KR20100134274A - 음파의 흡음과 공명에 의하여 감음이 일어나는 공조용 흡음공명형 덕트소음기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소음저감기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실내공기 조절을 위하여 건물에 구비되는 공조설비의 덕트 라인을 따라 전달되는 소음을 차단하는 소음기에 관한 것이다.

통상적으로 사용되는 흡음형 덕트소음기는 저주파수의 소음 성분에 대하여 충분한 정도의 소음 저감 효과를 내기 위해서는 소음기가 길고 커지는 문제점이 있다. 본 발명인 흡음공명형 덕트소음기는 상기와 같은 통상적인 흡음형 공조용 덕트 소음기의 문제점을 해결하기 위하여, 통상의 흡음형 덕트소음기에 음파의 공명에 의하여 저주파수의 소음이 일어나도록 하는 공명에 의한 감음수단을 추가로 구비하였다. 공명에 의한 감음 수단은 흡음형 소음기의 스플릿터와 스필릿터 사이의 공기통로 상하부에 공명판을 부착하여 구현하였다.

본 발명인 흡음공명형 덕트소음기는 흡음에 의한 감음과 공명에 의한 감음이 함께 일어는 소음기로서, 모든 주파수의 음에 대하여 높은 감음 성능을 가지므로, 공조설비에 사용되는 덕트소음기를 작고 짧게 설계할 수 있으므로 설치 공간에 대한 제약을 적게 받고 소음기의 제작원가를 줄일 수 있다.

소음기, 흡음, 공명, 헬름홀쯔 공명기, 공명주파수, 압력손실

Description

음파의 흡음과 공명에 의하여 감음이 일어나는 공조용 흡음공명형 덕트소음기{Absorption and Resonance Type Duct Silencer for Air Conditioning Occuring Noise Reduction Owing to Absorption and Resonance of Sound Wave}

본 발명은 소음저감기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실내공기 조절을 위하여 건물에 구비되는 공조설비의 덕트 라인을 따라 전달되는 소음을 차단하는 소음기에 관한 것이다.

냉방, 난방, 환기 등 건물 실내공기의 상태를 사람이 생활하는데 적당하게 조절하는데 필요한 설비를 통칭하여 공조설비라고 하는데, 통상적으로 온도, 습도 등이 조절된 공기를 생성하는 장치, 조절된 공기를 건물의 각부로 보내는 송풍기(통상 팬(Fan)이라고도 칭한다.), 그리고 송풍기에서 건물의 각 방으로 연결되는 공기 통로인 덕트 라인으로 구성된다. 이와 같은 공조설비에서 송풍기 등에서 발생한 소음이 덕트를 따라 실내로 전달되어 실내 소음의 주요 원인이 되고 있다. 이러한 공조설비의 덕트 라인에 소음기를 설치하는 것이 덕트를 따라 전달되는 소음의 방지에 있어서 가장 기본적이고도 직접적인 방안이다.

소음기는 그 감음 방식에 따라 흡음형, 팽창형, 공명형, 그리고 간섭형의 4가지로 대별되는데, 흡음형 소음기는 관로의 일부에 음을 흡수할 수 있는 흡음재를 설치하여 음을 흡수하여 소음을 저감시키는 장치이고, 팽창형은 관로에 팽창부를 두어 음파가 팽창과 수축을 하면서 에너지가 손실되어 소음을 저감시키는 소음기이고, 공명형 소음기는 관로에 목 부분을 설치하고 여기에 공동을 연결하여 공명을 일으켜 음파의 에너지를 공동 부의 공기 진동으로 흡수하는 형식의 소음기이고, 간섭형은 음파가 전달되는 경로를 둘로 나누어 각각의 경로 차이를 해당 음파의 반파장으로 하여 간섭에 의해 음을 감쇠시키는 장치이다.

