KR20100042703A - 흡음봉을 구비한 방음판 및 이를 이용한 방음벽 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경 분야의 소음 제어 기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 흡음 성능을 크게 향상시킨 방음판 및 이를 이용한 방음벽에 관한 것이다.

본 발명은 방음판을 통상적인 흡음형 방음벽에 사용되는 방음판의 전면에 흡음봉을 설치하여, 방음판이 내부에 공기층을 갖는 구조로 하였다. 흡음봉은 외피(41)의 내부에 흡음재가 채워져 있는 구조로 하고, 반원형의 단면을 가진 막대 모양으로 하였다. 그리고 이러한 통상의 방음벽 구조에서 방음판을 상기와 같은 방음판을 사용한 방음벽을 구성하였다.

본 발명인 방음판은 흡음층이 뒤판의 흡음재와 흡음봉의 흡음재 사이에 공기층을 갖는 구조인데 이는 내부에 일정 두께의 공기층을 갖는 2중흡음재 구조이다. 이와 같은 2중흡음재 구조는 중·저주파수 소음에 대한 흡음 효과가 매우 좋다. 본 방음판은 헬름홀츠 공명기와 같은 모양으로 특정 주파수 대역의 소음을 선별적으로 감소시키는데 효과가 있다.

그리고 본 발명인 방음벽은 상기와 같은 음향적 효과가 그대로 나타나고, 목재 방음벽과 유사한 외관과 질감을 가지므로 외관이 우수하다.

방음벽, 방음판, 흡음봉, 인조 목재, 공기층, 헬름홀츠 공명기, 난반사

Description

흡음봉을 구비한 방음판 및 이를 이용한 방음벽{Soundproof Panel Having Sound Absorbing Bar and Sound Wall Using the Soundproof Panel}

본 발명은 환경 분야의 소음 제어 기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 흡음 성능을 크게 향상시킨 방음판 및 이를 이용한 방음벽에 관한 것이다.

도로교통 소음을 저감하기 위하여 방음벽이 가장 많이 설치되고 있는데, 통상적인 방음벽은 도 1에 도시한 바와 같이, 도로단에 콘크리트로 기초(300)를 형성하고, 이 기초 위에 일정 간격으로 지주(200)를 세우고, 이 지주에 방음판(100)을 설치하는 방법으로 설치된다. 방음판(100)은 지주에 형성된 홈에 연속적으로 삽입하는데, 방음판과 방음판 사이에 틈새가 생기지 않도록 한다. 소음은 틈새를 통하여 아주 잘 투과되므로, 방음판과 방음판의 사이에는 발포고무 등으로 제작된 밀봉재를 사용하기도 한다.

방음벽에 의한 소음저감 메커니즘은 음의 회절감쇠인데, 회절감쇠의 원리는 다음과 같다. 음원과 수음점 사이에 장해물이 없는 경우, 음파는 도 2에 도시된 바와 같이 음원으로부터 수음점에 직접 전달 경로(d)로 전달된다. 그러나 음원과 수음점 사이에 충분한 차음 능력이 있는 장애물이 있는 경우, 음원에서 발생한 음은 장해물의 상단을 지나는 회절 경로(A+B)를 따라 수음점에 도달하며, 이때 음이 저감된다.

소음저감을 목적으로 이러한 장벽을 인위적으로 설치한 장벽을 방음벽이라고 하는데, 방음벽의 감음량은 상기와 같이 경로차(δ)에 의하여 결정된다. 즉, 경로차가 크게 날수록 감음량이 크고, 음원과 수음점이 일정한 경우 이 경로 차는 오로지 방음벽의 높이에 따라 결정된다. 따라서 높은 감음량을 얻으려면 방음벽을 높게 설치하여야 한다. 즉, 방음벽의 설계에 있어서 가장 기본 사항은 방음벽의 높이를 결정하는 일이 된다.

