KR20100128304A - 가스 유동 시스템 내의 가청 음향 주파수 관리를 위한 방법 - Google Patents

가스 유동 시스템 내의 가청 음향 주파수 관리를 위한 방법 Download PDF

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Abstract

방음 방법은 (a) 제1 밀도를 갖는 제1 매질 내에 배치된 구조체의 사실상 주기적인 어레이를 포함하는 적어도 하나의 방음벽 - 어레이는 구조체의 적어도 2개의 적어도 하나의 행을 포함하고, 구조체는 제1 밀도보다 큰 제2 밀도를 갖는 제2 매질로 형성되고, 제2 매질은 점탄성 매질, 탄성 매질, 또는 그의 조합이고, 제1 매질은 가스 상태의 매질임 - 을 제공하는 단계; 및 (b) 구조체의 행이 가스 흐름의 유동 방향에 수직인 방향으로 연장되는 방식으로 적어도 하나의 적어도 부분적으로 둘러싸인 가스 흐름 내에 적어도 하나의 방음벽을 배치하는 단계를 포함한다.

Description

가스 유동 시스템 내의 가청 음향 주파수 관리를 위한 방법{PROCESS FOR AUDIBLE ACOUSTIC FREQUENCY MANAGEMENT IN GAS FLOW SYSTEMS}
본 발명은 가스 유동으로부터 기인하는 가청 소음을 약화시키기 위한 방법에 관한 것이다.
우선권의 진술
본 출원은 내용이 본 명세서에 의해 참고로 포함되고 둘 모두가 2008년 3월 3일자로 출원된 미국 가출원 제61/033,177호 및 제61/033,198호의 우선권을 주장한다.
안면 마스크, 건물 및 운송 수단 내의 공기 이송 시스템과 같은 가스 유동 시스템이 상업, 산업 및 주거 환경에서 소음 공해의 용인할 수 없는 주요 원인일 수 있다. 예를 들어, 건물 및 운송 수단 내의 난방, 환기 및 공기 조화(HVAC) 시스템은 침투성 강제 공기 네트워크 또는 덕트 시스템과 함께 (팬과 같은) 공기-이동 장치를 포함한다. 덕트 시스템은 건물 또는 운송 수단 전체를 걸쳐 조화된 공기(공급 공기)를 분배하고 복귀 공기를 환기하거나 재순환시키는 데 사용된다. 이러한 강제된 공기의 층류 유동, 팬 소음, (예를 들어, 모퉁이, 만곡부 및 코너에서의) 덕트 벽에 대한 공기 유동의 충돌, 및 (전형적으로 시트 금속인) 덕트의 벽에 형성되는 진동 모드가 이러한 시스템에서 가청 소음의 주 원인이다.
이러한 소음을 약화시키기 위하여, 전통적인 방음 재료들, 예를 들어 (점성 분산 및 반사를 통해 각각 약화시키는) 흡수기 및 반사기가 가스 유동 통로 내에 설치되었다. 그러한 전통적인 재료들은 통상 주파수 선택적 음 조절을 제공하지 않고서 넓은 범위의 주파수에 걸쳐 활성이다. 활성 소음 제거(Active noise cancellation) 장비는 주파수 선택적 음 약화를 가능하게 하지만, 이는 전형적으로 한정된 공간에서 가장 효과적이며 출력과 제어를 제공하기 위한 전자 장비에 대한 투자 및 전자 장비의 작동을 요구한다. 저속 유동 덕트에서 주파수 선택적 음 제어를 제공하기 위하여 브래그 산란(Bragg scattering)이 제안되었으나, 그의 잠재적인 이점은 비교적 낮은 투과 손실(transmission loss)로 제한되는 것으로 보였다.
전통적인 방음벽(예를 들어, 조밀한 금속 시트 또는 플레이트)은 비교적 무겁고 기밀형인 경향이 있는데, 이는 재료로부터의 음 투과 손실이 일반적으로 그 질량과 강성의 함수이기 때문이다. 소위 "질량 법칙"(소정 주파수 범위에서 많은 전통적인 방음벽 재료에 적용가능함)은 재료의 단위 면적 당 중량이 배가되면, 재료를 통한 투과 손실이 6 데시벨(㏈) 만큼 증가하는 것을 나타낸다. 단위 면적 당 중량은 밀도가 더 높은 재료를 사용함으로써 또는 벽의 두께를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 그러나, 적어도 일부 가스 유동 응용에서, 부가된 중량은 바람직하지 않을 수 있고, 보다 중요하게는, 이러한 응용에 사용하기 위한 소음 감쇠기는 일반적으로 가스 유동을 상당히 차단하지 않거나 과도한 가스 압력 강하를 일으키지 말아야 한다.
따라서, 흡음기(예를 들어, 섬유질 또는 폼 재료)는, 전통적인 흡음 재료가 일반적으로 비교적 경량이고 비교적 다공이기 때문에, 가스 유동 시스템에 종종 사용되었다. 그러나, 다공성 흡음기의 기공 내의 세균 증식 및 수분 포획에 대한 결과적인 가능성으로 인하여, 다공성 흡음기는 일정 환경(예를 들어, HVAC 덕트)에서 사용하기에 덜 매력적일 수 있다. 이는 이러한 덕트 내의 라이너로서 다공성 흡수기 및 벽의 사용 가능성을 사실상 배제할 수 있다.
미국에서, 통기공 및 덕트는 전형적으로 외부에 절연되지만, 이의 주요 목적은 단열을 위한 것이다. 그러나, 덕트 길이의 일부는 종종 음향 제어를 위한 흡음기 재료로 내부가 라이닝되고, 적절한 경우, 기계식 음 감쇠기 또는 소음기(예를 들어, 베인(vane) 또는 배플 및/또는 댐퍼를 포함하는 상자)가 덕트 구조물 내에 배치된다. 기계식 감쇠기 및 소음기는 고가일 수 있고, 상당한 압력 강하를 가져올 수 있고, 에너지 소비를 증가시킬 수 있다. 저주파 음(예를 들어, 약 1000 헤르츠(㎐) 미만의 주파수)이 특히 까다로울 수 있는데, 이는 흡수기 및 기계식 감쇠기 또는 소음기(및 심지어 천장 타일과 같은 건물 방음벽을 포함하는 2차 방어선)가 종종 이러한 범위에 적절하지 않기 때문이다.