엔진 배기구에 부착하는 소음기, 릴리프 밸브의 유출관 등 아주 높은 소음을 유발하는 곳에 사용되는 소음기를 통상 공업용 소음기라고 하는데, 흡음형 소음기와 함께 팽창관을 이용한 팽창형 소음기, 공명형 소음기, 간섭형 소음기, 그리고 이들의 기능이 복합적으로 일어나도록 한 구성의 소음기 등이 사용된다.

공조용 소음기로는, 상기의 4가지 소음기의 형식 중, 압력 손실이 비교적 적고 비교적 넓은 주파수 범위의 소음에 대하여 감음성능이 우수한 흡음형 소음기가 주로 사용된다. 통상적인 공조용 흡음형 덕트소음기는 도 1에 도시한 바와 같은데, 공기가 통과하는 통로가 되는 외통(1)의 전후에 덕트와 연결할 수 있는 플랜지(2)를 구비하고, 외통의 내부 공기 통로에 다수 개의 스플리터(3)를 설치하는 방법으로 제작된다.

통상적인 흡음형 소음기의 스플리터(3)는 음을 흡수할 수 있는 흡음판(33)의 표면을 얇은 두께의 판에 다수개의 구멍을 연속적으로 천공하여 제작한 타공판(34) 으로 보호하여 제작한다. 그리고 냉풍 또는 온풍의 공기가 소음기 내부를 고속으로 흐를 때 압력손실을 줄이기 위하여 공기가 유입되는 전방부(31)는 반원형으로 처리하고 공기가 유출되는 후방부(32)는 삼각형으로 처리한다. 덕트의 내측 측벽에는 스플리터의 절반 형상으로 제작하여 부착한다.

흡음형 소음기의 스플리터에 사용되는 타공판(34)은 개구율(전체 면적에 대한 구멍 면적의 비율)을 40% 이상으로 크게 하여 타공판의 면에서 음이 반사하여 음파가 흡음재에 흡수되는 것을 방해하지 않도록 한다. 실험적으로 타공판의 개구율을 30% 이상으로 하면 타공판이 흡음재의 흡음 성능에 방해를 하지 않는 것으로 알려져 있다.

흡음판은 글라스울(Glass Wool, "유리면", "유리솜" 등으로 불리기도 함.), 폴리에스테르 섬유 흡음재, 발포 폴리에스테르 흡음재 등 흡음률이 높은 흡음재를 일정 두께의 판으로 형성하여 제작된다. 흡음재는 소음기 내부로 공기가 고속으로 흐를 때 비산되어 나올 염려가 있으므로, 폴리에스테르필름, 유리천(Glass Clothe) 등의 보호막으로 감싸서 보호하기도 한다.

흡음형 소음기의 성능은 다음 식으로 계산된다.

여기서, NR : 감음량(Noise Reduction)

α : 흡음재의 흡음율

P : 흡음재의 주장(Perimeter)

L : 소음기 길이

S : 덕트의 공기통로 단면적

상기 식에서 보인 바와 같이 소음기의 성능은 사용한 흡음재의 흡음률이 높을수록, 흡음재의 주장이 길수록, 소음기의 길이가 길수록, 그리고 공기통로 단면적이 작을수록 좋아진다. 소음기의 길이를 설치 공간상의 제약 등으로 크게 할 수 없을 때는 단면의 주장을 크게 하면 된다. 이를 위하여 소음기의 내부를 스플리터(Splitter)를 다수 개를 설치한다.

공조용으로 많이 사용되는 통상의 흡음형 소음기는 소음기의 길이, 스플리터의 수, 스플리터 간격에 의하여 결정되는 공기통로의 크기 등의 소음기의 형상과 함께 사용되는 흡음재의 흡음률에 의하여 결정되는데, 흡음재의 흡음률이 높을수록 소음 감음량이 높아진다. 즉, 흡음률이 높은 흡음재를 사용할 경우 스플리터의 수를 줄일 수 있고, 소음기의 길이를 짧게 할 수 있다.

