KR20030084845A - 관(管) 속에 작은 벽을 여러 개 세워 관을 통과하는소음의 세기를 점진적으로 약화시키는 장치 - Google Patents

Abstract

물리적인 움직임이 수반되는 기계장치는 모두 소음을 발생시킨다. 본 발명은 이러한 소음을 저감시키는 장치로서 소음진동규제법에 의한 소음배출시설 뿐 아니라 모든 소음배출시설에 적용하여 소음을 저감시키는 장치이다. 기존의 소음저감 방식은 내연기관의 경우 다소간의 출력저하와 응축수로 인한 부식 등의 문제점을 일으켰으나 본 장치는 이러한 문제점을 해결하면서 소음을 저감시킬 수 있는 장치이다. 본 발명은 관 속을 통과하는 소음의 진행방향에 작은 격벽을 여러 개 배열하여 소음이 각 격벽을 지날 때마다 소음의 일부가 격벽에 의해 걸러지므로서 소음(음압)이 점차 감소되도록 만든 장치이다. 소음은 호이겐스의 원리에 의하여 구면파를 이루면서 진행하므로 격벽의 간격을 적당히 조절하면 소음감소 효과가 커지게 된다. 이런 방식으로 소음을 저감시키면, 내연기관의 경우, 배기관 속을 지나는 배기gas의 입장에서는 아무런 저항 없이 배기관 속을 통과할 수 있으나 가스를 매질로 하여 전달되는 소음은 각 격벽에 의해 조금씩 에너지를 잃게 돼 배기관의 토출구에 이르러서는 원하는 만큼 소음의 세기를 줄일 수 있다. 다시 말해서, 관속을 흐르는 기체는 일반 관을 흐르듯이 어떠한 저항도 받지 않고 진행이 가능하지만 그 기체에 들어있는 소음은 걸러지게 된다. 본 발명은 모든 소음발생 장치의 소음저감에 쓰일 수 있음은 물론 내연기관에 적용시킬 경우 출력을 저하시키지 않고 소음만 선택적으로 저감시킬 수 있는 장치이다.

Description

관(管) 속에 작은 벽을 여러 개 세워 관을 통과하는 소음의 세기를 점진적으로 약화시키는 장치{The equipment that reducing noise step-by-step by building the small walls in the pipe}

본 발명이 속하는 기술분야는 소음저감 장치 분야이다. 각종 기계장치를 가동할 때 발생하는 소음은 여러가지 이유로 적절하게 조절하여야 할 필요가 있는데 본 발명도 그러한 용도로 쓰이는 소음저감 장치의 일종이다.

일반적으로 금속이나 PVC 같은 단단한 물질로 둘러싸인 공간의 내부를 진행하는 소음은 벽면의 존재에 의해 세기가 약화되지 않는다. 그 이유는 다음과 같다. 소음도 소리이므로 공기를 매질로 하여 전파되는데 이를 미시적인 규모에서 살펴보면 공기 분자의 운동[밀도 변화의 전달]으로 소음이 전달되게 된다. 공기분자가 단단하고 조밀한 물질에 둘러싸인 벽면에 부딪칠 때는 분자 간의 충돌이 일어나게 되고 분자간의 충돌은 거의 완전한 탄성 충돌이므로 공기분자는 충돌시의 에너지와 같은 에너지를 갖고 되튀어 나오게 되기 때문에 벽면에 의한 소음감소는 아주 미미하다. 즉, 관[pipe]의 내부를 통과하는 소리의 세기가 관의 내벽에 의해 줄어드는 현상은 거의 발생하지 않게 된다.

보통의 관을 그대로 통과하는 속성을 지닌 소음을 약화시키기 위하여도2에 보인 바와 같이 팽창형 소음 저감장치나 간섭·공명형 소음 저감장치를 연결하는 것이 현재의 기술이다. 때론도3에서 보인 바와 같은 흡음재를 사용한 흡음형과 통로를 좁게 만든 저항형이 사용되기도 한다. 그러한 이유로 내연기관을 사용하는 소음배출시설에서 소위 머플러라고 하는 소음저감 장치를 많이 볼 수 있다. 발전기, 자동차 등 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 소음배출시설은 주로 내연기관을 이용하는 기계시설들이다. 본 발명은 이러한 내연기관을 이용한 소음배출시설의 소음을 저감시키는데 효과적이다. 내연기관을 이용한 기계들처럼 일정한 배출 통로가 필요한 소음배출 시설들은 대부분의 경우에 있어서 짧은 거리에서 소음을 적정한 수준으로 떨어뜨려야 할 필요가 있으나 종래의 소음저감 기술은 소음의 저감과 소음저감 장치 내의 공기 흐름을 원활히 하는 두가지 필요성을 동시에 충분히 만족시키지 못하고 있다.