따라서, (세균 증식의 가능성을 감소시키거나 최소화하기 위해) 비교적 비-다공성인 그리고/또는 가스 유동을 상당히 차단하지 않거나 상당한 가스 압력 강하를 일으키지 않는 방음벽을 바람직하게는 사용하는 한편 가청 음향 주파수를 약화시키는 데 (음 투과를 감소시키거나 또는 바람직하게는 제거하는 데) 적어도 부분적으로 효과적일 수 있는 가스 유동 시스템 내의 소음을 관리 또는 제어하기 위한 방법에 대한 필요성이 있다는 것이 인식된다. 바람직하게는, 본 방법은 비교적 넓은 범위의 가청 주파수(바람직하게는, 약 1000 ㎐ 미만과 같은 저주파수를 포함)에 대해 적어도 부분적으로 효과적일 수 있고 그리고/또는 비교적 간단하고 비용-효율적으로 실행될 수 있다.
간단히 말해서, 일 태양에서, 본 발명은 방음 방법을 제공한다. 본 방법은 (a) 제1 밀도를 갖는 제1 매질 내에 배치된 구조체의 사실상 주기적인 어레이를 포함하는 적어도 하나의 방음벽 - 어레이는 구조체의 적어도 2개의 적어도 하나의 행을 포함하고, 구조체는 제1 밀도보다 큰 제2 밀도를 갖는 제2 매질로 형성되고, 제2 매질은 점탄성 매질, 탄성 매질, 또는 그의 조합이고, 제1 매질은 가스 상태의 매질(바람직하게는, 공기)임 - 을 제공하는 단계; 및 (b) 구조체의 행이 가스 흐름(바람직하게는, 가스 유동 덕트 내의 가스 흐름)의 유동 방향에 수직인 방향으로 연장되는 방식으로 적어도 하나의 적어도 부분적으로 둘러싸인 가스 흐름 내에 적어도 하나의 방음벽을 배치하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 구조체의 사실상 주기적인 어레이는 2차원 또는 3차원 어레이(더욱 바람직하게는, 2차원 어레이)이다.
바람직하게는, 제2 매질은 탄성 매질; 종방향 음파의 전파 속도 및 횡방향 음파의 전파 속도 - 종방향 음파의 전파 속도는 횡방향 음파의 전파 속도의 적어도 약 30배임 - 를 갖는 점탄성 매질; 또는 그의 조합이다. 탄성 매질은, 예를 들어 내구성을 요구하는 응용에 바람직할 수 있다. 점탄성 매질은, 예를 들어 경량 및/또는 저비용을 요구하는 응용에 바람직할 수 있다. 의외로, 점탄성 매질이 종종 까다로운 저주파수 음향 범위를 처리하는 데 예상외로 효과적이라는 것을 알게 되었다.
전술된 공간적으로 주기적인 어레이를 포함하는 방음벽을 형성하고 이를 가스 유동 시스템 내에 배치함으로써, 밴드 갭 형태의 효과적인 소음 약화 또는 적어도 상당한 가청 음향 투과 손실(예를 들어, 20 데시벨(㏈) 초과)이 가청 범위(즉, 20 헤르츠(㎐) 내지 20 킬로헤르츠(㎑)의 범위)의 적어도 일부에서 얻어질 수 있다는 것이 발견되었다. 음향 산업에서, 20 + ㏈ 정도의 약화는 투과에서 매우 큰 손실이며, 음향 출력의 100% 감소에 접근한다.
본 발명의 방법에 사용된 방음벽은 브래그 산란을 통한 소음 감소를 제공하고(사실상 주기적인 어레이는 포논 결정 구조임), 적어도 일부 실시 형태에서는, 비교적 경량이고 비교적 소형(예를 들어, 수 센티미터 이하 정도의 외부 치수를 가짐)일 수 있다. 재료의 선택, 구조체들의 개수, 구조체의 형상, 구조체들의 배열 또는 격자의 유형, 구조체들의 간격 등과 같은 설계 파라미터를 제어함으로써, 밴드 갭(들)의 개수 및 주파수와 이들의 폭이 조정될 수 있고, 또는 최소한, 투과 손실 수준이 주파수의 함수로서 조절될 수 있다.
포논 결정-기반 방음벽은 (예를 들어, 가스 흐름 또는 유동의 횡단면적의 적어도 일부에 걸쳐 연장되도록) 가스 유동 시스템 내에 배치되어 단지 선택된 주파수만이 방음벽을 통과하도록 할 수 있다. 방음벽은 사실상 비-다공성인 재료를 포함할 수 있고 그에 따라서 세균 증식이 우려되는 가스 유동 시스템에 유용할 수 있다. 더욱이, 방음벽의 구조체의 사실상 주기적인 어레이는 가스 유동이 상당히 차단되지 않거나 상당한 가스 압력 강하가 유도되지 않는 (가스 흐름 또는 유동의 횡단면적에 대해) 충분히 낮은 충전 분율(fill fraction)에서 효과적일 수 있다.
방음벽은 수동적(passive)이지만 여전히 주파수 선택적인 방식으로 음향 밴드 갭을 생성할 수 있다. 음향 산업에 사용되는 가장 일반적인 흡음기와 달리, 포논 결정-기반 벽은 투과 모드로 음을 제어한다. 밴드 갭의 주파수 범위 내에서, 구조체를 통한 입사 음파의 투과가 본질적으로 없을 수 있다. 밴드 갭은 항상 절대적이지 않지만(즉, 음 투과가 없음), 전술된 바와 같이, 음 투과 손실은 종종 20 데시벨(㏈) 이상 정도일 수 있다.