상기와 같이 방음벽의 효과는 기본적으로 방음벽의 높이에 의하여 결정되지만, 부수적으로 방음벽을 구성하는 방음판이 일정 이상의 차음 성능을 가져 소음이 방음벽을 직접 투과하는 것을 방지하고, 소음이 입사하는 방음벽의 면에서 음이 흡수되어 방음벽의 효과를 보는 쪽의 반대편에서 반사음에 의하여 소음이 증가하는 것을 방지하여야 한다.

방음벽은 여러 방법으로 분류되는데, 일반적으로는 방음판 표면에서 음을 흡수하는지의 여부에 따라 반사형과 흡음형으로 나뉜다. 반사형 방음벽은 방음벽 표면에 입사한 음이 대부분 반사되는 성질의 방음벽으로서, 폴리카보네이트 등의 투명 재료를 이용한 투명 방음벽, 콘크리트 방음벽, 그리고 목재 방음벽 등이 있다.

반사형 방음벽의 경우, 방음벽 후면의 소음레벨은 이론적으로 계산한 회절감쇠를 고려한 것 보다 약간 높게 나타나는데, 이는 방음벽 상단에서 음원에서 직접 도달한 음과 방음벽에 의하여 반사된 음이 합해져서 방음벽 상단의 소음이 거리감 쇠를 고려한 이론적 소음레벨보다 높기 때문이다.

흡음형 방음벽은 방음벽 표면에 입사한 음이 대부분 흡수되어 소멸되는 성질의 방음벽으로서, 일정 정도의 차음 성능을 가진 금속판의 면에 유리솜(Glass Wool) 등의 흡음재를 설치하고, 흡음재를 보호하기 위하여 구멍 또는 슬릿이 형성된 금속판을 설치하는 형태로 제작된다. 이런 타입을 금속제 흡음형 방음벽이라고 한다.

상기와 같은 금속제 흡음형 방음벽은 제작과 설치가 용이하고, 방음벽의 면에서 입사된 음을 흡수하므로, 방음벽이 설치된 반대편에 반사음의 영향을 주지 않아 보편적으로 많이 사용되고 있다. 그리고 흡음형 방음벽은 방음벽에서 반사된 소음이 없으므로 방음벽 상단의 소음레벨을 높이지않으므로, 결과적으로 같은 높이의 반사형 방음벽에 비하여 방음벽의 효과가 좋은 것으로 나타난다.

상기한 바와 같이 소음저감 측면에서 유리한 흠음형 방음벽은 흡음재에 흡수가 잘 되는 고주파수 대역의 소음을 저감시키는 데에는 좋은 효과가 있으나, 중·저주파수 대역의 소음을 저감시키는 데에는 어려움이 있다. 방음벽은 주로 도로나 공장에 설치하게 되는데 도로소음과 공장소음 중에는 중·저주파수 성분도 많다. 기존 방음벽으로는 이런 중 저주파수의 소음 성분까지 충분한 정도로 흡음이 되게 하려면, 방음벽에 사용되는 방음판에 흡음재를 아주 두껍게 사용하거나, 중간에 공기층을 두고 흡음재를 2중으로 설치하여야 하는데, 이 경우 자재가 많이 소요되고 방음판이 두꺼워져서 제작비용이 증가하고, 운송과 설치작업이 어려운 문제점이 있다.

또한 통상의 흡음형 방음벽에 사용되는 방음판은 내부의 흡음재를 보호하기 위하여 표면을 원형 구멍 또는 슬릿을 형성한 타공판으로 보호하고 있는데, 형상이 단조로워 미관상 그다지 좋지 않다.

최근에는 방음벽의 미관을 고려하여 다양한 문양을 형성한 목재방음판을 사용한 목재방음벽이 많이 설치되고 있다. 이러한 목재방음벽은 방부처리를 하여 충분한 내구성이 있다. 그리고 목재방음벽은 방음벽의 면에 목재의 질감이 그대로 나타나고, 친자연적인 느낌을 주어 마관이 우수하다.