내연기관은 엔진 실린더 내부에서 연료가 연소할 때 강한 소음이 발생하게 된다. 따라서 배기가스와 함께 배출되는 소음을 적정한 수준으로 줄이기 위해서 통상적으로 머플러라는 소음저감장치를 사용한다. 연료를 엔진 내부에서 연소시켜 에너지를 얻는 소음발생시설에서 나오는 소음은 매우 강한데 이를 충분히 짧은 거리에서 원하는 수준으로 저감시키기 위해서 머플러를 설계하려면 문제점이 발생한다. 그 문제점은 머플러의 크기를 무한정 크게 할 수 없다는 것이다. 머플러의 크기에 대한 설계상의 제한이 없다면 별 문제가 없겠지만 실제로는 머플러를 설치할 공간의 제약을 받기 때문에 부득이 배기가스가 외부로 배출되는데 있어 상당한 지장을 갖게 되는 구조로 머플러를 설계할 수 밖에 없었다.

도4에 국내에서 가장 많이 팔리는 차종의 하나인 아반떼 승용차의 머플러를 나타내었다. 배기가스가 머플러 내에서 한바퀴 돌아나가도록 설계 되었음을 알 수 있다. 결국 머플러 내부에서 배기가스는 두 번 씩이나 역방향으로 움직여야 하므로배출저항이 상당히 커지게 되어 배기가스가 제대로 배출되지 못하는 근본적인 원인이 된다. 거의 모든 내연기관의 소음저감장치인 머플러는도4에 묘사된 것과 대동소이한 형태로 되어있다. 배기가스의 배출저항을 무릅쓰고 머플러 내부에서 한바퀴 돌아 나가도록 설계한 이유는 머플러가 차지할 수 있는 공간에 여유가 없기 때문이다. 따라서 내연기관을 동력원으로 사용하는 거의 모든 소음배출시설에서 배출저항으로 인해 엔진내부에 배기가스가 남아있게 되어 불완전 연소를 일으키고 이로 인한 동력손실은 불가피하다. 요즘 크게 유행하기 시작하는 튜닝 머플러는 이러한 배기저항으로 인한 동력손실을 조금이라도 만회하기 위한 것들이라고 할 수 있다.

본 발명이 속한 종래의 기술은 짧은 거리에서 소음을 충분한 정도로 저감시키기 위해서도4에 보인 바와 같은 형태의 머플러를 사용해 왔다. 하지만 이러한 방식은 내연기관에 적용할 경우 배기저항이 있기 때문에 출력감소, 오염물질 과다배출, 응축수 결집으로 인한 부식 등의 문제점이 있었다. 전기모터와 같이 열이 많이 나는 소음배출시설의 경우 열기 배출이 어려워 현재의 머플러를 적용하여 소음을 저감시키기가 매우 곤란하다. 이러한 기술적 문제점들을 해소하면서 소음저감 효과는 뛰어난 장치의 개발이 절실하다.

본 발명은 완전밀폐를 통한 소음차폐가 아닌 열린 공간을 통해서 전달되는 소음의 세기를 효과적으로 감소시키는 장치이다. 기존의 소음 저감장치들은, 차량에 장착된 머플러에서 보듯이, 소음저감 효과를 강조하면 소음 저감장치 내 유체(流體)의 흐름에 지장을 초래했다. 또 유체의 흐름을 원활히 하는 것에 설계의 중점을 두면 소음저감 효과를 희생시켜야 했다. 본 발명은 기존 소음 저감장치들의 이러한 문제점을 해결하고자 하였다. 다시 말해서, 소음저감 효과를 희생시키지 않으면서도 소음 저감장치 내의 유체의 흐름을 원활하게 하기 위하여 본 발명을 이루게 되었다.