포논 결정-기반 방음벽은 음원과 수신체(receiver) 사이에 배치되어 단지 선택된 주파수만이 방음벽을 통과하도록 할 수 있다. 따라서 수신체는 여과된 음을 듣게 되며, 바람직하지 않은 주파수는 차단된다. 방음벽을 적절하게 구성함으로써, 투과된 주파수는 수신체에서 집중될 수 있거나, 바람직하지 않은 주파수는 (주파수 선택 거울과 매우 유사하게) 음원으로 다시 반사될 수 있다. 현재의 음향 재료와 달리, 포논 결정-기반 방음벽은 음파를 단순히 약화시키거나 반사하기 보다는, 음파를 사실상 관리하기 위해 사용될 수 있다.
따라서, 적어도 일부 실시 형태에서, 본 발명의 방법은 (세균 증식의 가능성을 최소화하기 위해) 비교적 비-다공성인 그리고/또는 가스 유동을 상당히 차단하지 않거나 상당한 가스 압력 강하를 일으키지 않는 방음벽을 바람직하게는 사용하는 한편 가청 음향 주파수를 약화시키는 데 적어도 부분적으로 효과적일 수 있는 가스 유동 시스템 내의 소음을 관리 또는 제어하기 위한 방법에 대한 앞서 인용된 필요성을 충족시킬 수 있다. 본 발명의 방법은 건물(예를 들어, 주택, 사무실, 병원 등) 내의 HVAC 시스템, 운송 수단(예를 들어, 자동차, 보트 및 비행기) 내의 HVAC 시스템, 가스(예를 들어, 공기) 이송을 위한 안면 마스크, 팬-포함 소비자 제품 등, 및 그의 조합을 포함하는 여러 다양한 가스 유동 시스템에서 방음을 제공하는 데 사용될 수 있다.
다음의 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위 및 첨부 도면에 관하여 본 발명의 이들 및 다른 특징, 태양 및 이점을 보다 잘 이해할 것이다.
<도 1>
도 1은 본 발명의 방법의 실시 형태에 사용하기 위한 방음벽을 제조하는 데 사용될 수 있는 개별 구조체 또는 어레이 구성요소의 사시도.
<도 2>
도 2는 본 발명의 방법의 실시 형태의 수행 시 가스 유동 덕트 내에 배치된, 도 1의 구조체(들)의 사실상 주기적인 어레이를 포함하는 방음벽의 사시도.
이상화된 이들 도면들은 실제 축척으로 도시되지 않고 단지 예시적이고 비한정적인 것으로 의도된다.
<도 3>
도 3은 실시예 1 및 실시예 2에 기술된 본 발명의 방법의 실시 형태 및 비교예 1에 기술된 방법에 대한, 음압 수준(dBA 단위) 대 주파수(㎐ 단위)의 도표.
재료
본 발명의 방법에 사용된 방음벽의 전술된 점탄성 성분 또는 매질로 이용하기 적합한 재료는 점탄성 고체 및 액체를 포함한다. 유용한 점탄성 고체 및 액체는 주위 온도(예를 들어, 약 20℃)에서 약 5 x 106 파스칼(Pa) 이하의 정상 전단 고원 탄성률(steady shear plateau modulus)(Go N)을 갖는 것들을 포함하며, 정상 전단 고원 탄성률은 바람직하게는 재료의 유리 전이 온도(Tg)보다 약 30 K 내지 약 100 K 높은 온도에 미친다. 바람직하게는, 점탄성 재료는 주변 온도(예를 들어, 약 20℃)에서 약 1 x 106 Pa 이하(더욱 바람직하게는, 약 1 x 105 Pa 이하)의 정상 전단 고원 탄성률을 갖는다. 바람직한 점탄성 재료는 (바람직하게는, 적어도 음향 주파수의 가청 범위 내에서) 그의 횡방향 음파의 전파 속도의 적어도 약 30배(바람직하게는, 적어도 약 50배; 더욱 바람직하게는, 적어도 약 75배; 가장 바람직하게는, 적어도 약 100배)인 종방향 음파의 전파 속도를 갖는다.
유용한 점탄성 재료의 예는 탄성중합체(예를 들어, 열가소성 탄성중합체 및 탄성중합체 폼을 포함), 점탄성 액체 등, 및 그의 조합(바람직하게는, 적어도 일부 응용을 위해서는, 탄성중합체 및 그의 조합)을 비롯한 다양한 형태의 고무질 중합체 조성물(예를 들어, 약하게 가교결합된 또는 반결정성 중합체 포함)을 포함한다. 유용한 탄성중합체는 단일중합체 및 공중합체(블록, 그래프트, 및 랜덤 공중합체 포함) 둘 모두, 무기 및 유기 중합체 둘 모두 및 그 조합, 및 선형 또는 분지형인 중합체 및/또는 상호침투성 또는 반-상호침투성 네트워크 형태이거나 다른 복합 형태(예를 들어, 스타 중합체)인 중합체를 포함한다. 유용한 점탄성 액체는 중합체 용융물, 용액 및 젤(하이드로젤 및 이온성 중합체 젤 포함)을 포함한다.
바람직한 점탄성 고체는 실리콘 고무(바람직하게는, 약 20A 내지 약 70A; 더욱 바람직하게는, 약 30A 내지 약 50A의 듀로미터 경도(durometer hardness)를 가짐), 에피클로로하이드린 고무(바람직하게는, 에피클로로하이드린 폐쇄 셀 폼(closed cell foam)), (메트)아크릴레이트(아크릴레이트 및/또는 메타크릴레이트) 중합체(바람직하게는, 아이소옥틸아크릴레이트(IOA)와 아크릴산(AA)의 공중합체), 블록 공중합체(바람직하게는 스티렌, 에틸렌 및 부틸렌을 포함), 셀룰로오스 중합체(바람직하게는, 코르크), 유기 중합체(바람직하게는, 폴리우레탄) 및 폴리다이오르가노실록산 폴리아미드 블록 공중합체(바람직하게는, 실리콘 폴리옥사미드 블록 공중합체)의 블렌드, 네오프렌, 및 그의 조합을 포함한다. 바람직한 점탄성 액체는 광유-개질된 블록 공중합체, 하이드로젤, 이온성 중합체 젤, 및 그의 조합을 포함한다.