흡음재의 흡음률은 입사하는 음의 주파수에 따라 달라지는데, 통상적인 섬유질 또는 다공질 흡음재의 경우 500Hz 이상의 고주파음에 대해서는 흡음률이 높은 반면, 250Hz 이하의 저주파음에 대해서는 흡음률이 낮다. 그리고 동일한 흡음 재료인 경우라도 흡음률은 흡음재의 두께와 밀도에 따라 달라지는데, 통상적으로 흡음재의 두께가 두꺼울수록, 그리고 밀도가 높을수록 흡음률이 높다.

흡음형 소음기는 상기와 같은 흡음재의 일반적인 특성에 따라 저주파 소음에 대해서는 감음 성능이 별로 좋지 않은 문제점이 있는데, 공조설비에 사용되는 원심팬 등 대형 송풍기들은 63.5Hz, 125Hz, 250Hz 등의 저주파 음의 성분이 오히려 탁 월하다. 따라서 송풍기에서 발생하는 저주파수의 소음을 충분한 정도로 저감할 수 있도록 소음기를 설계하려면 소음기가 길어지고 커져야 한다. 이와 같이 소음기가 길고 커질 경우 설치공간에 제약을 받고 또한 소음기의 제작비용이 상승하는 문제점이 발생한다.

상기와 같이 공조용 덕트소음기로 통상적으로 사용되는 흡음형 소음기는 저주파수의 소음 성분에 대하여 충분한 정도의 소음 저감 효과를 내기 위해서는 소음기가 길고 커지는 문제점이 있다.

따라서 고주파수의 소음 성분에 대하여 감음성능이 우수한 흡음형 소음기에 저주파수의 소음성분에 대한 소음저감 수단을 구비하여 전체적으로 모든 주파수의 소음성분에 대하여 높은 감음성능을 가지는 새로운 형태의 소음기가 필요하다.

본 발명인 흡음공명형 덕트소음기는 상기와 같은 통상적인 공조용 흡음형 덕트소음기의 문제점을 해결하기 위하여, 통상의 흡음형 덕트소음기에 음파의 공명에 의하여 저주파수의 소음이 일어나도록 하는 공명에 의한 감음수단을 추가로 구비하였다.

공명에 의한 감음 수단은 흡음형 소음기의 스플릿터와 스필릿터 사이의 공기 통로 상하부에 공명판을 부착하여 구현하였다.

본 발명인 흡음공명형 덕트소음기는 흡음에 의한 감음과 공명에 의한 감음이 함께 일어는 소음기로서, 비교적 넓은 범위의 주파수의 소음 성분에 대하여 감음성능이 높고 압력손실이 적은 흡음형 소음기의 장점을 모두 구비하고, 저주파수의 소음성분은 음파의 공명에 의하여 감음시켜 흡음형 소음기가 가지는 단점을 보완한 소음기이다.

본 발명인 흡음공명형 덕트소음기는 고주파음과 저주파 음에 대하여 모두 높은 감음 성능을 가지는 소음기로서, 특히 저수파수의 소음성분이 강한 공조설비의 소음 저감에 유용하다. 본 발명의 소음기는 전 저주파수의 음에 대하여 높은 감음 성능을 가지므로, 공조설비에 사용되는 덕트소음기를 작고 짧게 설계할 수 있으므로 설치 공간에 대한 제약을 적게 받고 소음기의 제작원가를 줄일 수 있다.

본 발명인 공조용 흡음공명형 덕트소음기는 도 2, 도 3, 그리고 도 4에 도시한 바와 같이, 소음기의 외부를 이루는 외통(100), 소음기 전후의 덕트와 연결할 수 있는 플랜지(200), 외통(100)의 내부에 나란히 장착되는 다수 개의 스플리터(300), 그리고 스플릿터(300)와 스플릿터 사이의 공기통로 상하부의 외통(100)의 내부에 부착되는 공명판(400)으로 구성된다.