그러나 목재 방음벽은 기본적으로 음을 흡수하지 못하는 재료인 목재를 사용한 반사형 방음벽으로서, 반사형 방음벽이 가지는 음향적 한계를 극복하지 못한다.

상기와 같이 흡음형 방음벽은 소음저감 측면에서 반사형 방음벽보다 우수하나, 중, 저주파수의 소음에 대하여 흡음력이 낮고 미관이 좋지 않은 문제점이 있다. 반면 목재방음벽은 미관상 우수하나 기본적으로 반사형 방음벽이므로 소음저감 측면에서 불리하다.

따라서 소음저감 측면에서 종래의 방음벽보다 더 우수하고, 미관은 목재방음벽과 같이 우수한 방음벽이 요구된다. 이와 같은 목적을 달성하기 위한 새로운 방음벽은 다음과 같은 기술적 과제를 해결하여야 한다.

첫째, 방음판의 흠음 효과를 단순히 흡음재의 흡음 효과에만 의존해서는 안된다. 방음벽의 구조 측면에서 접근하여 좀 더 다양한 흡음 메케니즘을 통하여 흡음이 일어날 수 있게 하여야 하는데, 중·저주파수 대역의 소음에 대해서도 흡음 효과를 볼 수 있게 하여야 한다.

둘째, 경우에 따라서는 특정 주파수 성분의 소음만을 선별적으로 저감시킬 수 있어야 한다. 가령, 공장 등에서 특정 주파수 대역의 소음이 크게 문제되는 경우가 있는데 이는 기존의 방음벽으로는 해결이 불가능하며 오직 새로운 구조의 방음벽을 통해서만 해결할 수 있는 문제이다.

셋째, 방음벽에 도달하는 음파의 일부는 흡음재에 흡수되지만 또 다른 일부는 그대로 반사되는데, 반사되는 음파가 많을수록 방음벽의 방음 효과는 떨어지게 된다. 따라서 방음벽의 구조를 개선하여 반사되는 음파를 최소화하여야 한다.

넷째, 기존의 방음벽은 대부분 평평한 표면을 갖는다. 따라서 표면에서 음파의 반사가 규칙적으로 일어나서 방음벽의 효과를 보는 쪽의 반대쪽에서 반사음의 영향을 받아 방음벽을 설치하기 전보다 더 소음레벨이 높아지는 문제점이 있다. 따라서 방음벽의 면에서 반사음이 난반사 되도록 해서 음의 상호간 간섭을 유발하여 소멸되도록 하고 또한 반사음을 넓은 공간으로 확산시켜 반사음의 영향을 최소화 하여야 한다.

본 발명은 상기와 같은 기술적 문제점을 해결하고자, 방음판을 통상적인 흡음형 방음벽에 사용되는 방음판의 전면에 흡음봉을 설치하여, 방음판이 내부에 공기층을 갖는 구조로 하였다. 흡음봉은 외피(41)의 내부에 흡음재가 채워져 있는 구조로 하고, 반원형의 단면을 가진 막대 모양으로 하였다.

그리고 이러한 통상의 방음벽 구조에서 방음판을 상기와 같은 방음판을 사용하였다.

본 발명인 방음판은 흡음효과를 극대화할 수 있는 구조로 설계되었다. 본 방음판의 구조적 특성에 기한 소음저감효과는 다음과 같다.

첫째, 본 방음판은 흡음층이 뒤판의 흡음재와 흡음봉의 흡음재 사이에 공기층을 갖는 구조인데 이는 내부에 일정 두께의 공기층을 갖는 2중흡음재 구조이다. 이와 같은 2중흡음재 구조는 중·저주파수 소음에 대한 흡음 효과가 매우 뛰어난 것으로 알려져 있다. 따라서 본 방음판도 그 구조의 특성상 중, 저주파수 소음에 대하여 탁월한 흡음 효과를 가진다.