그러한 점탄성 고체와 액체는 공지 방법에 의해 제조될 수 있다. 다수는 구매가능하다.
본 발명의 방법에 사용된 방음벽의 전술된 탄성 성분 또는 매질로 이용하기 적합한 재료는 본질적으로 모든 탄성 재료를 포함한다. 그러나, 바람직한 탄성 재료는 적어도 약 2000 미터/초(m/s)인 음의 종방향 속도를 갖는 것들을 포함한다.
탄성 고체의 유용한 부류는 금속(및 그의 합금), 무기 미네랄(예를 들어, 펄라이트 및 에어로젤), 유리질 중합체(예를 들어, 경화된 에폭시 수지) 등, 및 그의 조합(예를 들어, 중합체성 결합제 매트릭스 내의 금속 분말 또는 금속 부스러기의 복합재와 같은 금속-중합체 복합재를 포함)을 포함한다. 탄성 고체의 바람직한 부류는 금속, 금속 합금, 유리질 중합체, 및 그의 조합(더욱 바람직하게는, 구리, 알루미늄, 에폭시 수지, 구리 합금, 알루미늄 합금, 및 그의 조합; 더욱 더 바람직하게는, 구리, 알루미늄, 구리 합금, 알루미늄 합금, 및 그의 조합; 더욱 한층 더 바람직하게는, 구리, 구리 합금, 및 그의 조합; 가장 바람직하게는, 구리)을 포함한다.
그러한 탄성 재료는 공지 방법에 의해 제조되거나 얻어질 수 있다. 다수는 구매가능하다.
원하는 경우, 본 발명의 방법에 사용되는 방음벽은 선택적으로 다른 성분 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방음벽은 하나 초과의 점탄성 재료 및/또는 하나 초과의 전술된 탄성 재료를 포함할 수 있다. 방음벽의 원하는 음향 특성이 용인할 수 없는 영향을 받지 않는다면, 종래의 첨가제 재료가 포함될 수 있다(예를 들어, 비교적 고온에서 중합체 안정성을 향상시키기 위하여 산화방지제가 존재할 수 있다).
방음벽의 제조
본 발명의 방음 방법에 사용된 방음벽은 제1 밀도를 갖는 제1 매질 내에 배치된 구조체의 사실상 주기적인 (밴드 갭이 형성될 수 있을 만큼 충분히 주기적인) 어레이를 포함하고, 어레이는 구조체의 적어도 2개의 적어도 하나의 행을 포함하고, 구조체는 제1 밀도보다 큰 제2 밀도를 갖는 제2 매질로 형성되고, 제2 매질은 점탄성 매질, 탄성 매질, 또는 그의 조합이고, 제1 매질은 가스 상태의 매질(바람직하게는, 공기)이다. 적어도 일부 응용의 경우, 제2 밀도 대 제1 밀도의 비는 바람직하게는 적어도 약 1000일 수 있다. 바람직하게는, 구조체의 사실상 주기적인 어레이는 2차원 또는 3차원 어레이(더욱 바람직하게는, 2차원 어레이)이다.
바람직하게는, 제2 매질은 탄성 매질; 종방향 음파의 전파 속도 및 횡방향 음파의 전파 속도 - 종방향 음파의 전파 속도는 횡방향 음파의 전파 속도의 적어도 약 30배임 - 를 갖는 점탄성 매질; 또는 그의 조합이다. 탄성 매질은, 예를 들어 내구성을 요구하는 응용에 바람직할 수 있다. 점탄성 매질은, 예를 들어 경량 및/또는 저비용을 요구하는 응용에 바람직할 수 있다. 전술된 (그리고, 아래 "방음벽의 사용"이라는 제목의 섹션에서 더 상세히 설명되는) 바와 같이, 점탄성 매질이 종종 까다로운 저주파수 음향 범위를 처리하는 데 예상외로 효과적이라는 것을 알게 되었다.
어레이의 구조체의 노출된 표면은 바람직하게는, 세균 증식의 가능성을 감소시키거나 최소화하기 위하여, 사실상 매끈하고 그리고/또는 비-다공성(예를 들어, 크기가 약 1 마이크로미터이하인 표면 특징부 및/또는 기공 직경을 가짐)이다. 노출된 표면은 바람직하게는 세제곱센티미터당 약 1 그램 이상의 밀도를 갖는 재료를 포함한다. 따라서, 노출된 표면은 바람직하게는 전통적인 폼 또는 섬유질 흡수기 재료 이외의 재료(들)를 포함하거나, 그(들)로 구성되거나, 본질적으로 그(들)로 구성된다(또는, 만일 그러한 다공성 재료가 사용되는 경우, 적어도 재료의 노출된 표면은 표면 조도 및/또는 다공도를 감소시키기 위하여 실링(sealing) 또는 글레이징(glazing) 등과 같은 방식으로 처리된다).
소정 재료의 선택은 또한 구조체의 항균 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 구리는 그의 고유 항균 특성을 위해 선택될 수 있다.
사실상 주기적인 어레이의 형성 시, 구조체용 재료(들)(제2 매질)는 전술된 밀도 특성에 따라서 전술된 점탄성 및 탄성 재료로부터 선택될 수 있다. 구조체는 중실이거나 적어도 부분적으로 중공(바람직하게는, 적어도 부분적으로 중공)일 수 있다. 구조체는, 특정 밀도, 탄성, 및/또는 점탄성 특성이 유지된다면, 다른 재료를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 구조체는 하나 이상의 무점성 유체(예를 들어, 중공 구조체 내에, 무점성 유체가 공기 코어의 형태로 존재할 수 있음)를 포함할 수 있다.
어레이 내의 구조체는 바람직하게는 (예를 들어, 형상, 크기, 조성 등에 있어서) 사실상 동일하다. 그러나, 어레이 내의 구조체의 개수(및 크기)는, 예를 들어 특정 가스 유동 시스템 내의 가스 유동의 횡단면적 및/또는 소정 음향 주파수 필터링의 바람직함과 같은 요인에 따라 어레이마다 광범위하게 변할 수 있다.
