KR20170112449A - 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치 - Google Patents

공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치는 서로 다른 격자크기를 가지는 공간압축 메타물질들을 직렬 배치하고, 공간압축 메타물질들 사이에는 갭(gap) 간격을 가지도록 구성되고, 공간압축 메타물질들의 외부 방향은 공기층을 가지도록 구성되며, 공간압축 메타물질은 차음효과를 발생시키기 위해서, 일정 주파수 영역대에서 고임피던스 및 고굴절률을 가지도록 제작될 수 있다.

Description

공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR BLOCKING SOUND USING SPACE SCALING}
본 발명은 공간 스케일링을 이용하여 소리를 차단하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정 주파수 영역에서 고임피던스와 고굴절률을 가지는 공간압축 메타물질을 사용하여 공간 스케일링이 가능하도록 하여 소리를 차단 및 흡수하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 과학의 발달로 인하여 산업 기계, 장치가 대량 생산에 사용되고, 사람들의 여가 시간이 늘어남에 따라서 자동차 등이 일상 생활에서 필수품이 됨에 따라, 현대 사회는 공장의 각종 기계들 또는 도로 위 자동차들이 만들어 내는 여러 가지 공장 소음, 차량 소음이 중요한 사회적 문제로 대두되고 있다. 따라서, 원하지 않는 소리, 소음들을 차단할 수 있는 차음재는 공장 소음, 차량 소음, 생활 소음 등의 소음 차단 용으로 점차 활용 가치가 증대되고 있다.
소음 차단을 위한 수식으로, 소리 감쇄율은 다음 <수학식 1>과 같이 밀도 법칙에 따라 계산할 수 있다.
수학식 1
Figure pat00001
즉, 밀도 법칙에 따라 소리 감쇄 효과를 증대시키기 위해서는 질량을 증가시켜야 한다. 즉, 소리를 감쇄시키기 위해서, 밀도를 높이거나 두께를 두껍게 하는 방법이 주로 사용된다. 다만, 가격 경쟁력을 위해 밀도를 높이는 경우보다 같은 재질의 소재로 차음재의 두께를 늘리는 것이 일반적이며, 보통 두께를 두 배로 늘리면 6dB의 소음 감쇄효과가 있는 것으로 알려져 있다.
고주파(f > 5000Hz) 소음의 경우, 얇고 밀도가 큰 막으로도 차단이 가능하므로 어려움이 없으나, 저주파의 경우, 아주 두꺼운 차음재가 필요할 수 있으며, 특히 수백 Hz 의 경우, 미터 단위의 차음재가 필요할 수 있다.
따라서, 차음재의 두께를 줄이기 위한 방안을 강구해 볼 수 있는데, 최근 연구되고 있는 메타물질(meta-material)을 사용하는 것이 그 방법이 될 수 있다.
메타물질(Meta-material; MTM)이란, 사람에 의하여 인위적으로 만들어진 구조를 가진 물질로서, 굴절률(refractive index)이 영(0) 또는 음(-)의 값을 가질 수 있는 물질을 말한다.
굴절률 n은 일반적으로 다음 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 2
Figure pat00002
즉, 굴절률 n 은 유전율
Figure pat00003
(permittivity)과 투자율
Figure pat00004
(permeability)의 곱에 대한 제곱근(square root)으로, 자연계에 존재하는 일반적인 물질은 양(+)의 값을 가지며, 대부분 공기(air) 대비 1 보다 큰 값을 갖는다.
그러나, 이론적으로는 굴절률 n 은 <수학식 3>과 같이 표현될 수 있다.
수학식 3
Figure pat00005
이론적으로 굴절률 n 은 <수학식 3>과 같이 양(+)또는 음(-)의 값을 가질 수 있으며, 굴절률로 양(+)의 값을 가지는 자연계의 일반적인 물질과 달리, 영(0) 또는 음(-)의 굴절률 값을 가지는 물질을 가정할 수 있다. 즉, 영(0) 또는 음(-)의 굴절률 값을 가지는 물질을 메타물질로 정의할 수 있고, 메타 물질은 특별한 굴절률 값으로 인하여, 자연계 물질과는 다른 성질을 가질 수 있다.
