KR20050013325A - 공명기배열을 이용한 소음저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배관을 통해 전파되는 소음을 줄이기 위해 설치되는 소음저감장치에 관한 것으로서, 상기 배관에 설치되는 각기 다른 주파수영역을 갖는 복수의 공명기를 포함하고, 이 공명기가 배관의 길이방향(직렬)과 둘레방향(병렬)으로 배치된 공명기배열을 이용한 소음저감장치이다. 이 소음저감장치는 광범위한 주파수영역의 소음을 제거할 수 있는 효과가 있다.

Description

공명기배열을 이용한 소음저감장치{SLIENCER TO CONTROL NOISE BY MANY RESONATORS' COMPOSITION}

본 발명은 배관을 통해 전파되는 소음을 줄이기 위해 설치되는 소음저감장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각기 다른 공명주파수를 갖는 복수의 공명기를 이용하여 여러 종류의 소음을 줄일 수 있는 공명기배열을 이용한 소음저감장치에 관한 것이다.

소음저감장치는 이미 다양하게 개발되어 사용되고 있다. 이중 한가지로 흡음재를 사용하는 흡음형은 고주파영역에서는 우수한 성능을 가지지만 저주파 영역에서는 성능이 현저히 떨어지게 된다. 또한, 흡음재의 비산문제와 습기나 혹은 열에 취약하여 내구성이 떨어지는 문제가 있다. 이에 따라, 최근에는 배관의 형상변화로 인해 생겨나는 임피던스 부정합(impedance mismatch)을 이용하여 음파를 반사시키는 원리를 이용하는 반사형이 함께 사용되고 있다. 대표적인 반사형으로는 배관의 단면적을 변화시킨 형태인 확장관이나 천공관 또는 공명기 등을 이용한 모델들이 있다.

공명기를 이용한 소음저감장치는 배관에서 발생하는 소음과 동일한 주파수를 갖는 공명기를 배관에 설치하여 소음을 감소시킨다. 실용신안등록 제225151호는 이와 같은 공명기를 이용한 소음기를 사용하고 있다. 그러나, 이 고안에서는 단일 주파수영역을 갖는 공명기가 설치되어 있어 동시에 다양한 종류의 소음을 제거할 수 없었다. 한편, 울림공간이 작은 공명기는 고주파영역을 가지고 울림공간이 큰 공명기는 저주파영역을 가진다. 따라서, 고주파영역의 소음을 제거하기 위해서는 작은 크기의 공명기가 필요하고 저주파영역의 소음제거하기 위해서는 상당히 큰 크기의 공명기가 필요하다. 그러나, 통상의 배관은 좁은 공간에 설치되므로 큰 공명기를 설치하는데 많은 어려움이 있다. 때문에 저주파영역의 소음을 제거하는 것은 매우 어려웠으며, 장치의 소형화를 추구하는 최근 기술동향과도 거리가 멀었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로서, 점유하는 공간은 작으면서 고주파영역에서 저주파영역에 이르는 다양한 종류의 소음을 감소시킬 수 있는 소음저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명 공명기배열을 이용한 소음저감장치의 제1실시예를 도시한 것이고,

도 2는 도 1에 도시된 소음저감장치에 따른 투과손실(transmission loss)을 나타낸 그래프이며,

도 3은 본 발명의 제2실시예를 도시한 것이고,

도 4는 도 3에 도시된 소음저감장치에 따른 투과손실(transmission loss)을 나타낸 그래프이며,

도 5는 본 발명의 제3실시예를 도시한 것이고,

도 6은 도 5에 도시된 소음저감장치에 따른 투과손실(transmission loss)을 나타낸 그래프이며,

도 7은 도 5에 도시된 투과손실 특성을 1/3 옥타브 밴드로 나타낸 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 배관 20 : 공명기

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 배관을 통해 전파되는 소음을 제거하는 소음저감장치로서, 배관에 설치되는 각기 다른 주파수영역을 갖는 복수의 공명기를 포함하고, 이 공명기를 배관의 길이방향(직렬)과 둘레방향(병렬)으로 배치하는 것을 특징으로 한다.

공명기는 좁고 긴 목을 갖는 울림통으로 공명기의 공명주파수는 아래의 식을 통해 구할 수 있다.

수학식 1은 헬름홀쯔 공명기(Helmholz Resonator)의 주파수를 구하는 식으로, f는 공명주파수고 c는 음속이며 S는 공명기에서 배관으로 소통되는 출구의 면적이고 V는 공명기의 체적이며 L은 공명기 출구의 길이를 나타낸다.

