KR20130051696A - 음향메타재료를 이용한 소음저감소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음향메타재료를 이용한 소음저감소재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지면으로부터 차량 내부로 들어오는 소음의 음향웨이브의 굴절률을 변경시켜 차량 실내 소음을 저감하는 소음저감소재에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 판상의 모재; 상기 모재의 일표면에 적층 부착되는 시트층; 상기 시트층 내부에 삽입되고, 내재되어 있어 음향메타재료 단위 셀에 의해 통과하는 음향웨이브의 굴절률을 변경시킬 수 있는 메타재료 렌즈;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 음향메타재료를 이용한 소음저감소재를 제공한다.

Description

음향메타재료를 이용한 소음저감소재 {Noise reduction material using acoustic meta-material}

본 발명은 음향메타재료를 이용한 소음저감소재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지면으로부터 차량 내부로 들어오는 소음의 음향웨이브의 굴절률을 변경시켜 차량 실내 소음을 저감하는 소음저감소재에 관한 것이다.

굴절률(refractive index)은 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)의 곱에 대한 제곱근(square root)으로, 일반 자연계에서 물질은 항상 양(positive)의 값을 갖는다.

메타물질(meta-material)은 일반적인 물질에 상응하는 개념으로, 양수, 0 혹은 음의 유전율, 음의 투자율 또는 음의 굴절률을 갖는 매질을 말한다. 즉, 일반적으로 굴절률은 주파수에 따라 변화하는데, 메타 물질의 경우 특정 주파수 구간에서 0 또는 음의 굴절률을 가질 수 있다.

전자기 혹은 가시광선 대역의 메타재료는 소재의 구조와 크기에 따라 유전률과 투자율을 변화하여 음의 굴절률을 만들거나 혹은 웨이브 자체를 차단시켜 투과하지 못하게 만드는 효과를 가지며, 이러한 효과는 안테나 혹은 투명물질 등의 제작에 사용되어 실험적으로 증명된 바 있다.

메타재료의 단위 셀은 매우 작은 크기의 금이나 혹은 은의 재질로 주로 만들어지며, 셀의 모양과 각 변의 크기 그리고 셀의 간격에 따라 유전률과 투자율 그리고 적용 주파수 대역이 결정되고, 일 예로 도 1과 같은 형태로 만들어진다.

이렇게 만들어진 메타재료 셀은 도 2에 도시된 바와 같이 복합재로 만들어진 시트(혹은 하우징) 내에 배열되고, 이러한 시트를 다시 적층 배열하여 메타재료 구조물을 만든다. 전자기 웨이브나 가시광선이 이러한 메타재료를 통과하게 되면 특정 주파수 대역에서 유전률과 투자율이 음의 값을 나타내게 된다.

이때 굴절률은 앞서 말한 바와 같이 유전률과 투자율의 곱에 대한 제곱근 값으로 나타나며, 두 변수가 모두 음의 값을 가질 때 굴절률이 음의 값으로 변하며 두 변수의 부호가 서로 다를 때 허수가 나오면서 전자기 웨이브나 가시광선이 메타재료 셀 또는 구조물을 통과하지 못하게 된다.

이러한 메타재료는 슈퍼 망원경과 현미경, 고성능 안테나, 레이더, 주파수 필터 등 여러 분야에 많이 활용되고 있으며, 매우 작은 크기이지만 최근 투명망토에도 적용되어 성공적인 결과를 도출하였다.

그러나, 상기와 같은 효과를 나타내는 전자기 메타재료는 대상 주파수 대역이 매우 고주파임에 따라 메타재료 구조물 및 셀의 크기가 나노 단위까지 작아지는 특징이 있어 기술적인 부분과 제작비 그리고 제작 시간에 대한 단점이 있다.