한편, 자연계에서 전자기파의 전파(propagation)는
Figure pat00006
벡터장의 오른손 법칙을 따른다. 여기에서, E 는 전기장, H 는 자기장을 나타내며,
Figure pat00007
는 파장 벡터(wave vector)를 나타낸다. 위상 속도 방향은 에너지 전파(그룹 속도)의 방향과 동일하게 나타나며, 굴절률은 자연계의 일반적인 물질이므로 양(+)의 값을 가진다. 즉, 자연계의 일반적 물질들은 오른손 법칙을 따르므로, 우선회성(right handed, RH)을 가진다고 말하며, RH 물질이라고 지칭하기도 한다.
이와 반대로, 메타물질은
Figure pat00008
벡터장의 왼손 법칙을 따르며, 위상 속도 방향은 에너지 전파(그룹 속도)의 방향과 반대, 즉 음(-)의 값으로 나타날 수 있으며, 굴절률도 음(-)의 값을 가질 수 있다. 따라서, 음(-)의 굴절률을 가진 메타물질은 좌선회성(left handed; LH)을 가진다고 말하며, LH 물질로 지칭하기도 한다.
따라서, 메타물질은 일반적인 자연계 물질과는 달리 영(0) 또는 음(-)의 굴절률 값을 가질 수 있는 물질로서 좌선회성을 가지고, 스넬의 법칙(Snell`s law), 도플러 효과(Doppler effect) 및 체렌코프 복사(Cherenkov radiation) 등의 현상이 반대로 나타날 수 있다.
메타물질에 대한 선행문헌으로는 최초로 메타물질을 이론적으로 예측한 Veselago의 ”The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of
Figure pat00009
and
Figure pat00010
”, Sov.Phys.Usp.10.509(1968) 논문이 있다. 즉, Veselago는 굴절률이 영(0) 또는 음(-)의 값을 가질 수 있는 물질로 LH 물질의 가능성을 예측하고, LH 물질의 특성들을 분석하였다. 즉, 굴절률이 영(0) 또는 음(-)의 값을 가지는 LH 물질에서, 유전율
Figure pat00011
과 투자율
Figure pat00012
의 값이 동시에 음(-)의 값을 가지게 되는 경우를 가정하였고, 유전율과 투자율이 음(-)의 값을 갖게 됨에 따라서, 스넬의 법칙(Snell`s law), 도플러 효과(Doppler effect) 및 체렌코프 복사(Cherenkov radiation) 등의 현상이 RH 물질의 자연계와는 반대로 나타날 수 있음을 증명하였다. 결국, 음(-)의 굴절률을 가지는 메타물질을 가정하더라도, 기본 물리학 법칙에는 위배되지 않음을 이론적으로 증명한 것임을 알 수 있다.
또한, 메타물질에 대한 선행 문헌으로, R.A Shelby et al “Experimental verification of a negative index of refraction”, Science, vol 292, pp 77-79, April 2001 논문에서는 구리 SRR(split ring resonators) 및 와이어 스트립(wire strips)을 제조하여, 마이크로웨이브 영역대에서 굴절률 음(-)의 값을 가지는 메타물질을 제조함으로써, 인위적으로 제작한 메타물질의 응용 가능성을 증명한 바 있다.
최근에는 여러 가지 구조, 형태, 소재를 이용한 메타물질을 연구하고 있고, 메타물질 관련 연구는 음(-)의 굴절률을 이용한 투명 망토, 초소형 안테나, 빔포밍 안테나, 주파수 필터, 레이더 등 여러 가지 분야에서 가능성을 보이고 있다.