대표도:가: 이 도면은 실제 발명품의 측단면도를 나타내었다. 파이프 안에 작은 음압감쇠판을 여러 개 두어 파이프 안에서 진행하는 소음의 일부가 걸러지게 설계되었다.

대표도:나: 이 도면은 본 발명품의 단면도를 나타낸다. 내연기관에서 발생한 배출가스는 소음을 포함하고 있는데 이 소음의 일부가 파이프 안에 있는 음압감쇠판에 의해 걸러지는 형태를 시각적으로 나타내었다.

도1:이 도면은 소리가 공간상에서 퍼져나가는 모양을 시각적으로 나타낸다.

도2:이 도면은 기존의 팽창형 소음저감 장치의 개략도이다. 원하는 소음저감효과를 얻기 위해서 비교적 큰 공간이 필요한 단점이 있다.

도3:이 도면은 기존의 흡음형과 저항형 소음저감 장치를 나타낸다. 흡음형은 배출저항을 유발하지는 않으나 재료값이 비싸고 흡음의 효과가 떨어지는 단점이 있으며 저항형은 배출저항을 크게 한다.

도4:이 도면은 국내 차종인 아반떼의 머플러를 나타낸다. 팽창형 소음저감방법을 사용하고 있는데 공간상의 제약으로 인해 배출가스가 내부에서 한바퀴 돌아나가도록 설계되어 있어 배출저항이 크다는 단점이 있다. 반사형이라고도 한다.

배기저항을 줄이면서도 소음은 효과적으로 걸러내는 장치가 본 발명품이다. 내연기관을 동력원으로 사용하는 소음발생 시설들 전반에 걸쳐 적용이 가능하다. 즉, 소음진동규제법에서 정한 소음배출시설은 물론, 동법에서 소음배출시설로 규제하지 않는 모든 소음배출시설의 소음저감장치로 본 발명을 이용할 수 있다.

앞서 지적한 바와 같이 소음이 보통의 관을 통과하는 동안 줄어들지 않는다는 사실은 내연기관을 이용한 기계를 설계하는 사람들을 곤혹스럽게 만든다. 내연기관을 이용한 기계가 내뿜는 배출가스를 적당한 통로(관:pipe)를 사용하여 기계 외부로 배출시켜야 하는데 이때 강력한 소음이 따라나오기 때문이다. 공장에서 사용하는 기계들은 물론 자동차에서도 이러한 문제는 흔히 생긴다. 소음이나 진동을 발생시키는 기계 장치들을 넓은 의미로 보면 모두 소음진동 배출시설이라고 할 수 있다. 물론 소음진동규제법에서 규제하는 기계시설은 일정규모 이상이다. 본 발명은 진동과는 관련이 없는 소음저감에 관한 것이고, 법에 의한 규제대상 미만의 소음배출시설에도 적용할 수 있으므로 이러한 소음을 발생시키는 기계시설들을 통칭하여 소음배출시설이라 부르기로 정의하고 설명하겠다.

본 발명은 금속이나 PVC 파이프 같은 조밀한 관을 이용하여 소음을 배출가스와 함께 원하는 곳으로 유도하고 저감시켜 배출시킬 필요가 있는 모든 소음배출시설에 적용할 수 있다. 이런 필요성은 주로 원동기, 발전기, 자동차와 같이 내연기관을 이용한 소음배출시설에서 찾아볼 수 있으므로 본 발명에 대한 설명도 내연기관의 배출소음을 중심으로 하고자 한다.

물리적인 장벽을 세워 공간을 퍼져나가는 소음의 일부를 제거하면 장벽 뒤에서 느끼는 소음의 세기는 약해지기 마련이다 다시 말해서, 소음저감 효과를 얻을 수 있다. 이러한 소음 차폐벽을 일렬로 여러 개 세우면 소음의 세기는 지속적으로 작아진다. 우리는 이러한 소음차폐벽을 세워 소음의 세기를 지속적으로 약화시키는 방법을 통해서 소음의 세기를 원하는 수준으로 약화시킬 수 있다는 사실을 알 수 있다.