최근 화두가 되고 있는 음향메타재료는 전자기 메타재료에 비하여 상대적으로 주파수 대역이 낮고 그 구조물 및 셀의 크기가 전자기 메타재료에 비해 더 커지며, 유전률과 투자율을 조절하는 것이 아닌 질량밀도와 체적탄성을 조절하면서 굴절률을 조절한다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 기존의 차량 대쉬보드와 플로어패드는 흡음재와 차음재가 적층된 구조로 형성되어 엔진 공력소음이나 지면으로부터 전달되는 로드노이즈를 단순히 저감시키거나 최대한 반사시키도록 제작되었다.

이러한 대쉬보드 및 플로어 패드는 흡차음재를 많이 사용할수록 소음을 크게 저감할 수 있으나, 단가와 무게, 차량 실내공간에 대한 제약이 따르기 때문에 흡차음재의 사용에 한계가 있으며, 이러한 한계로 인해 공력소음 및 로드노이즈 등의 소음을 차단하는 성능이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 차량 내부로 전달되는 소음의 굴절률을 변화시켜 실내 소음을 저감하기 위하여 음향메타재료를 이용하되, 소정 형태의 음향메타재료 단위 셀을 소정 패턴으로 배열하여 제작한 메타재료 렌즈를 내장시켜 음의 질량밀도와 체적탄성을 가질 수 있도록 하여 음향웨이브를 통과시킬 시 음의 굴절률을 갖는 소음저감소재를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 메타재료 렌즈가 내장된 시트층 상에 적층 설치되는 모재 내부에 모재보다 작은 임피던스 값을 갖는 필러를 삽입시켜 메타재료 렌즈를 통과한 소음의 음향웨이브가 필러를 따라 수평방향으로 쉽고 빠르게 이동되어 외부로 방출되도록 함으로써 차량 실내 소음을 저감할 수 있는 소음저감소재를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 판상의 모재; 상기 모재의 일표면에 적층 부착되는 시트층; 상기 시트층 내부에 삽입되고, 내재되어 있어 음향메타재료 단위 셀에 의해 통과하는 음향웨이브의 굴절률을 변경시킬 수 있는 메타재료 렌즈;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 음향메타재료를 이용한 소음저감소재를 제공한다.

바람직하게, 상기 모재에는 모재보다 작은 임피던스 값을 갖는 필러가 삽입된 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게, 상기 필러는 단층의 필러시트로 형성되거나 또는 단층의 필러시트가 모재 내에서 서로 일정 간격을 두고 배치된 2층 이상의 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 메타재료 렌즈는 십(十)자 형태의 음향메타재료 단위 셀이 삽입된 시트 셀들이 2차원의 평면으로 수평하게 배열된 일정 두께의 시트 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게, 상기 시트층은 유입되는 소음을 1차적으로 저감하기 위해 흡음재료로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 음향메타재료를 이용한 소음저감소재는 정숙함이 요구되는 소정공간으로 유입되는 소음을 저감시킬 수 있으며, 기존의 흡차음재를 이용한 소음저감소재 대비 차량 실내 소음 저감 성능이 더욱 우수한 이점이 있다.

본 발명의 소음저감소재는 구체적으로 차량의 플로어 패드에 적용되는 경우 차량 하부에서 유입되는 로드노이즈와 타이어에서 발생되는 공력소음을 차단할 수 있으며, 이의 사용을 통해 흡차음재를 사용하는 기존의 플로어 패드에서 흡차음재를 제거하거나 또는 흡차음재의 사용량을 줄임으로써 차량의 경량화를 도모할 수 있고 플로어 패드의 사이즈를 축소시켜 차량 실내공간을 넓게 확보할 수 있다.