또한, 메타물질을 이용한 차음재도 연구되고 있는데, 이와 관련된 선행문헌으로는 한국공개특허 제2013-0052139호, “음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치 및 방법” 및 한국공개특허 제2013-0051696호, “음향메타재료를 이용한 소음저감소재” 등이 있으며, 음향 메타재료를 이용하여 차량의 소음을 저감시키는 방법에 대하여 개시하고 있다.
즉, 차음재 용도로서 메타물질을 사용하더라도, 그 제조 방법, 재료, 구조에 따라서 굴절률이 다르게 나타날 수 있고, 메타물질의 특성상 주파수에 따라서 굴절률이 변화하는 문제점이 존재할 수 있다.
따라서, 소음을 저감시키는 방법으로, 소음의 주파수 영역에 대응되는 메타물질을 사용하여 차음 효율을 높이고, 초소형 차음재 실현을 위한 여러 가지 방법이 강구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 일정 주파수 영역에서 고임피던스와 고굴절률을 가지는 공간압축 메타물질을 사용하여 공간 스케일링이 가능하도록 하여 소리를 차단하는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치는 서로 다른 격자크기를 가지는 공간압축 메타물질들을 직렬 배치하고, 공간압축 메타물질들 사이에는 갭(gap) 간격을 가지도록 구성되고, 공간압축 메타물질들의 외부 방향은 공기층을 가지도록 구성되며, 공간압축 메타물질은 차음효과를 발생시키기 위해서, 일정 주파수 영역대에서 고임피던스 및 고굴절률을 가지도록 제작될 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치에서, 공간압축 메타물질은 코일드-업(coiled-up, 똬리) 구조로 제작될 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치에서, 공간압축 메타물질은 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 격자 모양을 다르게 하여 제작될 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치에서, 공간압축 메타물질은 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 금속, 플라스틱, 세라믹 등으로 재료를 다르게 하여 제작될 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치에서, 갭 간격의 크기는 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 간격의 크기를 다르게 조절할 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치에서, 공간압축 메타물질들의 직렬 배치는 각 격자 크기와는 무관하게 비순차적으로 직렬 배치할 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치에서, 공간압축 메타물질들의 빈 간격 및 갭 간격의 적어도 하나를 흡음재 또는 차음재로 채워서 구성할 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치에서, 흡음재 또는 차음재는 다공성 미디어를 멜라민 폼으로 형성한 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법은, 다른 격자크기를 가지는 공간압축 메타물질들을 갭(gap) 간격을 가지도록 직렬 배치하는 단계 및 공간압축 메타물질들의 외부 방향은 공기층을 포함하도록 구성하는 단계를 포함하며, 공간압축 메타물질은 차음효과를 발생시키기 위해서, 일정 주파수 영역대에서 고임피던스 및 고굴절률을 가지도록 제작될 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법에서, 공간압축 메타물질은 코일드-업(coiled-up, 똬리) 구조로 제작될 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법에서, 공간압축 메타물질은 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 격자 모양을 다르게 하여 제작될 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법에서, 공간압축 메타물질은 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 금속, 플라스틱, 세라믹 등으로 재료를 다르게 하여 제작될 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법에서, 갭 간격의 크기는 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 간격의 크기를 다르게 조절할 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법에서, 공간압축 메타물질들의 직렬 배치는 각 격자 크기와는 무관하게 비순차적으로 직렬 배치할 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법에서, 공간압축 메타물질들의 빈 간격 및 갭 간격의 적어도 하나를 흡음재 또는 차음재로 채워서 구성할 수 있다.