구조체의 형상 또는 구성은 또한 어레이마다 광범위하게 변할 수 있고, 기하학적 형상의 고체(예를 들어, 구, 직사각형 고체, 실린더형 고체, 삼각형 고체, 다른 폐 다각형 고체 등) 및 적어도 부분적으로 중공인 그의 변형체, 환상 구조체(예를 들어, 외부 파이프 내의 내부 파이프 또는 막대) 등(바람직하게는, 구, 원형 실린더, 적어도 부분적으로 중공인 그의 변형체, 및 그의 조합; 더욱 바람직하게는, 원형 실린더, 적어도 부분적으로 중공인 원형 실린더, 및 그의 조합; 가장 바람직하게는, 적어도 부분적으로 중공인 원형 실린더)을 포함할 수 있다. 원하는 경우, 가스 유동 시스템 내에서 가스 압력 강하를 최소화하는 것을 도울 수 있는 공기역학적 형상(예를 들어, 에어포일(공기foil) 등)이 이용될 수 있다.
구조체의 치수(예를 들어, 높이 및 횡단면적과, 중공 구조체의 경우 두께)는 특정 가스 유동 응용의 공간적 그리고/또는 음향적 요구에 따라, 어레이마다 (예를 들어, 수 밀리미터의 정도에서부터 1미터 이상만큼 큰 범위까지) 광범위하게 변할 수 있다. 원하는 경우, 구조체는 (예를 들어, 동심 환상 구조체 형태의) 다층 구조체일 수 있다.
구조체는 부착 또는 배치의 임의의 공지된 또는 이후-개발되는 방법 또는 방식에 의해 가스 유동 시스템에 개별적으로 또는 집합적으로 부착될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 방음벽은 가스 유동 시스템의 진동(예를 들어, 방음벽이 삽입되는 가스 유동 덕트의 진동)으로부터 방음벽을 효과적으로 결합해제할 수 있는 중간에 개재되는 부착, 배치 및/또는 억제 구성요소(예를 들어, 댐퍼, 슬라이더, 스페이서 등, 또는 이의 조합을 포함하는 프레임)를 추가로 포함한다.
생성된 방음벽은 거시 구조체(예를 들어, 수 센티미터 이하 정도의 크기 규모를 가짐)일 수 있다. 원하는 경우, 방음벽은 가스 매트릭스(예를 들어, 공기)에 의해 둘러싸인, 그의 격자 부위에서 균일한 크기와 균일한 형상의 구조체를 가진 공간적으로 주기적인 격자 형태를 취할 수 있다. 그러한 방음벽을 위한 설계 파라미터는 격자의 유형(예를 들어, 정사각형, 삼각형 등), 격자 부위들 사이의 간격(격자 상수), 단위 셀의 구성 및 형상(예를 들어, 구조체에 의해 점유되는 단위 셀의 분획 면적으로 f, 소위 "필 팩터(fill factor)"로도 알려짐), 이용되는 재료의 물리적 특성(예를 들어, 밀도, 포아송비(Poisson ratio), 계수 등), 구조체의 형상(예를 들어, 막대, 구, 중공 막대, 정사각형 기둥, 등) 등을 포함한다. 그러한 설계 파라미터를 조절함으로써, 생성된 밴드 갭의 주파수, 갭의 개수, 및 그의 폭이 조절될 수 있으며, 또는 최소한으로, 투과 손실의 수준이 주파수의 함수로서 조절될 수 있다.
바람직한 어레이는 필 팩터가 약 0.1 내지 약 0.65 이상(더욱 바람직하게는, 약 0.2 내지 약 0.6; 가장 바람직하게는, 약 0.3 내지 약 0.55)의 범위에 있는 것들을 포함한다. 바람직한 유형의 격자는, 방음벽의 존재로 인한 임의의 가스 압력 강하를 최소화하도록, (예를 들어, 구조체들의 엇갈려 배치된 행을 갖는 것들보다는 오히려) 비교적 "개방"된 것들을 포함한다. 따라서, 바람직한 격자는 삼각형 이외의 것들(더욱 바람직하게는, 정사각형 격자, 직사각형 격자, 및 그의 조합)을 포함한다.
바람직하게는, 방음벽은 가스 매트릭스에 의해 둘러싸인 정사각형 격자 패턴의 실린더형 구조체(중실 또는 적어도 부분적으로 중공) 형태의 2차원 또는 3차원 어레이(더욱 바람직하게는, 2차원 어레이)이다. 실린더형 구조체는 더욱 바람직하게는 원형 실린더형 구조체(중실 또는 적어도 부분적으로 중공), 가장 바람직하게는 적어도 하나의 금속, 적어도 하나의 점탄성 재료, 또는 그의 조합을 포함하는 중공 원형 실린더형 구조체이다.
그러한 방음벽의 어레이의 구성요소 구조체의 총 개수는, 예를 들어 2만큼 적은 수 내지 수백 이상만큼 높은 수의 범위일 수 있다. 구조체의 치수는 또한 (예를 들어, 필터링될 원하는 음향 주파수 및/또는 가스 흐름 크기에 따라) 광범위하게 변할 수 있으나 바람직하게는 수 센티미터 이하 정도이다. 구조체의 그러한 치수 및 개수는 수 센티미터 이하 정도의 치수를 갖는 방음벽을 제공할 수 있다. 원하는 경우, 다층 구조체의 다양한 층은 하나 이상의 다른 층의 부가 이전에 (예를 들어, 계면활성제 조성물 또는 아이소프로판올을 이용하여) 세척될 수 있고, 그리고/또는 하나 이상의 접합제(예를 들어, 접착제 또는 기계적 패스너)가 선택적으로 (원하는 음향에 상당한 간섭이 없다면) 이용될 수 있다.