둘째, 본 방음판은 그 구조가, 내부의 넓은 공기층과 좁은 입구를 갖고 있는 모양인데 이는 헬름홀츠 공명기와 같은 모양이다. 헬름홀츠 공명기는 음파의 에너지가 공명기 내부에 충진된 공기의 진동으로 변환되어 결국 열로 소산되는 메커니즘을 갖으며 특정 주파수 대역의 소음을 선별적으로 감소시키는데 효과가 있다.

셋째, 본 방음판은 흡음봉의 단면을 반원형으로 할 경우, 표면에 입사한 음이 입사한 부위에 따라 각각 다른 방향으로 난반사된다. 이와 같이 표면에서 난반사가 일어나면, 입사음과 반사음 또는 반사음과 반사음 상호간의 간섭 현상을 일으켜 소음이 저감되고, 반사된 소음은 넓은 공간으로 확산되어 특정지역에 반사음이 집중되어 그 부위의 소음레벨이 증가하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명인 방음벽은 상기와 같은 음향적 특성을 가진 방음판을 사용한 것으로서, 상기와 같은 음향적 효과가 그대로 나타난다. 그리고 본 방음벽은 방음판의 앞쪽에 부착되는 흡음봉의 표면 재료에 의하여 목재 방음벽과 유사한 외관과 질감을 가지므로, 외관이 우수하다.

본발명인 방음판(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, 차음판(1), 차음판(1)의 가장자리에 차음판(1)의 일면으로 돌출되도록 부착되는 테두리프레임(2), 태두리프 레임(2)의 내부 차음판 위에 부착되는 흡음판(3), 그리고 태두리프레임(2)에 고정되는 흡음봉(4)을 포함하여 구성된다.

차음판(1)은 금속판, 목재, 또는 합성수지 재료로 제작한다. 이 차음판은 음의 투과를 차단하는 기능을 하는 것으로서, 충분한 투과손실을 가져 음의 투과를 차단하여야 한다. 이 차음판은 아연도금을 강판 또는 목재 판으로 제작한다.

판재의 차음성능은 그 판을 판을 투과하면서 음이 저감되는 정도인 투과손실(TL, Transmission Loss, 단위 dB)로 나타내는데, 판의 면밀도(단위면적당 질량, 밀도와 두께의 곱)가 클수록 증가하고, 다음 식으로 계산된다.

TL = 18 log(f·m) - 44 (dB),

여기서, f : 음의 주파수, m : 판의 면밀도

판의 면밀도는 판의 두께에 비례하는데, 큰 차음 성능을 달성하려면 두꺼운 판을 사용하면 된다. 방음벽의 경우 기대할 수 있는 최대 회절감쇠가 20dB 정도이므로, 방음판 전체의 차음 성능은 이보다 10 dB가 높은 30dB 정도면 족하다. 따라서 차음판의 두께는 사용재료의 면밀도와 상기 요구 투과손실 30dB를 감안하여 정한다.

차음판(1)의 크기와 형상은 다양하게 할 수 있으나 사각형으로 하는 것이 취급과 설치작업이 용이하다.

테두리프레임(2)은 상기 차음판(1)의 가장자리에 부착되어 차음판과 함께 높이가 낮은 상자형태를 형성한다. 테두리 프레임의 폭은 하기 흡음판(3)의 두께와 흡음판(3)과 흡음봉(4)의 간격을 합한 치수로 하는 것이 흡음봉(4)을 부착하기에 편리하다.

흡음판(3)은 다공질 재료로 이루어져 있으며 음을 흡수하여 열로 소산시키는 기능을 한다. 다공질 재료로는 유리솜(Glass Wool), 암면(Rock Wool), 발포 폴리에스테르 흡음재(통상 PE흡음재로 불린다.) 등 다양한 것을 사용할 수 있다. 흡음판(3)은 차음판(1) 위에 접착제로 부착하나 좀 더 견고한 부착을 위해 스터드(stud) 볼트를 사용할 수도 있다.