또한, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법에서, 흡음재 또는 차음재는 다공성 미디어를 멜라민 폼으로 형성한 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치는 일정 주파수 영역에서 고임피던스와 고굴절률을 가지는 공간압축 메타물질을 사용하여 차음효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치는 공간압축 메타물질과 다공성 미디어를 혼합하여 배치함으로써, 광대역 차음 및 차음효과를 극대화 시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치를 사용하면, 저주파의 소음을 효과적으로 차단할 수 있는 초소형 차음재의 제작이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간압축 메타물질을 사용하여 공간 스케일링을 이용한 소리를 차단하는 방법 및 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간압축 메타물질을 사용한 경우의 차음효과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 차음과 차음효과 증대를 위해 격자 크기가 다른 고임피던스 및 고굴절률의 공간압축 메타물질을 순차적으로 배치한 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 크기가 다른 공간압축 메타물질을 배치하여 차음벽 형태로 적용한 것을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 크기가 다른 공간압축 메타물질을 순차적으로 배치한 경우의 차음효과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차음효과 극대화를 위해 공간압축 메타물질 및 폼 복합재인 다공성 미디어를 배치한 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차음효과 극대화를 위해 공간압축 메타물질 및 다공성 미디어를 배치한 구성의 차음효과를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간압축 메타물질을 사용하여 공간 스케일링을 이용한 소리를 차단하는 방법 및 장치를 나타낸 도면이다.
도 1(a)는 격자크기가 a 인 공간압축 메타물질을 사용한 경우이고, 도 1(b)는 격자크기가 a/2 인 공간압축 메타물질을 사용한 경우 및 도 1(c)는 격자크기는 a/4 인 공간압축 메타물질을 사용한 경우의 공간 스케일링을 이용한 소리를 차단하는 방법 및 장치를 나타낸 도면이다.
도 1(a),(b),(c)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리를 차단하는 방법 및 장치는 공기층에 공간압축 메타물질(110, 120, 130)을 삽입하여 차음효과를 발생시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리를 차단하는 방법 및 장치에는 초소형 차음재 실현을 위해서 일정 주파수 영역에서 고임피던스와 고굴절률을 가지는 공간압축 메타물질(110, 120, 130)을 포함할 수 있다. 여기에서, 공간압축 메타물질은 차음 효과를 효과적으로 발생시키기 위하여, 일정 주파수 영역에서 고임피던스와 고굴절률을 가지도록 특정 구조를 인위적으로 형성 또는 제작한 물질을 통칭하는 용어가 될 수 있다.
예를 들어, 도 1(a),(b),(c)를 참조하면, 알루미늄(Al)을 사용하여 코일드-업(coiled-up, 똬리) 구조를 인위적으로 형성함으로써, 일정 주파수 영역에서 고임피던스와 고굴절률을 가지는 공간압축 메타물질(110, 120, 130)을 제작할 수 있다. 즉 일정 주파수 영역에서 고굴절률을 가지는 메타물질을 제작하여 일정 주파수 영역대 음파의 공간을 압축함으로써 소리차단에 필요한 두께를 최소화 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간압축 메타물질을 사용한 경우의 차음효과를 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 격자 크기가 a인 메타물질을 사용한 경우(210), 격자 크기가 a/2인 메타물질을 사용한 경우(220) 및 격자 크기가 a/4인 메타물질을 사용한 경우(230)의 음압 레벨(Sound Pressure Level; SPL) 그래프가 각각 도시되어 있고, 특정 주파수에서 공진현상을 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 메타물질은 공진 주파수를 가지며, 공진주파수에서는 공진 현상이 발생하여, 차단율이 0이 되므로 공진주파수에서는 차음효과를 얻을 수 없게 된다.
