공명기의 캐비티 크기가 작아지는 것을 특징으로 하는 하는 메타라이너.
  6. 제1항에 있어서,
    인접한 복수의 공명기들 중 일부가 반대위상으로 공명하는 동일한 공명주파수 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 메타라이너.
  7. 삭제
  8. 제2항에 있어서,
    상기 덕트는 직사각형, 원형 또는 타원형으로 형성되되, 상기 분할부재는 양단이 상기 덕트의 내주면에 고정되고,
    상기 분할부재에 고정되어 공명기가 내장되는 보조몸체;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타라이너.
  9. 제1항의 메타라이너의 설계방법에 있어서,
    목표주파수(
    Figure 112023097890125-pat00181
    ), 주파수 대역폭(
    Figure 112023097890125-pat00182
    ) 및 목표 투과손실(
    Figure 112023097890125-pat00183
    )을 설정하는 단계;
    한 쌍의 공명기의 캐비티 크기를 고정하고 한 쌍의 공명기 각각의 목 반경(
    Figure 112023097890125-pat00184
    )을 조절하여 상기 목 반경(
    Figure 112023097890125-pat00185
    )에 따른 투과손실 스펙트럼을 산출하는 단계; 및
    아래의 식을 만족하는 설정주파수(
    Figure 112023097890125-pat00186
    ) 범위에서 목표 투과손실(
    Figure 112023097890125-pat00187
    ) 보다 큰 투과손실(
    Figure 112023097890125-pat00188
    )을 가지는 목 반경(
    Figure 112023097890125-pat00189
    )을 선정하는 단계;
    를 포함하는 메타라이너의 설계방법.
    Figure 112023097890125-pat00190

  10. 제9항에 있어서,
    복수의 목 반경이 선정되면, 다수의 목표 유속조건별로 설정주파수(
    Figure 112021135959504-pat00191
    ) 범위에서 목표 투과손실(
    Figure 112021135959504-pat00192
    ) 보다 큰 투과손실(
    Figure 112021135959504-pat00193
    )을 달성하는 목 반경(
    Figure 112021135959504-pat00194
    )를 선정하는 것을 특징으로 하는 메타라이너의 설계방법.
KR1020210163725A 2021-11-24 2021-11-24 덕트의 소음을 저감하는 메타라이너 KR102613018B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210163725A KR102613018B1 (ko) 2021-11-24 2021-11-24 덕트의 소음을 저감하는 메타라이너

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210163725A KR102613018B1 (ko) 2021-11-24 2021-11-24 덕트의 소음을 저감하는 메타라이너

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230076619A KR20230076619A (ko) 2023-05-31
KR102613018B1 true KR102613018B1 (ko) 2023-12-13

Family

ID=86544084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210163725A KR102613018B1 (ko) 2021-11-24 2021-11-24 덕트의 소음을 저감하는 메타라이너

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102613018B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000205486A (ja) * 1999-01-13 2000-07-25 Taikisha Ltd 消音装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100532128B1 (ko) 2003-07-28 2005-11-30 한국과학기술원 공명기배열을 이용한 소음저감장치
KR100555375B1 (ko) * 2004-04-30 2006-03-03 이영섭 공명형 덕트 소음기

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000205486A (ja) * 1999-01-13 2000-07-25 Taikisha Ltd 消音装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230076619A (ko) 2023-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Guo et al. Wideband low-frequency sound absorption by inhomogeneous multi-layer resonators with extended necks
KR101738249B1 (ko) 통합된 잡음 억제를 이용하는 열 교환기
US7798286B2 (en) Exhaust muffler having a horizontally extending sound attenuation chamber
CA2498409C (en) Compact silencer
CN108831431B (zh) 全频扩散消声装置及通风通道消声系统
CN112069657B (zh) 适用于气流环境下管道声衬设计方法及管道声衬
KR102613018B1 (ko) 덕트의 소음을 저감하는 메타라이너
Ma et al. Quasi-perfect absorption of broadband low-frequency sound in a two-port system based on a micro-perforated panel resonator
Liu et al. Acoustic attenuation characteristics of the muffler phononic crystal with hybrid resonators
US11536487B2 (en) Diffusion muffling device, diffusion resonance muffling device, full-frequency diffusion muffling device, muffling system for ventilation channel, and muffling method using the same
Gautam et al. Double degree of freedom Helmholtz resonator based acoustic liners
George et al. Energy efficient design and modification of an automotive exhaust muffler for optimum noise, transmission loss, insertion loss and back pressure: A review
CN115050347A (zh) 消音器
EP3850281B1 (en) Oil separator with integrated muffler
CN210052517U (zh) 声学径向消音单元、消音模块及消音结构
US20210131350A1 (en) Acoustic treatment panel for a turbojet engine
KR102415416B1 (ko) 프랙탈 구조의 메타 머플러
Chen et al. Broadband muffler with acoustic bright and dark modes for refrigerator noise control
KR102415417B1 (ko) 스텔스 날개 구조의 메타 머플러
KR102343412B1 (ko) 머플러
US20220293076A1 (en) Acoustic metamaterial structure
Troll et al. Investigations on working principles and design methods for metamaterial silencers
US11965442B2 (en) Sound mitigation for a duct
KR20180137329A (ko) 소음기
Dobrucki et al. Acoustic anechoic termination of the waveguide in the measuring system of ducted silencers

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right