흡음판(3)으로 유리솜을 사용할 경우, 도 5에 도시된 것과 같이, 흡음재(31)의 표면에 흡음재 입자의 비산을 방지하기 위하여 글라스클로스등을 이용한 보호막(32)를 부착하고, 그리고 그 상면에 보호망(33)을 부착하여 구성된다. 보호망으로는 금속망이나 금속판에 작은 구멍을 연속적으로 천공한 타공판이 사용할 수 있다.

흡음봉(4)은 흡음판(3)과 일정 간격을 두고 부착하는데, 테두리프레임(2)을 일정 높이로 하여 테두리프레임(2)에 직접 부착하면 흡음판(3)과 일정 간격이 유지되도록 하는 것이 편리하다. 이 흡음봉(4)는 방음판(100)의 전면에 일정한 간격을 두고 다수 개가 부착되는데, 도 3에 도시된 바와 같이, 방음판의 길이방향으로 나란히 부착하는 것이 보통이지만, 방음판의 크기에 따라 미관을 고려하여 세로, 대각선방향, 다수겹의 마름모 형상, 다수겹의 사각형 형상 등으로 미관을 고려하여 다양한 방법으로 부착할 수 있다.

흡음봉(4)은 도 6에 도시된 것과 같이 외피(41)의 내부에 흡음재가 채워져 있는 구조이다. 외피(41)의 단면 향상은 미관을 고려하여, 사각, 삼각, 사다리꼴 등 다양한 형상으로 할 수 있으나, 반원형의 단면을 가진 막대 모양으로 하는 것이 입사하는 음을 난반사시켜 확산시키는데 유리하다. 외피(41)는 목재의 속을 파내고 제작할 수도 있으나, 목재의 질감을 가지도록 성형한 합성수지인 인조목재로 제작할 수 있다.

흡음봉(4)의 내부에 충진되는 흡음재(42)는 방음판의 흡음재와 같이 다양한 흡음재를 사용할 수 있는데, 유리솜을 사용할 경우 글라스클로스를 씌워 보호하고, 노출된 뒷면을 흡음판의 보호망과 동일한 타공판으로 제작한 흡음봉커버(43)를 덮어 보호하는 것이 좋다. 흡음봉커버(43)를 씌워도 흡음 효과를 그대로 유지할 수 있게 하기 위해서는 도 6와 같이 흡음봉 커버(43)의 타공 면적이 전체 면적의 30% 이상이 되도록 해야 한다. 흡음봉커버(43) 역시 인조목재로 제작하여, 흡음봉 외피(41)의 브래킷(44)에 나사로 고정하는 것이 편리하다. 도 7은 상기와 같이 구성된 흡음봉(4)의 조립 형상이다.

흡음봉(4)의 흡음 효과를 좀 더 향상시키기 위해 도 7에 도시한 바와 같이, 반원형(a) 또는 사각형 단면(b)의 외피(41)와 흡음봉커버(43)의 표면에 음이 입사할 수 있는 작은 구멍을 다수 구멍들을 형성할 수도 있는데, 이 경우 개구율(타공 면적/전체면적)이 30% 이상이 되도록 한다. 그럴 경우 흡음봉(4)의 표면에서 반사되는 음의 영향을 무시할 수 있다.

상기와 같이 구성된 방음판(100)은 흡음판(3)과 흡음봉 사이에 일정 두께의 공기층이 형성되어 이중흡음판 구조가 되는데, 흡음률 이론 및 실험에 의하면, 두 흡음재 사이에 공기층이 있으면 흡음 효과가 아주 좋아지며, 특히 중·저주파수 음 에 대한 흡음 효과가 획기적으로 커진다고 알려져 있다.