예를 들어, 격자 크기가 a인 메타물질을 사용한 경우의 그래프(210)는 1000Hz 마다 공진현상이 발생하고, 격자 크기가 a/2인 메타물질을 사용한 경우의 그래프(220)는 2000Hz 마다 공진현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 격자 크기가 커질수록 저주파에서 공진현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 도 2를 참조하면, 각 그래프(210, 220, 230)는 특정 주파수(공진주파수)에서는 소음 차단율이 0 이 되나, 그 외의 주파수에서는 소음 차단 효과가 발생함을 확인할 수 있다. 또한, 격자 크기마다 공진 주파수의 크기가 달라지므로, 격자 크기를 다르게 제작한 메타물질을 중첩하여 사용하면, 원하는 주파수 대역대에서 차음효과를 발생시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 차음과 차음효과 증대를 위해 격자 크기가 다른 고임피던스 및 고굴절률의 공간압축 메타물질을 순차적으로 배치한 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 크기가 다른 공간압축 메타물질을 배치하여 차음벽 형태로 적용한 것을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치는 서로 다른 격자크기를 가지는 공간압축 메타물질들을 직렬 배치하고, 공간압축 메타물질들 사이에는 갭(gap) 간격을 가지도록 구성되고, 공간압축 메타물질들의 외부 방향은 공기층을 가지도록 구성될 수 있다. 또한, 공간압축 메타물질은 차음효과를 발생시키기 위해서, 일정 주파수 영역대에서 고임피던스 및 고굴절률을 가지도록 제작될 수 있다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 격자크기 a/2 및 a/4 의 공간압축 메타물질의 모양을 다르게 하여 나타낸 도면이다.
도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치에서는 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라 격자의 메타물질 모양을 다르게 하여 배치할 수 있다. 예를 들어, 메타물질은 격자 모양에 따라서 주파수 영역, 공진 주파수 및 굴절률 등의 특성을 다르게 할 수 있으므로, 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 적합한 격자 모양을 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치에서는 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 금속, 플라스틱, 세라믹 등으로 재료를 다르게 하여 메타물질을 제작할 수 있다. 예를 들어, 메타 물질은 각 물질의 재료에 따라 주파수 영역 및 차음율의 특성이 달라지므로, 차단하고자 하는 주파수 영역 및 차음율에 따라서 금속, 플라스틱, 세라믹 등으로 재료를 결정하여 메타물질을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치에서는 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 갭 간격의 크기를 다르게 조절할 수 있다. 예를 들어, <수학식 1>을 참조하면, 갭 간격의 크기를 크게 하면, 소리감쇄율을 증가시킬 수 있으므로, 저주파의 차단에 효과적일 수 있다. 따라서, 저주파를 차단하고자 하는 경우에는 갭 간격을 크게 조절할 수 있고, 이와 반대로 고주파를 차단하고자 하는 경우에는 갭 간격을 작게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치에서는 격자크기가 다른 공간압축 메타물질을 비순차적으로 배치할 수 있다. 즉, 도 3(a) 및 도 3(b)에서는 격자크기가 다른 공간압축 메타물질을 격자 크기순으로 a, a/2, a/4 순으로 순차적으로 배치하여 소리를 차단하였으나, 비순차적으로 배치하여도 거의 동일한 차음효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 격자크기가 다른 공간압축 메타물질을 a/2, a, a/4 순으로 비순차적으로 배치하여도 동일한 차음효과를 얻을 수 있다. 