본 발명은 소음을 유도하는 관 내부에 소음저감을 위한 장치를 직접 설치하여 내연기관을 이용한 소음배출시설의 배기저항을 없애면서도 배기가스에 들어있는 소음은 걸러내도록 설계되어 있다.대표도:가에 본 발명품의 측단면도를 나타내었다. 소음을 토출구 쪽으로 유도하는 관 내부에 작은 격벽들이 여러 개 반복적으로 설치되어 있음을 볼 수 있다. 반복적으로 설치된 격벽에 의해서 관 내부를 지나는 소음이 지속적으로 걸러지게 된다. 이러한 과정을대표도:나에 나타내었다. 소음은 호이겐스의 원리에 의해서 구면파를 이루게 되는데, 이렇게 항상 구면파를 이루면서 배기관 내부를 지나기 때문에 소음의 일부가 배기관 내의 각 격벽에 의해 계속 걸러지게 된다. 이때 배기가스 입장에서는 그냥 직선으로 뻗은 관과 동일하므로 배기저항은 받지 않게 된다.

기존의 내연기관용 소음저감장치는도:4에서 보는 바와 같이 배기저항이 매우 큰 형태로 되어 있으나 본 발명의 경우에는 배출저항 없이 소음을 저감시킬 수 있게 되었다. 우선대표도에 나타난 본 발명의 형태를 보면 배기가스의 배출저항은 전혀 없는 것과 다를 바 없다. 배기가스의 입장에서 보면 배기관 중앙의 터진 공간 만큼의 내경을 갖는 일반관을 지나는 것과 같기 때문이다. 따라서, 배기가스의 배출저항에 의한 동력손실 등의 문제점은 발생하지 않는다. 배기관의 굵기를 기존의 배기관 보다 특별히 크게 하지 않으면서도 본 발명의 목적을 이룰 수 있는 이유는 내부에 작은 격벽(이하 음압감쇠판)이 여러 개 있기 때문이다.

본 발명품의 소음저감효과에 대한 계산은 다음과 같이 하여 볼 수 있다.

음압감쇠판의 크기와 간격을 조절하여 음압감쇠판을 지날 때 음압감쇠판에 의해서 걸러지는 소음의 구면파가 전체의 30%가 되도록 조절하였다고 하자. 그러면,

최초 음압감쇠판 통과시 소음의 음압= 1 ×(1 - 0.3)

= 0.7

로 떨어지게 된다. 이러한 과정을 50번 연속적으로 거치게 된다면, 즉 음압감쇠판을 50개 지난 소음의 음압세기는 다음과 같이 될 것이다.

소리 에너지는 10dB에 10 배의 차이가 난다. 따라서 하나의 음압감쇠판에 의해서 걸러지는 소리의 에너지가 30%라면 이러한 음압감쇠판 50 개를 지난 소리의소음도는 대략 80dB가까이 떨어지게 된다는 것을 알 수 있다. 실제의 감소 비율은 배기관이 직선형이라면 음압감쇠판을 지날 때 마다 약간씩 작아진다. 음압감쇠판의 간격과 배기관의 단면적에 대한 크기 비율에 의해서 소음이 걸러지는 비율이 달라지게 된다. 음압감쇠판이 너무 조밀하면 배기관의 중량만 증가할 뿐 소음저감 효과는 어느 한계치 이상 커지지 않게 된다. 또한, 음압감쇠판 사이의 거리가 너무 멀어도 소음감소효과는 떨어지게 된다.

음압감쇠판에 의해 걸러진 소리의 세기에 대해서도 고찰이 필요하다. 처음에 배기관의 내부로 들어간 소리 에너지의 세기 --정확히는 음압감쇠판에 의해 걸러지지 않고 진행한 소리 에너지-- 는 위의 계산식에 의해 그 감소 비율을 대략적으로 알수 있지만, 음압감쇠판에 의해서 걸러진 소음이 다시 배기관의 중앙으로 나왔을 때 배출구쪽으로 얼마만큼의 에너지를 갖고 나오는지 살펴볼 필요가 있다.