바람직한 방음벽은 가스 흐름의 횡단면적의 적어도 일부에 걸쳐있을 수 있는 2 이상의 구조체(바람직하게는, 중공 구조체)의 1 내지 약 4 행(더욱 바람직하게는, 1 내지 3 행; 가장 바람직하게는, 1 또는 2 행)을 포함한다. (일반적으로, 방음벽의 존재로 인한 임의의 생성된 가스 압력 강하를 최소화하기 위하여, 특정 응용에 대해 원하는 음향 효과를 제공할 수 있는 최소 개수의 행 및/또는 열이 바람직할 수 있다.) 구조체는 점탄성 재료(바람직하게는, 실리콘 고무, 아크릴레이트 중합체, 또는 그의 조합) 및/또는 탄성 재료(바람직하게는, 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 또는 그의 조합; 더욱 바람직하게는, 구리, 구리 합금, 또는 그의 조합)를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법에 사용된 방음벽은 선택적으로 하나 이상의 종래의 또는 이후-개발되는 방음체(예를 들어, 종래의 흡수기, 종래의 벽, 국부 공명 구조체 등, 및 그의 조합; 바람직하게는, 국부 공명 구조체)를 추가로 포함할 수 있고, 그리고/또는 가스 유동의 다른 태양(예를 들어, 필터링, 열 관리 등)을 처리하는 하나 이상의 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 원하는 경우, 그러한 종래의 방음체는, 예를 들어 방음벽의 주파수 효과 범위를 넓히기 위하여, 층화될 수 있다.
방음벽의 사용
전술된 방음벽은 가스 유동 시스템 내의 (바람직하게는, 가스 유동 덕트 내의) 적어도 부분적으로 둘러싸인 가스 흐름 내에 하나 이상의 방음벽을 배치함으로써 본 발명의 방음 방법을 수행하는 데 사용될 수 있다. 그러한 가스 유동 시스템은 건물 및 운송 수단 내의 HVAC 덕트 시스템, 배기 라인 등을 포함한다. 바람직하게는, 방음벽은 방음벽이 가스 흐름의 횡단면적의 적어도 일부에 걸쳐있는 방식으로 가스 흐름 내에 배치될 수 있다.
일반적으로, 그러한 사용은 음원(바람직하게는, 가청 음향 주파수 공급원)과 수음체(바람직하게는, 가청 음향 주파수의 수신체) 사이에 방음벽을 개재시키거나 배치시키는 것을 포함할 수 있다. 가스 유동 시스템 내의 통상의 음원은 가스 유동으로 인한 소음, 팬 소음 등(바람직하게는, 가청 성분을 가진 소음 또는 다른 음; 더욱 바람직하게는, 약 250 ㎐ 내지 약 10,000 ㎐ 범위의 주파수 성분을 가진 소음 또는 다른 음)을 포함한다. 수음체는, 예를 들어 사람의 귀, 임의의 다양한 녹음 장치, 등(바람직하게는 사람의 귀)일 수 있다.
전술된 방음벽은 비교적 넓은 범위의 가청 주파수를 처리하는 데 특히 효과적일 수 있다. 그러나, 원하는 경우, 방음벽은 (특히, 예를 들어 약 1000 ㎐ 미만과 같은 저주파수에서) 더 넓은 필터링 작용을 제공하기 위하여 하나 이상의 국부 공명 구조체와 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 방법은 하나 이상의 방음벽을 가스 유동 시스템의 가스 흐름 내의 본질적으로 임의의 적합한 위치에 배치함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 방법의 실시 형태에서, 공기 코어(12) 및 탄성 (예를 들어, 금속) 또는 점탄성 쉘(14)을 포함하는 (도 1에 도시된) 중공 구조체(10)의 사실상 주기적인 어레이를 포함하는 (도 2에 도시된) 방음벽(20)이 (도 2에 도시된) 가스 덕트(40)를 통해 유동하는 가스 흐름(30) 내에 배치된다. 가스 유동 시스템 내에 다수의 방음벽에 대한 필요성을 감소시키기 위하여, 방음벽은 바람직하게는 가스 유동 시스템의 음원에 비교적 가까이 (예를 들어, HVAC 시스템의 열악한 위치(furnace)에 비교적 가까이) 배치될 수 있다.
본 발명의 방법은 가청 범위의 비교적 큰 부분에 걸쳐 투과 손실을 이루기 위해 사용될 수 있다(바람직한 실시 형태는 약 800 ㎐ 내지 약 10,000 ㎐의 범위에 걸쳐 약 20 ㏈ 이상인 투과 손실을 제공하며; 더욱 바람직한 실시 형태는 약 500 ㎐ 내지 약 10,000 ㎐의 범위에 걸쳐 약 20 ㏈ 이상인 투과 손실을 제공하며; 더욱 더 바람직한 실시 형태는 약 250 ㎐ 내지 약 10,000 ㎐의 범위에 걸쳐 약 20 ㏈ 이상인 투과 손실을 제공하며; 가장 바람직한 실시 형태는 약 500 ㎐ 내지 약 10,000 ㎐ 범위의 적어도 일부에 걸쳐 사실상 전체 투과 손실을 제공한다). 그러한 투과 손실은 다공성 흡수기 재료의 사용 없이 그리고/또는 상당한 가스 압력 강하 없이(예를 들어, 약 25 퍼센트 미만; 바람직하게는, 약 10 퍼센트 미만) 달성될 수 있다.
의외로, 점탄성 매질이 종종 까다로운 저주파수 음향 범위를 처리하는 데 예상외로 효과적이라는 것을 알게 되었다. 중공 구조체의 사실상 주기적인 어레이의 형성 시 점탄성 매질이 제2 매질로서 사용될 때, 생성된 방음벽이 포논 밴드갭을 나타낼뿐만 아니라 의외로 저주파수(1500 ㎐ 미만; 예를 들어, 포논 밴드갭의 브래그 주파수 아래 약 두 자릿수)에서 더 좁은 국부 공명 밴드갭을 나타낼 수 있다는 것을 발견하였다. 따라서, 그러한 방음벽은 포논 밴드갭의 고주파수에서 방음을 제공하는 것에 더하여 성가신 개별 저주파수를 목표로 삼는 데 유용할 수 있다.