메타물질은 각 격자 크기마다 주파수에 따른 굴절률, 차단율 등의 차이가 있으며, 격자 크기가 다른 메타물질을 비순차적으로 배치하였다면, 차음효과는 배치된 공간압축 메타물질들을 통과하면서 중첩적으로 발생하기 때문이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 크기가 다른 공간압축 메타물질을 순차적으로 배치한 경우의 차음효과를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, Up-stream에서 측정한 음압 레벨(510)은 음파가 공간압축 메타물질을 통과하기 전이므로, 차음효과가 거의 없거나 미세하게 발생하는 것을 확인할 수 있다. Bottom gap에서 측정한 음압 레벨(520)은 음파가 격자크기 a 인 공간압축 메타물질을 통과한 후이므로 Up-stream에서 측정한 음압 레벨(510)보다 향상된 차음효과가 발생하고, Top gap에서 측정한 음압 레벨(530)은 음파가 격자크기 a 및 a/2 인 공간압축 메타물질을 통과한 후이므로, 차음효과가 더 향상되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 도 5를 참조하면, Down-stream에서 측정한 음압 레벨(540)은 음파가 격자크기 a, a/2, a/4 인 공간압축 메타물질을 통과한 후이므로, 나머지 그래프들(510, 520, 530)보다 더욱 향상된 차음효과가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차음효과 극대화를 위해 공간압축 메타물질 및 폼 복합재인 다공성 미디어를 배치한 구성을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 차음효과를 극대화시키기 위해 여러 가지 배치를 다르게 한 것으로, 도 6(a)는 도 3(a)와 같이, 갭 간격 이외에는 공간압축 메타물질로만 구성되게 배치한 경우이고, 도 6(b)는 바깥쪽 공기층을 제외한 부분은 멜라민 폼으로 다공성 미디어로만 구성되게 배치한 경우이다. 도 6(c)는 도 6(a)의 메타물질 사이의 빈(empty) 간격을 다공성 미디어로 채워서 배치한 경우이고, 도 6(d)는 도 6(c)에서 공기층으로 남아있던 갭 간격도 다공성 미디어로 채워서 배치한 경우이다. 즉, 차음효과가 극대화되는 경우를 확인하기 위해, 메타물질 간격 및/또는 갭 간격을 다공성 미디어로 채운 여러 가지 경우의 수를 가정할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 차음효과 극대화를 위해, 메타물질 간격이나 갭 간격에 기존 흡음재 및 복합재를 복합하여 배치할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차음효과 극대화를 위해 공간압축 메타물질 및 다공성 미디어를 배치한 구성의 차음효과를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 도 6(a)와 같이, 갭 간격 이외에는 공간압축 메타물질로만 배치한 경우의 음압레벨 그래프(710)는 공진 주파수에서 차음효과가 0이 되므로, 음압 레벨이 주파수에 따라서 변화하는 모습을 보이게 되나, 도 6(b)와 같이, 다공성 미디어로만 배치한 경우의 음압레벨 그래프(720)는 일정한 음압 레벨로 직선으로 표현될 수 있다. 즉, 다공성 미디어로만 구성된 경우에는 주파수 값에 상관없이 거의 일정한 차음효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 6(c)와 같이, 메타물질의 빈 간격을 다공성 미디어로 채워서 배치한 경우의 음압레벨 그래프(730)는 단순 메타물질로 배치한 경우(710) 및 단순 다공성 미디어로 배치한 경우(720)보다 차음효과가 현저히 향상될 수 있다. 도 6(d)와 같이, 갭 간격 및 메타물질 간격 모두 다공성 미디어로 채워서 배치한 경우의 음압레벨 그래프(740)도 도 6(c)의 음압레벨 그래프(730)와 유사하게 향상된 차음효과를 보일 수 있다.