도 1은 기존의 전자기 메타재료 단위 셀의 형태를 개략적으로 나타낸 예시도
도 2는 기존의 전자기 메타재료 단위 셀이 삽입된 시트들을 적층 배열하여 구성되는 메타재료 구조물의 형태를 개략적으로 나타낸 예시도
도 3은 종래의 차량 대쉬보드 및 플로어 패드의 단면구조를 개략적으로 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 소음저감소재를 차량의 플로어 패드에 적용한 구조를 나타낸 개략적인 단면도
도 5는 본 발명에 따른 음향메타재료 단위 셀을 패턴화하여 만들어진 메타재료 렌즈를 나타낸 도면
도 6은 본 발명에 따른 음향메타재료 단위 셀의 크기에 따른 질량밀도 변화를 나타내는 도면
도 7은 본 발명에 따른 메타재료 렌즈를 통과한 음향웨이브의 굴절된 진행방향을 나타내는 도면
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 소음저감소재의 소음저감 성능을 개략적으로 나타낸 도면
도 9는 본 발명에 따른 소음저감소재에 적용되는 음향 임피던스 이론을 나타내는 개략도
도 10은 본 발명에 따른 소음저감소재에 적용되는 음향웨이브의 종류별 속도를 나타내는 도면

본 발명은 기존 차량의 플로어패드나 대쉬보드 등의 흡차음재 대신 사용되어 차량 실내 소음을 저감할 수 있는 고성능의 경량화된 소음저감소재에 관한 것으로, 음의 굴절률을 형성하기 위한 전자기 메타재료 셀의 형태와 패턴화 방식을 응용하여, 질량밀도와 체적탄성의 조절을 통해 굴절률을 조정하는 음향메타재료의 단위 셀을 음의 굴절률을 형성하도록 소정 형태로 패턴화하여 사용하도록 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 소음저감소재는 음원으로부터 발생한 소음이 소정공간으로 침입함을 차단하기 위한 소재로서, 소음의 음향 웨이브의 굴절률을 조절하여 정숙을 요구하는 공간에 침투하지 못하게 하기 위하여 음향메타재료로 이루어진 작은 단위 셀을 이용하되, 상기 셀의 크기조절 및 배열을 이용하여 음향웨이브의 굴절률에 영향을 미치는 질량밀도와 체적탄성률을 변화시킨 메타재료 렌즈를 내장함으로써 음향웨이브를 통과시키면 빛이 굴절되는 프리즘 효과와 매우 유사한 현상을 얻어내어 소음의 굴절률을 변경시킬 수 있도록 구성된다.

이에 본 발명에 따른 소음저감소재는 통상적으로 음향웨이브가 굴절되는 방향 및 각도와는 달리 외부 소음을 차단할 수 있는 음의 굴절률을 형성함과 동시에 더욱 큰 각도의 굴절률을 얻을 수 있고, 이러한 현상을 통해 소음으로부터 소정공간을 정숙하게 할 수 있다.

즉, 본 발명의 소음저감소재는 음향메타재료 단위 셀(23)을 패턴화시킨 메타재료 렌즈(21)를 이용하여 차량 실내 등 정숙함이 요구되는 소정공간으로 유입되는 소음의 전달 방향을 변경시켜 외부로 방출되도록 함에 특징이 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소음저감소재는 판상의 모재(10), 모재(10)의 일표면에 적층 부착되는 시트층(20), 시트층(20) 내부에 삽설되는 메타재료 렌즈(21), 및 모재(10)에 삽설되는 필러(11)를 포함하여 구성된다.

상기 모재(10)는 정숙함이 요구되는 소정공간의 일부 또는 전체를 둘러싸고 있는 구성요소로서, 일 예로 스틸 소재로 이루어진 차체의 플로어패널로 구비될 수 있다.

상기 시트층(20)은 폴리우레탄 등의 흡음재료로 이루어진 흡음시트로서, 정숙함이 요구되는 소정공간에 대해 모재(10)를 기준으로 외부에 노출되도록 모재(10)의 일표면에 적층 배치되며, 이에 소정공간으로 유입되는 소음을 1차적으로 저감하게 된다.

상기 메타재료 렌즈(21)는 시트층(20)에서 1차적으로 저감된 소음의 음향웨이브의 굴절률을 변화시켜 차량 실내 등으로 유입되는 소음을 저감하는 역할을 하며, 이를 위해 소정 형상의 음향메타재료 단위 셀(23)들이 소정 패턴으로 내재되어 있다.