위 식에서 보는 바와 같이 공명기의 공명주파수는 공명기 체적의 제곱근에 반비례한다. 따라서, 공명기의 체적이 작으면 높은 영역의 주파수를 가지며 체적이 크면 낮은 영역의 주파수를 갖는다. 아울러, 공명기의 출구면적과 출구길이를 조절하여 공명기의 주파수를 바꿀 수 있다. 그러나, 출구면적을 크게 하면 배관을 유동하는 유체의 흐름이 원활해지지 않게 되므로 출구면적은 유체의 흐름에 지장이 없는 크기로 고정하고 변화시키지 않는다. 또한, 출구길이를 조절하여 공명기의 주파수를 바꾸는 방법은 출구길이의 변화에 따른 변동값이 공명기의 체적변화에 따른 변동값에 비하여 상당히 작으므로 이 역시 잘 사용하지 않는다. 따라서, 소음의 공명주파수가 파악되면 공명기의 체적을 변화시켜 공명기가 해당 공명주파수를 가지게 한다.

투과손실(Transmission Loss: TL)은 배관의 입구와 출구에서의 소음크기의 차를 말하는데, 그 크기가 클수록 소음이 줄어들었음을 의미한다. 이와 같은 투과손실은 공명기를 직렬(배관의 길이방향)로 설치하면 대체로 공명기의 수에 비례하여 증가된다. 다만, 투과손실의 대역폭은 크게 증가되지 않는다. 한편, 공명기를병렬로 배치하는 경우에는 투과손실의 피크치는 로그함수적으로 증가하므로 직렬로 설치했을 때에 비하여 효과가 미비하다. 그러나, 공명기를 병렬로 배치하였을 때에는 대역폭이 넓어짐으로 공명주파수를 포함한 보다 넓은 영역의 소음을 감소시키는 효과가 있다. 공명기를 직렬 또는 병렬로 배치하여 나타나는 위와 같은 효과는 한국소음진동공학회의 2003년도 춘계학술대회 논문집의 178 ~ 183쪽에 수록된 본 출원인의 논문 '패널형 소음기의 투과손실 특성 연구'에 개시되어 있다.

본 발명은 넓은 대역의 소음을 저감시키기 위하여 위와 같은 공명기 배열의 특성을 이용한다. 이하, 본 발명의 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 공명기배열을 이용한 소음저감장치의 제1실시예를 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시된 소음저감장치에 따른 투과손실(transmission loss)을 나타낸 그래프이다.

유체가 유동되는 배관(10)의 외측에는 복수개의 공명기(20)가 설치되어 있다. 공명기(20)는 배관(10)의 길이방향(직렬)으로 설치됨과 아울러 배관(10)의 둘레방향(병렬)으로 설치되어 있다. 배관(10)에 직렬로 설치된 공명기(20)는 각기 다른 공명주파수를 가지며 배관(10)에 병렬로 설치된 공명기(20)는 동일한 공명주파수를 갖는다.

직렬로 설치된 공명기(20)는 도 2에 나타난 바와 같이 각기 고유한 주파수영역에서만 최고의 투과손실을 가지므로 해당 소음만을 감소시킬 수 있다. 반면, 병렬로 설치된 공명기(20)는 투과손실을 증가시킴과 동시에 주파수대역폭을 확대시킨다. 이 두 가지 배열의 병합으로 얻어지는 투과손실은 실선으로 나타난 바와 같이 각 공명기(20)의 주파수영역에서 높은 투과손실을 나타냄과 동시에 인접한 주파수영역까지 확대된 모습을 나타낸다. 따라서, 배관에 발생하는 주된 소음 몇 가지를 규정하고 이들과 같은 주파수의 공명기를 설계하여 배관의 외측에 직렬과 병렬로 배치하면 주된 소음 외에도 다른 잡음을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

한편, 저주파영역의 소음을 제거하기 위해서는 공명기의 크기가 주파수의 제곱근의 반비례하여 커야 한다. 그러나, 자동차용 배기구나 전자제품의 냉각 팬에 설치되는 공명기는 장소의 제약을 많이 받아 크기를 조절하는데 한계가 있다. 도 3은 본 발명의 제2실시예를 도시한 것으로서 좁은 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 공명기를 보여주고 있다.

본 실시예에서는 하나의 큰 몸체를 갖는 공명기(20) 내부에 이와 동일한 형태를 갖는 복수의 공명기(20)를 일정한 비율로 축소시켜 배치하였다. 내측에 설치되는 공명기(20)는 한 쪽 모서리를 기준으로 축소되어 배관으로 소통되는 출구가 형성되는데 지장이 없도록 하였다. 이와 같은 형태에서는 바깥쪽에 위치한 공명기(20)가 큰 체적을 가지며 안쪽에 위치한 공명기가 상대적으로 작은 체적을 가지므로 바깥쪽에서 안쪽으로 갈수록 공명기(20)의 공명주파수가 커진다. 이는 하나의 공명기(20)에 여러 개의 공명기(20)가 구비된 형태이므로 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 저주파에서 고주파에 이르기까지 다양한 소음이 발생되나 설치공간이 협소한 경우에는 위와 같은 형태의 공명기(20)를 설치하여 소음을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 소음저감장치에 따른 투과손실(transmission loss)을 나타낸 그래프로서, 각각의 공명기(20)가 다른 주파수영역을 갖고 있음을 보여준다. 위 그래프는 위와 같은 형태의 공명기를 사용했을 때의 투과손실을 나타낸 것으로서 배열 수를 늘리면 보다 높은 투과손실을 얻을 수 있다. 한편, 공명기의 단면적을 늘리면 공명기의 길이와 높이를 줄일 수 있어 설치공간을 보다 효율적으로 이용할 수 있다.