본 발명의 방음판(100)의 또 다른 구조적 특성은 방음판(100)이 공명기의 역할을 하는 점이다. 즉, 흡음판(3)과 흡음봉(4) 사이의 간격이 공명통이 되고, 흡음봉과 흡음봉 사이의 간격은 목(Throat)이 되는 헬름홀츠 공명기와 같은 모양이 된다. 이런 헬름홀츠 공명기는 음파의 에너지를 공기의 진동에너지로 변환시켜 소멸시키는 것으로서, 목의 길이(흡음봉의 두께)와 공명통의 크기(흡음판과 흡음봉의 간격)을 적당히 조절하여 특정 주파수의 음을 선별적으로 감쇄시킬 수 있으며, 특히 흡음재에 잘 흡수되지 않는 저주파수 대역의 특정 음에 대한 감음 효과를 아주 크게 할 수 있다.

본 방음판(100)의 흡음봉(4)의 단면 형상을 반원형으로 할 경우, 방음판에 입사하는 음을 난반사시켜 반사음을 넓은 공간으로 확산시켜 반사음이 한곳으로 집중되어 일으키는 문제를 해소할 수 있다. 즉, 도 8에 도시한 바와 같이, 평평한 면은 소음을 입사각과 동일한 반사각을 가지며 반사하는데 비해서 둥근 면은 입사한 소음을 상하 방향으로 골고루 분산시킨다. 이는 반사된 소음이 특정 방향으로 몰리는 것을 막아주고 이렇게 반사된 소음중 일부는 다시 인접 흡음봉(4)에 흡수되어 반사음의 영향을 최소화한다.

본 발명인 방음판과 이 방음판을 이용한 방음벽은 도로소음, 공장소음 등의 소음공해를 저감하는데 이용된다. 본 방음벽은 그 방음판을 공장의 건물 내부에 부 착하는 방식으로 사용하면 실내 소음을 저감할 목적으로도 사용할 수 있다.

도 1은 일반적인 방음벽의 조립도이다.

도 2는 방음벽에 의한 음의 회절 경로를 보인 것이다.

도 3은 본 발명인 방음벽의 구성도이다.

도 4는 방음판의 구성도이다.

도 5는 흡음판 구성도이다.

도 6은 흡음봉의 평면도와 측면도이다.

도 7은 흡음봉의 측면도와 표면 확대도이다.

도 8은 방음벽 표면에서의 난반사와 균일반사를 비교한 것이다.

* 중요 구성품 번호

100 : 방음판, 200 : H-빔 기둥, 300 : 기초부

1 : 차음판, 2 : 테두리프레임, 3 : 흡음판, 4 : 흡음봉, 5 : 받침대

31 : 흡음재, 32 : 글라스클로스, 33 : 보호망

41 : 흡음봉 케이스, 42 : 흡음재, 43 : 흡음봉 커버,44 : 브래킷,

45 : 볼트

Claims (3)

1. 일정 두께를 가진 판으로 제작되는, 차음판(1);

   상기 차음판(1)의 가장자리에 차음판(1)의 일면으로 돌출되도록 부착되는, 테두리프레임(2);

   상기 태두리프레임(2)의 내부 차음판 위에 부착되는 것으로서, 일정 두께의 흡음재(31)로 구성되는, 흡음판(3);

   그리고, 상기 흡음판(3)과 일정한 간격을 두고 흡음판(3)의 전면에 다수 개가 일정간격으로 상기 차음판(1) 또는 테두리프레임(2)에 고정되는 것으로서, 방음판의 전면으로 노출되는 외피(41)와 상기 외피(41)의 내부에 채워지는 흡음재(42)로 구성되는, 흡음봉(4);

   을 포함하여 구성되는, 방음판(100).
2. 제1항에 있어서, 상기 흡음봉(4)은,

   단면이 반원형 또는 사각형이고, 외피(41) 또는 흡음봉커버(43)에 다수의 구멍이 형성된 흡음봉인 것을 특징으로 하는, 방음판(100).
3. 제1항 또는 제2항의 방음판(100),

   상기 방음판이 고정되는 지주(200);

   그리고 상기 지주(200)가 고정되는 것으로서, 방음벽을 설치할 지반 위에 형 성되는, 기초(300);

   로 구성되는 방음벽.

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