도 5를 참조하면, 상기 음향메타재료 단위 셀(23)은 아이(I) 모양이 교차된 십(十)자 형태로 만들어지고, 이러한 단위 셀(23)이 삽입된 시트 셀(22)들이 2차원의 평면으로 배열되어 메타재료 렌즈(21)를 구성한다.

즉, 상기 메타재료 렌즈(21)는 십(十)자 형태의 음향메타재료 단위 셀(23)이 삽입된 시트 셀(22)들이 2차원의 평면으로 수평하게 배열된 일정 두께의 시트 형상으로 형성된다.

이러한 메타재료 렌즈(21)를 구성하는 음향메타재료 단위 셀(23)은 그 형태와 재질의 변경을 통해 체적탄성에 영향을 주며, 그 크기의 변경을 통해 질량밀도에 영향을 미친다.

따라서 상기 음향메타재료 단위 셀(23)은 그 재질과 형태를 고정시키면 체적탄성이 거의 변하지 않게 되므로, 실제 음향메타재료 단위 셀(23)을 통과하는 소음의 음향웨이브의 굴절률은 음향메타재료 단위 셀(23)의 크기에 영향을 받는 질량밀도에 따라 변하게 되며, 이는 아래의 수학식 1 및 도 6의 그래프를 통해서도 알 수 있다.

이에, 상기 메타재료 렌즈(21)는 음향메타재료 단위 셀(23)의 질량밀도를 조절하기 위하여, 그 제조시 (음향메타재료 단위 셀을 패턴화시켜 만들어진 후) 음향웨이브를 통과시키게 되며, 통과시킨 음향웨이브의 주파수에 따라 음향메타재료 단위 셀(23)의 크기 및 그 크기가 결정된다.

즉, 메타재료 렌즈(21)는 시트층 내에 삽입되기 전에 소정 주파수의 음향웨이브를 통과시킴으로써 내재된 음향메타재료 단위 셀(23)의 크기를 결정하게 되고 그에 따라 그 크기가 결정된다.

이와 같이 제작된 메타재료 렌즈(21)의 음향메타재료 단위 셀(23)을 통과하게 되는 음향웨이브의 굴절률(n)은 아래의 수학식 1과 같이 표현되며, 수학식 1에 따라 굴절되는 음향웨이브는 최종적으로 수학식 2에 따른 굴절각(θ)을 갖게 된다.

여기서, ρ는 질량밀도이고, Β는 체적탄성이다.

여기서, L은 메타재료 렌즈의 길이이고, t는 메타재료 렌즈의 두께이며, n은 메타재료 렌즈를 통과하는 음향웨이브의 굴절률이다.

즉, 상기 메타재료 렌즈(21)는 제작시 통과시키는 음향웨이브의 주파수에 따라 내재된 음향메타재료 단위 셀(23)의 크기를 조절하고 이를 통해 질량밀도를 변경 조절함으로써 본 발명의 소음저감소재에서 소음의 음향웨이브의 굴절률을 원하는 음의 굴절률로 변경시킬 수 있게 된다.

상기 메타재료 렌즈(21)는 소음의 음향웨이브의 굴절률을 음의 굴절률로 변경시킴에 의해 진입하는 소음 음향웨이브의 수평성분이 상대적으로 임피던스가 작은 필러(11)를 따라 외부로 방출되며, 이에 일정 경사각을 가지는 음향웨이브의 수직성분은 모재(10) 내에 적층된 필러(11)를 통과할 때마다 감소하게 된다.

도 7은 메타재료 렌즈를 통과한 음향웨이브를 나타낸 예시도로서, 상기 메타재료 렌즈(21)를 통과한 음향웨이브는 소정의 굴절각(θ)을 갖고 전파됨을 알 수 있다.