[실시예]
본 발명의 목적 및 이점은 하기의 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 실시예에 인용된 특정 물질 및 그 양뿐만 아니라 기타 조건이나 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 실시예에서 모든 부, 백분율, 비 등은 달리 표시되지 않으면 중량 기준이다. 달리 표시되지 않으면 용매 및 다른 시약은 미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마-알드리치 케미칼 컴퍼니(Sigma-Aldrich Chemical Company)로부터 입수하였다.
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1
실험용 HVAC 덕트 시스템을 구성하였다. 시스템은, 쓰리엠™ 씬슐레이트™ 어쿠스틱 인슐레이션(3M™ Thinsulate™ Acoustic Insulation) 내에 외부가 감싸이고 0.019 m(3/4 인치) 두께의 개방-단부형 베니어판 상자 내에 배치된, 0.09 m X 0.26 m의 치수를 갖는 직사각형 단면의 0.91 m(3 피트) 길이의 시트 금속(알루미늄) 덕트를 포함하였다. 공기를 덕트 내로 균일하게 분배하는 것을 돕도록 상자의 일 단부에 디퓨저(diffuser)를 부착하였다.
2개의 방음벽(하나를 "작은 튜브 조립체"라 하고 다른 하나는 "큰 튜브 조립체"라 함)을 중공 구리 파이프(미국 일리노이주 엘름허스트 소재의 맥마스터-카르 인크.(McMaster-Carr Inc.)로부터 입수가능한 원형 실린더)로 구성하였다. "작은 튜브 조립체"는 (맥마스터-카르로부터 주문된 바와 같은) 0.028575 m(1 1/8 인치) 외경(O.D.)과 0.026949 m(1.061 인치) 내경(I.D.)의 맥마스터-카르 부품 번호 8967K111로 0.0008128 m(0.032 인치) 벽 두께와 0.914 m(3 피트) 길이를 갖는 구리 튜브(직선형)인 중공 구리 파이프로 구성하였다. "큰 튜브 조립체"는 (맥마스터-카르로부터 주문된 바와 같은) 0.050800 m(2 인치) O.D.와 0.049174 m(1.936 인치) I.D.의 맥마스터-카르 부품 번호 8967K77로 0.0008128 m(0.032 인치) 벽 두께와 0.914 m(3 피트) 길이를 갖는 구리 튜브(직선형)인 중공 구리 파이프로 구성하였다.
양 조립체에서, 파이프들의 상부 및 하부에 2개의 0.003175 m(0.125 인치) 두께 알루미늄 플레이트에 의해 에지 볼트로 함께 보유되는 2차원의 사실상 주기적인 어레이로 구리 튜브를 배열하였다. 원하는 격자 구조로 개별 파이프를 보유하기 위하여 플레이트에는 0.002362 m(0.093 인치) 두께의 원형 홈이 커팅되어 있었다. 방음벽은 덕트 내측에 비교적 밀착되어 끼워지도록 0.26 m보다 약간 작은 폭과 0.09 m보다 약간 작은 높이를 가졌다.
작은 튜브 조립체(실시예 1)는 0.029997 m(1.181 인치)의 격자 파라미터를 갖는 정사각형 격자 패턴으로 배열된 파이프의 3개 행(각각의 행은 덕트의 폭에 완전히 걸치도록 2개의 에지에서 중심 및 2 부분의 파이프를 따라 7개의 전체 파이프로 이루어짐)을 갖는다. 큰 튜브 조립체(실시예 2)는 0.0599948 m(2.362 인치)의 격자 파라미터를 갖는 정사각형 격자 패턴으로 배열된 파이프의 3개 행(각각의 행은 덕트의 폭에 완전히 걸치도록 2개의 에지에서 중심 및 2 부분의 파이프를 따라 2개의 전체 파이프로 이루어짐)을 갖는다.
각각의 방음벽을 시험하기 위하여, 방음벽을 덕트의 디퓨저가 없는 단부로부터 0.3048 m(12 인치) 거리에 두었다. 본질적으로 모든 공기가 방음벽 둘레로 누출되기보다는 방음벽을 통해 이동하는 것을 보장하기 위하여 방음벽 둘레를 쓰리엠™ 씬슐레이트™ 어쿠스틱 인슐레이션으로 둘러쌌다. 라손 데이비스(Larson Davis™) 모델 2900B 리얼 타임 애널라이저(Real Time Analyzer(RTA))에 접속된 라손 데이비스 시스템 824 사운드 레벨 미터(Sound Level Meter(SLM))(이들 둘 모두 미국 뉴욕주 14043-2495 뎁퓨 3425 월든 애비뉴 소재의 라손 데이비스 인크.의 피씨비 일렉트로닉스 디비젼(PCB Electronics Div.)으로부터 입수가능함)를 방음벽으로서 동일한 단부(디퓨저가 없는 단부) 상에 덕트의 단부로부터 0.1143 m(4.5 인치) 만큼 삽입하였다. 가능한 많은 주변 소음을 감소시키기 위하여 쓰리엠TM 씬슐레이트™ 어쿠스틱 인슐레이션을 상자 및 SLM 위에 둘러쌌다.
공기 흐름을 덕트 내로 도입시키기 위하여 압축된 공기 호스를 사용하였다. 덕트로의 입구의 바닥에서 디퓨저 내에 0.0508 m(2 인치) 만큼 호스를 삽입하였다. 모든 음압 수준이 측정되는 동안 압축된 공기를 연속하여 도입 및 유지시켰다. 각각의 측정은 SLM에서 10초 동안의 기록으로 이루어졌다. 이러한 기록 과정은 작은 튜브 조립체(실시예 1), 큰 튜브 조립체 (실시예 2), 및 대조군(방음벽이 없는 덕트; 비교예 1)의 각각에 대해 전체 5회 측정 동안 반복하였다. 주파수(㎐ 단위)의 함수로서 결과적인 음압 수준 측정(dBA 단위; 즉, A-가중 데시벨 척도)을 기록하고, 그의 평균을 구하고, 도표로 그려서, 생성된 그래프 데이터가 도 3에 도시되어 있다.