위 실시예에서는 공명기를 설치함에 있어서 높이에 제한이 있는 경우를 살펴보았다. 그러나, 경우에 따라 높이의 제한은 없으나 길이의 제한이 있는 경우가 있다. 예를 들어, 기계장치 내부에 설치되는 관과 같이 아주 짧은 구간을 연결하는 관에서 여러 종류의 소음이 발생하는 경우 문제가 된다.

도 5는 위와 같은 점을 감안하여 제안된 본 발명의 제3실시예를 도시한 것으로서 길이가 한정된 부재에서 발생되는 소음을 효율적으로 제거하는 공명기를 보여주고 있다.

배관(10)에는 길이방향으로 공명기(20)가 설치되어 있다. 공명기(20)는 배관(10)에 되도록 많이 설치될 수 있도록 단면적을 작게 하고 높이를 크게 하였다. 그리고 공명기(20)는 가능한 길게 형성하여 중간에 연결통로(21)가 형성된 칸막이(22)를 설치하였다. 칸막이(22)가 설치된 다자유도 공명기(20)는 서로 다른 체적의 울림공간을 가지므로 복수개의 공명주파수를 갖는다. 도 6은 이와 같은 형태를 갖는 공명기에 따른 소음저감장치에 따른 투과손실(transmission loss)을 나타낸 그래프이고, 도 7은 투과손실 특성을 1/3 옥타브(최고 주파수가 최저 주파수의2^1/3인 것) 밴드로 나타낸 것으로서, 기본적으로 설치된 공명기(20)의 주파수 외에 추가로 연결된 공명기(20)의 주파수대역에서도 투과손실이 있음을 보여주고 있다. 따라서, 길이가 짧은 배관에서 발생되는 소음도 본 실시예에 따른 공명기(20)를 통해 효율적으로 제거할 수 있다.

참고로, 위와 같이 복수의 공명주파수를 갖는 다자유도 공명기는 단일 공명주파수에서 피크를 가지고 그 주변 영역에서 뛰어난 소음 저감효과를 가지며, 다양한 공명기를 직렬로 배열한 것과 유사한 효과를 갖는다.

그러나, 다자유도 형태가 되면 각각의 공명기 요소가 공명주파수를 그대로 가지는 것이 아니고 서로 간의 영향으로 또 다른 주파수들을 가지게 되고 투과손실 크기도 변화된다. 때문에 여러 개의 공명주파수를 제어하고자 하는 주파수 영역에 근접하도록 하면서 각각의 공명주파수의 크기 또한 최대한 유지하도록 공명기를 설계해야 한다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이 1자유도, 2자유도, 3자유도의 공명기를 함께 이용하여 여러 개의 공명주파수들이 원하는 영역에 골고루 분포하도록 설치하는 것이 좋다.

몇 가지 실시예를 통해 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 설치공간을 최소화하면서도 여러 주파수대역의 공명기를 갖는 소음저감장치를 제공할 수 있다. 따라서, 좁은 공간에 설치된 배관을 통해 전파되는 여러 종류의 소음을 용이하게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

이상에서 공명기배열을 이용한 소음저감장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (5)

1. 배관을 통해 전파되는 소음을 제거하는 소음저감장치로서,

   상기 배관에 설치되는 각기 다른 주파수영역을 갖는 복수의 공명기를 포함하고, 이 공명기가 배관의 길이방향(직렬)과 둘레방향(병렬)으로 배치된 것을 특징으로 하는 공명기배열을 이용한 소음저감장치.
2. 청구항 1 에 있어서, 상기 배관에 병렬로 배치된 공명기는 서로 같은 주파수영역을 갖는 것을 특징으로 하는 공명기배열을 이용한 소음저감장치.
3. 청구항 1 에 있어서, 상기 배관에 직렬로 설치되는 공명기는 서로 같은 주파수 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 공명기배열을 이용한 소음저감장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서, 상기 직렬 배치된 복수의 공명기는 하나의 몸체에 한모서리를 기준으로 동일비율로 작아지는 형태인 것을 특징으로 하는 공명기배열을 이용한 소음저감장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서, 상기 공명기의 내부에는 서로 다른 주파수영역을 가지도록 공명기의 내부체적을 분할하는 칸막이가 설치되며, 이 칸막이에는 분할된 2개의 공간을 연통하는 연결통로가 마련된 것을 특징으로 하는 공명기배열을 이용한 소음저감장치.