외통(100)과 플랜지(200), 그리고 스플릿터(300)는 통상의 흡음형 소음기의 그것들과 동일하다. 외통(100)은 소음기가 설치되는 덕트의 단면형상과 동일한 형상으로 제작되는데, 공조용 덕트가 주로 사각덕트를 사용하므로 외통의 단면도 사각으로 제작하는 것이 보통이다. 일정 두께를 가지는 판 형상의 스플릿터(300)는 외통의 내부에 서로 일정한 간격을 두고 나란히 다수 개가 설치된다.

공명판(400)은 도 4의 종단면도에 도시한 바와 같이, 스플릿터(300)와 스플릿터 사이의 공기통로 상하부에 노출된 외통(100)의 내부 면에 외통의 면과 일정한 간격을 두고 부착된다. 이 공명판은 도 5에 도시한 바와 같이, 각각 일정 두께의 판재(401)에 일정 크기의 구멍(402)을 일정 간격으로 연속적으로 천공하여 제작하는데, 부착을 편리하게 하기 위하여 양단을 구부려 ㄷ-자 형태의 다리(403)가 형성되도록 제작하여 다리(403)의 끝단을 외통의 내면에 점 용점 등의 방법으로 부착할 수 있게 하는 것이 좋다.

상기와 같이 공명판(400)을 제작하여 스플릿터(300)과 스플릿트 사이에 형성되는 공기통로의 상하부에 부착하면, 공명판(400)과 외통(100)의 내면 사이에 공명공간(404)이 형성된다. 이 경우 도 6에 도시한 바와 같이, 가상 구획선으로 구분된 영역에서 각각의 구멍(402)은 공명구멍이 되고, 판재(401)의 두께는 공명목이 되고, 공명판 배후의 공명공간(404)은 공명체적이 되어 하나의 헬름홀쯔 공명기가 된다. 공명판(400)을 상기와 같이 제작하여 부착할 경우 스플릿터(300)과 스플릿트 사이에 형성되는 공기통로의 상하부에는 다수 개의 헬름홀쯔 공명기가 연속적으로 병렬로 배열된 것과 같이 된다.

헬름홀쯔 공명기의 공명구멍으로 음파가 입사할 경우, 음파가 가진 에너지는 공명기 내부의 공기를 크게 진동시키고 음파가 가진 에너지는 공기 분자의 운동에너지로 변환되어 음파가 소실된다. 헬름홀쯔 공명기의 감음량(R)은 다음 식으로 게산된다.

---(1)

상기 식에서 f_r은 공명 주파수로서 다음 식으로 계산된다.

, 여기서

,

그리고 상기 식에서 V는 공명공간의 체적, S는 공기 통로의 단면적, f는 입사하는 음파의 주파수, n은 공명구멍의 갯수, a는 공명 구멍의 반지름, l_c는 공명 구멍의 길이(판의 두께), 그리고 C는 음속(340m/sec)이다.(모든 단위는 MKS 단위계의 기본단위임.)

상기 식에서 알 수 있듯이, 입사하는 음의 주파수(f)가 헬름홀쯔 공명기의 형상(공명기의 체적, 공명목의 길이, 공명구멍의 반지름)에 따라 정해지는 공명주파수(f_r)와 근접할수록 상기 (1) 식의 대관호([ ]) 내부의 분모 값이 적어지고 이에 따라 감음량(R)이 커지게 됨을 알 수 있다, 그리고 이론적으로는 입사 음의 주파수가 공명주파수가 일치할 경우 감음량이 무한대가 되어 입사음이 완벽하게 제거됨을 알 수 있다.(본 명세서에서는 이와 같이 헬름홀쯔 공명기의 내부에서 음파가 공명효과에 의하여 저감되는 현상을 "공명효과"라 칭다.) 단일 공명주파수의 헬름홀쯔 공명기에 의한 음의 주파수별 감음특성은 도 7의 (a) 곡선과 같다.

그리고 통상의 흡음형 소음기의 경우 주파수별 감음특성은 도 7의 (b) 곡선과 같이 저주파수의 음에 대해서는 감음량(R)이 작고, 고주파수의 음에 대해서는 감음량(R)이 크다. 본 발명의 소음기는 흡음에 의한 감음과 공명에 의한 감음이 각각 일어나므로, 전체적인 감음 특성은 각각의 주파수에서 도 7의 (a) 곡선과 (b) 곡선을 더한 (c) 곡선이 된다.