본 명세서에 인용된 특허, 특허 문서, 및 간행물에 포함된 참고 설명은 마치 각각이 개별적으로 포함되는 것처럼 전체적으로 참고로 포함된다. 본 발명의 범주 및 취지를 벗어나지 않고도 본 발명에 대한 다양한 예측할 수 없는 변형 및 변경이 당업자에게 명백하게 될 것이다. 본 발명을 본 명세서에 설명된 예시적 실시 형태 및 실시예로 부당하게 제한하려는 것이 아니며, 그러한 실시예 및 실시 형태는 본 명세서에서 하기와 같이 설명된 특허청구범위에 의해서만 제한하려는 본 발명의 범위와 함께 단지 예로서 제시된다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (25)

  1. (a) 제1 밀도를 갖는 제1 매질 내에 배치된 구조체의 사실상 주기적인 어레이를 포함하는 적어도 하나의 방음벽 - 상기 어레이는 적어도 2개의 상기 구조체의 적어도 하나의 행을 포함하고, 상기 구조체는 상기 제1 밀도보다 큰 제2 밀도를 갖는 제2 매질로 형성되고, 상기 제2 매질은 점탄성 매질, 탄성 매질, 또는 그의 조합이고, 상기 제1 매질은 가스 상태의 매질임 - 을 제공하는 단계; 및
    (b) 상기 구조체의 행이 가스 흐름의 유동 방향에 수직인 방향으로 연장되는 방식으로 적어도 하나의 적어도 부분적으로 둘러싸인 가스 흐름 내에 상기 적어도 하나의 방음벽을 배치하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 어레이는 2차원 어레이, 3차원 어레이, 또는 그의 조합인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 어레이는 0.1 내지 0.65인 범위의 필 팩터를 갖는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스 상태의 매질은 공기인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 매질은 탄성 매질; 종방향 음파의 전파 속도 및 횡방향 음파의 전파 속도 - 종방향 음파의 전파 속도는 횡방향 음파의 전파 속도의 적어도 약 30배임 - 를 갖는 점탄성 매질; 또는 그의 조합인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 매질은 점탄성 매질인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 점탄성 매질은 적어도 음향 주파수의 가청 범위 내의 그의 횡방향 음파의 전파 속도의 적어도 30배인 종방향 음파의 전파 속도를 갖는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 점탄성 매질은 점탄성 고체, 점탄성 액체, 및 그의 조합으로부터 선택되는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 점탄성 고체 및 점탄성 액체는 20℃에서 5 x 106 Pa 이하의 정상 전단 고원 탄성률(steady shear plateau modulus)을 갖는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 정상 전단 고원 탄성률이 상기 점탄성 고체 또는 상기 점탄성 액체의 유리 전이 온도보다 30 내지 100 K 높은 온도에 미치는 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 점탄성 고체 및 상기 점탄성 액체는 고무질 중합체 조성물들 및 그의 조합으로부터 선택되는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 고무질 중합체 조성물은 탄성중합체, 점탄성 액체, 및 그의 조합으로부터 선택되는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제2 매질은 탄성 매질인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 탄성 매질은 초당 적어도 2000 미터인 종방향 음파의 전파 속도를 갖는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 탄성 매질은 금속, 금속 합금, 무기 미네랄, 유리질 중합체, 및 그의 조합으로부터 선택된 탄성 고체인 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 구조체는 구, 원형 실린더, 적어도 부분적으로 중공인 원형 실린더, 및 그의 조합으로부터 선택된 구성을 갖는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 구조체는 중공인 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 구조체는 폼 또는 섬유질 재료 이외의 재료를 포함하는 노출된 표면을 갖는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 적어도 부분적으로 둘러싸인 가스 흐름은 가스 유동 덕트 내에 있는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 800 ㎐ 내지 10,000 ㎐의 범위에 걸쳐 20 ㏈ 이상의 투과 손실을 제공하는 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 방음벽은 적어도 하나의 국부 공명 구조체를 추가로 포함하는 방법.
  22. (a) 제1 밀도를 갖는 가스 매트릭스에 의해 둘러싸인 정사각형 격자 패턴으로 중실 또는 적어도 부분적으로 중공인 실린더형 구조체의 사실상 주기적인 2차원 또는 3차원 어레이를 포함하는 적어도 하나의 방음벽 - 상기 어레이는 적어도 2개의 상기 구조체의 적어도 하나의 행을 포함하고, 상기 구조체는 상기 제1 밀도보다 큰 제2 밀도를 갖는 제2 매질로 형성되고, 상기 제2 매질은 점탄성 매질, 탄성 매질, 또는 그의 조합임 - 을 제공하는 단계; 및
    (b) 상기 구조체의 행이 가스 흐름의 유동 방향에 수직인 방향으로 연장되는 방식으로 적어도 하나의 가스 유동 덕트 내의 적어도 하나의 가스 흐름 내에 상기 적어도 하나의 방음벽을 배치하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 어레이는 2차원 어레이이고, 상기 실린더형 구조체는 원형 실린더형 구조체이고, 상기 원형 실린더형 구조체는 폼 또는 섬유질 재료 이외의 재료를 포함하는 노출된 표면을 갖고, 상기 가스 유동 덕트는 건물 내의 HVAC 시스템, 운송 수단 내의 HVAC 시스템, 가스 이송용 안면 마스크, 팬-포함 소비자 제품, 또는 그의 조합의 일부인 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 어레이는 적어도 2개의 상기 원형 실린더형 구조체의 1 내지 4행을 포함하고, 상기 구조체는 실리콘 고무, 아크릴레이트 중합체, 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 및 그의 조합으로부터 선택된 재료를 포함하는 중공 구조체이고, 상기 구조체는 상기 가스 흐름의 횡단면적의 적어도 일부에 걸쳐 있는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 구조체는 적어도 하나의 금속, 적어도 하나의 점탄성 재료, 또는 그의 조합을 포함하는 중공 원형 실린더형 구조체인 방법.
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