따라서, 차음재의 구성을 단순 메타물질로만 배치한 경우 및 단순 다공성 미디어로 배치한 경우보다 메타물질과 다공성 미디어를 혼합하여 배치하여 차음재를 구성하는 것이 소리 차단에 더 효과적일 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법 및 장치는 공간압축 메타물질들의 빈 간격 및 갭 간격의 적어도 하나를 흡음재 또는 차음재로 채워서 구성할 수 있다. 또한, 공간압축 메타물질들의 빈 간격 및/또는 갭 간격에 채워지는 흡음재 또는 차음재는 다공성 미디어를 멜라민 폼으로 형성한 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치는 장치라고 지칭되어 있으나, 소리를 차감시키거나 저감시키는 소재, 재료, 필터, 직물, 천, 스티로폼, 플라스틱, 합성 소재, 화학 물질, 조성물 및/또는 합성물 등으로 구성된 차음재 및/또는 흡음재 등이 될 수 있음은 자명하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법과 관련하여서는 전술한 장치에 대한 내용이 적용될 수 있다. 따라서, 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법과 관련하여, 전술한 장치에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
210: 격자 크기가 a인 메타물질을 사용한 경우의 음압 레벨 그래프
220: 격자 크기가 a/2인 메타물질을 사용한 경우의 음압 레벨 그래프
230: 격자 크기가 a/4인 메타물질을 사용한 경우의 음압 레벨 그래프
510: Up-stream에서 측정한 음압 레벨 그래프
520: Bottom gap에서 측정한 음압 레벨 그래프
530: Top gap에서 측정한 음압 레벨 그래프
540: Down-stream에서 측정한 음압 레벨 그래프
710: 도 6(a)와 같이, 갭 간격 이외에는 공간압축 메타물질로만 배치한 경우의 음압 레벨 그래프
720: 도 6(b)와 같이, 다공성 미디어로만 배치한 경우의 음압 레벨 그래프
730: 도 6(c)와 같이, 메타물질의 빈 간격을 다공성 미디어로 채워서 배치한 경우의 음압 레벨 그래프
740: 도 6(d)와 같이, 갭 간격 및 메타물질 간격 모두 다공성 미디어로 채워서 배치한 경우의 음압 레벨 그래프

Claims (16)

  1. 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치에 있어서,
    서로 다른 격자크기를 가지는 공간압축 메타물질들을 직렬 배치하고,
    상기 공간압축 메타물질들 사이에는 갭(gap) 간격을 가지도록 구성되고,
    상기 공간압축 메타물질들의 외부 방향은 공기층을 가지도록 구성되며,
    상기 공간압축 메타물질은 차음효과를 발생시키기 위해서, 일정 주파수 영역대에서 고임피던스 및 고굴절률을 가지도록 제작된 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간압축 메타물질은 코일드-업(coiled-up, 똬리) 구조로 제작된 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간압축 메타물질은 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 격자 모양을 다르게 하여 제작된 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간압축 메타물질은 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 금속, 플라스틱, 세라믹 등으로 재료를 다르게 하여 제작된 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 갭 간격의 크기는 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 간격의 크기를 다르게 조절하는 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간압축 메타물질들의 직렬 배치는 각 격자 크기와는 무관하게 비순차적으로 직렬 배치하는 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간압축 메타물질들의 빈 간격 및 상기 갭 간격의 적어도 하나를 흡음재 또는 차음재로 채워서 구성하는 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 흡음재 또는 차음재는 다공성 미디어를 멜라민 폼으로 형성한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 장치.
  9. 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법에 있어서,
    서로 다른 격자크기를 가지는 공간압축 메타물질들을 갭(gap) 간격을 가지도록 직렬 배치하는 단계; 및
    상기 공간압축 메타물질들의 외부 방향은 공기층을 포함하도록 구성하는 단계를 포함하며,
    상기 공간압축 메타물질은 차음효과를 발생시키기 위해서, 일정 주파수 영역대에서 고임피던스 및 고굴절률을 가지도록 제작된 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공간압축 메타물질은 코일드-업(coiled-up, 똬리) 구조로 제작된 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 공간압축 메타물질은 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 격자 모양을 다르게 하여 제작된 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 공간압축 메타물질은 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 금속, 플라스틱, 세라믹 등으로 재료를 다르게 하여 제작된 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 갭 간격의 크기는 차단하고자 하는 주파수와 차음율에 따라서 간격의 크기를 다르게 조절하는 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 공간압축 메타물질들의 직렬 배치는 각 격자 크기와는 무관하게 비순차적으로 직렬 배치하는 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 공간압축 메타물질들의 빈 간격 및 상기 갭 간격의 적어도 하나를 흡음재 또는 차음재로 채워서 구성하는 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 흡음재 또는 차음재는 다공성 미디어를 멜라민 폼으로 형성한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 스케일링을 이용한 소리 차단 방법.
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