대표도:나에 배기관 내부를 지나는 소음의 형태를 나타내었다. 우선, 음압감쇠판에 의해서 걸러지는 소음이(에너지가) 30%라고 하였으므로 이 수치는 걸러지지 않은 70%에 비해 작다. 또한 30%의 소음은 관의 중앙쪽으로 다시 반사되어 나올 때 중앙의 상대적으로 넓은 공간에 의해 팽창되므로 에너지 밀도는 더 떨어지게 된다. 이렇게 해서 반사음은 30% 보다 더 작은 에너지를 갖게 되는데 그나마 일부만이 원래 소음의 진행방향으로 나아가게 된다. 즉, 70%의 에너지를 갖는 소음이 지나간 지점을 음압감쇠판에 의해 걸러졌던 반사음은 30% 보다 훨씬 작은 에너지만을 가지고 통과하게 된다. 이것은 음압감쇠판에 의해서 걸러진 소음은 걸러지지 않은 소음보다 훨씬 작은 에너지를 갖게 된다는 것을 뜻한다. 에너지가 훨씬 작다는 것은 소음의 크기가 작다는 것을 뜻한다. 따라서 음압감쇠판에 의해서 걸러진 소음은 걸러지지 않고 진행하는 소음에 비해 아주 작다는 것을 알 수 있다. 즉, 음압감쇠판에 의해 걸러지지 않고 진행하는 소음의 세기만 원하는 수준으로 떨어뜨리면 소음저감이라는 목적을 이룰 수 있다.

소음진동규제법 제2조에 규정된 소음배출시설 뿐만 아니라 모든 형태의 소음배출시설에서 배출되는 소음저감에 이용될 수 있다. 특히, 배기가스 유도가 필요한 내연기관을 이용하여 동력을 얻는 발전기, 자동차 등 소음배출시설의 소음저감에 유용하게 쓰일 수 있다. 왜냐하면 본 발명품이 배기저항 없이 소음을 저감시킬 수 있는 장치이기 때문이다. 또한 소음진동규제법에 명시된 규제대상 소음배출시설은 아니라 할지라도 자동차의 배출소음 저감장치로도 유용하게 쓰일 수 있다. 기존의 소음저감 방식은 배기저항을 줄여 출력증강을 꾀하면 소음저감 부분을 희생시켜야 한다. 본 발명은 소음저감 효과를 희생시키지 않고 출력증강 효과를 얻을 수 있다. 또한 머플러에 고이는 응축수가 모두 외부로 배출되도록 설계할 수 있어 배기관의 수명연장을 통한 자원절약의 효과도 얻을 수 있다.

열이 많이 나는 전기모터의 경우 자연통풍식으로 열기와 함께 소음을 여과없이 배출하는 경우가 많았는데 이는 기존의 소음저감장치(머플러)는 열기 배출을 방해하기 때문에 적용이 어려웠던 이유도 있다. 본 발명은 통풍에 지장을 주지 않는 구조이므로 이런 상황에 유용하게 적용될 수 있어 고정시설에서 발생하는 소음저감에 크게 기여할 수 있다. 민가 주변에 있는 배수펌프장, 마을하수도 등에서 발생하는 소음저감에 유용하게 쓰일 수 있다.

아파트와 같이 층간 배기관이 필요한 경우 배기관을 타고 전해지는 소음도 많다. 특히 화장실 소음이 여기에 해당한다. 층간 배기관이 필요한 다층건물의 경우 배기관에 본 발명을 적용하면 층간 소음을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 해로운 벌레의 층간 이동을 막는 부수적인 효과도 거둘 수 있다. 음압감쇠판이 관의 벽면에 수직이어야 할 이유는 없기 때문에 이런 경우에는 음압감쇠판에 기울기를 주면 된다. 그 외에도 거의 모든 소음의 저감에 본 발명은 이용될 수 있다.

Claims (3)

1. 관의 내부에 소음 차단을 위한 격벽(음압감쇠판)을 여러 개 부착시켜 관을 통과하는 소음의 일부가 격벽들에 의해 걸러지므로서 토출구 쪽의 소음이 작아지게 하는 소음저감장치.
2. 제1항의 청구에 있어서 관의 형태를대표도:가에 표시된 것과 다른 형태로 바꾸거나 격벽(음압감쇠판)의 모양 내지 부착 각도를 변형시킨 소음저감장치.
3. 제1항의 청구에 있어서 격벽을 관의 중앙부에 배치하여 소음의 세기를 약화시키는 소음저감장치.