상기와 같은 메타재료 렌즈(21)에 의하여 음향웨이브가 음의 굴절률로 변화된 소음은 진행방향이 바뀌게 되며, 굴절된 소음은 모재(10)에 내장된 필러(11)에 의해 일부는 외부로 반사되고 나머지는 필러(11)를 따라 흘러 외부로 방출된다.

이를 위하여 상기 필러(11)의 소재로는 모재(10)보다 작은 임피던스 값을 갖는 재료를 사용하며, 바람직하게는 모재(10)와의 임피던스 값의 차이가 큰 소재를 사용하는 것이 좋다.

상기 필러(11)가 모재(10)보다 작은 임피던스 값을 갖게 됨에 따라 시트층(20) 및 메타재료 렌즈(21)를 통과하여 모재(10)로 진입된 소음의 음향웨이브가 필러(11)에 의해 일부는 외부로 반사되고 나머지 일부는 도 8과 같이 필러(11)를 따라 이동되어 전파된다.

이때, 모재(10)로 진입된 소음의 음향웨이브가 차량 실내로 유입되지 않고 필러(11)를 따라 이동되며 소멸되거나 외부로 방출되도록 하기 위하여, 상기 필러(11)는 도 4와 같이 2층 이상의 다층 구조로 형성됨이 바람직하다.

상기 필러(11)는 모재(10)보다 작은 임피던스 값을 갖는 소재로 이루어진 단층의 필러시트(11')로 구성됨도 가능하나, 차량 실내로 유입되는 소음을 효과적으로 차단하기 위하여 단층의 필러시트(11')가 모재(10) 내에서 서로 일정 간격을 두고 복수 층으로 배치된 다층 구조로 구성됨으로써 전달된 소음의 음향웨이브가 각 필러시트(11')를 따라 반복적으로 수평 이동되며 소멸되도록 함이 바람직하다.

이때, 다층 구조의 필러(11)를 구성하는 단층의 필러시트(11')는 모재(10) 내에 수평방향으로 삽입 배치된다.

상기 모재(10)와 필러(11) 간의 큰 임피던스 차이에 의해 모재(10)로 전파된 소음의 음향웨이브가 외부로 반사되거나 또는 필러(11)를 따라 이동되어 소멸되거나 외부로 방출되는 원리는 음향 임피던스 이론 및 웨이브 가이드 이론을 통해 설명할 수 있다.

도 9를 참조하면, 음향 임피던스는 소리가 공기 중으로 전파될 때 공기 입자들이 얼마나 움직이기 힘든지 그 정도를 나타내는 값으로, 작은 임피던스 값은 어떤 음압에 대응하여 매질의 입자들이 상대적으로 쉽게 움직일 수 있음을 의미하고, 반대로 큰 임피던스 값은 매질의 입자들이 힘들게 움직임을 의미한다. 특정 주파수 f에서의 음향 임피던스(Z)는 음압(p)과 체적속도(U)의 비로서 정의되며, 이는 수학식 3과 같다.

또한, 도 10을 참조하면, 음향웨이브는 수평방향의 웨이브가 수직방향의 웨이브보다 빠르고 쉽게 전파되는 특성이 있음을 알 수 있다. 이는 특정한 각도를 갖는 음향웨이브가 평판에 부딪혔을 때 수평방향으로 더 쉽게 전파됨을 의미한다.

따라서, 모재(10)로 전파된 소음의 음향웨이브는 모재(10) 내에서 필러(11)에 도달하게 되면 상대적으로 쉽게 움직일 수 있는 필러(11)를 따라 상당량이 전파된다.

한편, 본 실시예에서 상기 모재(10)가 스틸 소재로 제작 구성됨에 따라 필러(11)는 그보다 작은 임피던스 값을 갖는 알루미늄 소재로 제작 구성되나, 이에 의해 한정되는 것은 아니며, 일 예로 모재(10)가 열경화성 수지인 에폭시 혹은 불포화 폴리에스테르 소재를 사용하여 경량화되어 구성되는 경우 필러(11)는 그보다 작은 임피던스 값을 갖는 폴리에틸렌 소재로 제작됨으로써 모재(10)와 큰 임피던스 차이를 갖도록 구성될 수 있다.