도 7의 (c) 곡선을 보면, 공명판의 두께, 공명구멍의 크기, 그리고 공명 구멍의 개수, 공명판 배후의 간격 등의 설계 인자를 적절히 선택하여 흡음형 소음기에서 감음량(R)이 작은 주파수 영역에서 공명주파수(f_r)가 형성되도록 할 수 있고, 소음기를 이와 같이 설계할 경우 공명효과에 의한 감음과 흡음효과에 의한 감음이 동시에 일어나 모든 주파수 영역에서 감음량이 큰 소음기를 설계할 수 있다.

공조설비에서 주된 소음원은 송풍기 소음인데, 송풍기는 기종에 따라 각각 특정 주파수의 소음을 크게 발생시킨다. 그중에서도 송풍기의 초당회전수(RPM/60)에 날개의 수를 곱한 깃통과주파수(Blade Passing Frequency, 통상 "BPF"로 약칭한다.)의 소음이 가장 탁월하다. 필요에 따라서는 특정 송풍기의 소음을 측정하여 소음의 주파수 분석을 함으로써 당해 송풍기에서 발생하는 소음의 탁월 주파수를 파악할 수 있다. 본 발명의 흡음공명형 덕트소음기에서 공명주파수(f_r)를 특정 공조 설비에 사용되는 송풍기의 BPF와 일치시키면, 송풍기의 소음을 아주 효과적으로 저감시킬 수 있다.

본 발명인 흡음공명형 덕트소음기는 각종 건물의 공조설비 등과 같이 덕트 라인을 따라 전달되는 소음을 저감시키는 장치로 사용될 수 있다.

도 1은 종래의 흡음형 소음기의 구성도이다.

도 2는 본 발명인 흡음공명형 덕트소음기의 사시도이다.

도 3은 본 발명인 흡음공명형 덕트소음기의 횡단면도이다.

도 4는 본 발명인 흡음공명형 덕트소음기의 종단면도이다.

도 5는 공명판의 구성도이다.

도 6은 공명판에 의하여 형성되는 헬름홀쯔 공명기의 모식도이다.

도 7은 본 발명인 흡음공명형 덕트소음기의 감음 특성 그래프이다.

※ 중요 구성품 번호

100 : 외통, 200 : 플랜지, 300 : 스플릿터, 400 : 공명판

401 : 판재, 402 : 구멍, 403 : 다리, 404 : 공명공간.

Claims (2)

1. 소음기의 외부를 이루는 외통(100);

   상기 외통(100)의 전방과 후방에 부착되어 소음기 전후의 덕트와 연결할 수 있는 플랜지(200);

   상기 외통(100)의 내부에 서로 일정한 간격을 두고 다수 개가 나란히 장착되는 것으로서, 음을 흡수할 수 있는 흡음판의 표면을 얇은 두께의 판에 다수개의 구멍을 연속적으로 천공하여 제작한 타공판으로 보호하여 제작한 스플릿터(300);

   그리고, 상기 스플릿터(300)와 스플릿터 사이의 공기통로 상하부에 노출된 외통(100)의 내부 면에 외통의 면과 일정한 간격을 두고 부착되는 것으로서, 일정 두께의 판재(401)에 일정 크기의 구멍(402)을 일정 간격으로 연속적으로 천공하여 제작되는, 공명판(400);

   으로 구성되는, 흡음공명형 덕트소음기.
2. 제1항에 있어서, 상기 공명판(400)은,

   일정 두께의 판재(401)에 일정 크기의 구멍(402)을 일정 간격으로 연속적으로 천공하여 제작한 판을 양단을 구부려 ㄷ-자 형태의 다리(403)가 형성되도록 제작한 것을 특징으로 하는,

   흡음공명형 덕트소음기.

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