이와 같이 상기 필러(11)의 소재로는 모재(10)보다 작은 임피던스 값을 갖으며 모재(10)와의 임피던스 값의 차이가 일정치 이상 큰 소재이면 모두 사용 가능하다.

이에 향후 경량화를 위하여 모재(10)로 사용되는 차체의 플로어패널 소재가 변경되어도 변경된 소재와 큰 차이를 갖는 작은 임피던스 값의 소재로 이루어진 필러(11)를 사용함으로써 상기와 같은 필러의 효과를 얻을 수 있다.

아울러, 본 실시예에서 상기 음향메타재료 단위 셀(23)은 스틸 소재로 이루어진 것이 사용된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 소음저감소재는 차량의 대쉬보드 및 플로어 패드에 적용되어 차량 실내의 소음을 저감시킬 수 있으며, 구체적으로 일반적인 플로어 패드의 소재인 스틸을 모재(10)로 하여 적용되는 경우 타이어와 지면으로부터 유입되는 공력소음 및 로드노이즈의 전파방향을 변경시켜 차량 실내를 정숙하게 할 수 있다.

이때 플로어패드를 통과하는 소음은 흡음소재로 이루어진 시트층(20)을 통과하며 1차적으로 감소되고, 시트층(20)에 삽입되어 있는 메타재료 렌즈(21)를 통과한 결과 소정 각도로 굴절되어 전파방향이 변경된다. 이렇게 굴절된 소음의 음향웨이브는 메타재료 렌즈(21)에서 일부 반사되며, 나머지가 모재(10) 내 필러(11)에 의해 일부 반사되고 필러(11)를 통과한 나머지 음향웨이브가 낮은 임피던스의 필러(11)를 따라 이동되어 외부로 방출된다.

이와 같이 본 발명의 소음저감소재는 메타재료 렌즈(21)에 의해 차량 외부로부터 차량 내부로 유입되는 소음을 일부 반사시키고 나머지를 수평방향의 음향웨이브가 증가되도록 굴절시키며, 또한 수평방향의 음향웨이브가 쉽고 빠르게 전파될 수 있는 필러를 통해 소멸시키거나 외부로 방출시킴으로써 최종적으로 차량 실내로 유입되는 소음의 저감 효과를 얻을 수 있다.

10 : 모재
11 : 필러
11' : 필러시트
20 : 시트층
21 : 메타재료 렌즈
22 : 시트 셀
23 : 음향메타재료 단위 셀

Claims (5)

1. 판상의 모재;
   상기 모재의 일표면에 적층 부착되는 시트층;
   상기 시트층 내부에 삽입되고, 내재되어 있어 음향메타재료 단위 셀에 의해 통과하는 음향웨이브의 굴절률을 변경시킬 수 있는 메타재료 렌즈;
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 음향메타재료를 이용한 소음저감소재.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 모재에는 모재보다 작은 임피던스 값을 갖는 필러가 삽입된 것을 특징으로 하는 음향메타재료를 이용한 소음저감소재.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 필러는 단층의 필러시트로 형성되거나 또는 단층의 필러시트가 모재 내에서 서로 일정 간격을 두고 배치된 2층 이상의 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 음향메타재료를 이용한 소음저감소재.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 메타재료 렌즈는 십(十)자 형태의 음향메타재료 단위 셀이 삽입된 시트 셀들이 2차원의 평면으로 수평하게 배열된 일정 두께의 시트 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 음향메타재료를 이용한 소음저감소재.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 시트층은 유입되는 소음을 1차적으로 저감하기 위해 흡음재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 음향메타재료를 이용한 소음저감소재.
   

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