KR20200045202A - 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치 - Google Patents

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정대익
조민호
장승혁
이진우
이종겸
김민호
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Abstract

본 발명은 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치는 음원으로부터 발생하는 소음을 흡수하는 흡음층, 충격을 완충하는 완충층 및 상기 PET 펠트층과 상기 PU 폼층 사이에 위치하는 메타물질 패널층을 포함하고, 상기 메타물질 패널층은, 적어도 하나 이상의 셀이 적층되어 구성되는 유닛 셀로 구성되고, 상기 유닛 셀이 상기 메타물질 패널층 평면상에 적어도 하나 이상 위치하도록 구성되는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 포함한다.

Description

음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치{Device for reducing noise using sound meta-material}
본 발명은 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치에 관한 것으로, 더 바람직하게, 흡음층과 완충층 사이에 위치하고, 다수의 단일 셀로 구성되는 유닛 셀이 병렬적으로 배치되는 메타물질 패널층을 형성하여, 외부 음원으로부터 실내 공간으로 유입되는 소음저감을 수행하는 소음 저감장치를 제공하는 것이다.
소음 저감장치는 각종 소음을 완화시키는 작용을 하기 때문에 강의실, 공연장, 산업현장, 대중교통수단 등 다양한 분야에 걸쳐서 사용된다.
또한, 차량의 엔진음, 노면 소음등이 차량으로 유입되는 것을 방지하여 운전자의 운전성을 개선하기 위한 노력이 존재한다.
상기와 같은 소음 저감장치는 종래 흡음판 또는 차음판을 이용하는바, 상기 흡음판과 차음판은 다공성 섬유 재질을 사용하여 제조되거나, 헬름홀츠 공명기(Helmholtz resonator)의 원리를 사용하여 제조되고 있다. 이러한 종래 소음 저감장치의 문제점은 저주파 대역까지 차단하려면 흡음판 및 차음판을 두껍게 만들어야 하는 단점이 존재하였다.
더욱이, 소음 저감장치는 음파가 반사되는 단단한 벽이나 바닥에 부착되므로, 다공성 섬유 재질로 제조된 흡음판의 두께가 음파의 파장에 비해서 매우 얇으면, 음파의 에너지를 효율적으로 감쇠시킬 수 없어 흡음 효율이 떨어지게 되므로, 다공성 섬유 재질로 제조된 흡음판은 저주파 대역을 흡수하기 위해서 두꺼워져야 한다.
이렇게 두꺼운 소음 저감장치는 헬름홀츠 공명기 원리를 사용하는 구성의 경우에도 마찬가지이다. 즉, 현재까지는 음파의 파장에 비해서 현저하게 얇은 두께의 소음 저감장치는 존재하지 않는다.
본 발명은 음향메타물질을 이용하는데, 음향 메타물질은 자연계에 존재하는 유체가 가질 수 있는 밀도와 효율체적 탄성률의 범위를 초월하는 효율밀도와 효율체적탄성률을 갖는 인공적인 구조이며, 일반적으로 유체 내부에 음향 메타물질 단위요소들이 어레이 형태로 배열된다.
더욱이, 음향 메타물질의 경우, 음의 프와송 비를 갖는 물성을 포함하는바, 음파가 차단되는 차음판으로서 사용이 가능하다.
이러한 음향 메타물질을 이용해서 자연계에 존재하는 물질이 낼 수 없는 특성을 갖는 음향 매질을 제조하는 것이 가능해짐에 따라 음향투명망토, 음향슈퍼렌즈, 흡음판, 차음판 및 머플러 등이 개발되고 있다.
특히, 효율체적 탄성률이 공기에 비해서 매우 작은 메타물질을 사용하면, 흠음판, 차음판 및 머플러로서 성능을 획기적으로 향상시키는 것이 가능하게 된다.
다만, 메타물질을 사용하는 흡음제의 경우에도, 사용 환경에 따른 강성 확보가 요구되고, 소음 및 진동이 발생되는 주파수 대역에 따라 메타물질의 형상적 특징이 요구되는 실정이다.
특허문헌1: 대한민국 공개 특허 제 10-2016-0039495호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 외부에 위치하는 음원을 차음하는 메타물질 패널층을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 메타물질 패널층을 구성하는 단위 셀의 환형 공동을 제공하는바, 음원의 주파수 대역을 선택적으로 차음할 수 있는 소음 저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 얇은 단위 셀의 결합을 통해 소음 저감 효과와 더불어 얇은 차음층을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다. 또한 본 발명의 목적들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치는 다음과 같은 구성을 포함한다.
음원으로부터 발생하는 소음을 흡수하는 흡음층; 충격을 완충하는 완충층; 및 상기 PET 펠트층과 상기 PU 폼층 사이에 위치하는 메타물질 패널층;을 포함하고, 상기 메타물질 패널층은, 적어도 하나 이상의 셀이 적층되어 구성되는 유닛 셀로 구성되고, 상기 유닛 셀이 상기 메타물질 패널층 평면상에 적어도 하나 이상 위치하도록 구성되는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 셀은, 중심홀을 포함하며, 내부에 환형 공동을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 셀은, 중심홀을 포함하는 제 1패널 및 제 3패널; 및 상기 제 1패널 및 제 3패널 사이에 위치하고, 상기 환형 공동을 형성하기 위한 개구부를 포함하는 제 2패널;로 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 제 2패널 내측 개구부에 위치하는 적어도 하나 이상 구성되는 보강부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 유닛 셀은 상기 중심홀이 일치되도록 적어도 하나 이상의 셀을 적층하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 제공한다.
또한, 음향 메타물질 패널층의 두께는 20mm 이하인 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 유닛 셀은 다수의 셀로 구성되고, 상기 다수의 셀은 적어도 하나 이상의 주파수 대역을 차음하는 서로 다른 물성으로 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 메타물질 패널층은 적어도 2개 이상의 유닛 셀로 구성되고, 상기 유닛 셀은 상기 메타물질 패널층의 평면상에 등간격을 유지하여 위치하는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 유닛 셀은 적어도 4개 이상의 셀이 높이 방향으로 적층되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 흡음층은 PET 펠프로 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 완충층은 PU 폼으로 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치를 제공한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 흡음층과 메타물질 패널층을 포함하는 소음 저감장치를 제공하는바, 외부 음원으로부터 실내로 유입되는 소음을 저감하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 메타물질 패널층을 구성하는 유닛 셀의 구성에 기인하여, 선택적인 음원의 주파수 대역의 소음을 저감할 수 있는 효과를 갖는다.
뿐만 아니라, 본 발명은 얇은 두께의 메타물질 패널층을 형성할 수 있는바, 사용범위에 제약이 존재하지 않는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 소음 저감장치의 블럭도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 메타물질 패널층의 사시도를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 메타물질 패널층의 구조도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 메타물질 패널층을 구성하는 유닛 셀의 사시도를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 메타물질 패널층을 구성하는 단위 셀의 분해도를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 메타물질 패널층을 구성하는 단위 셀의 단면도를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 소음 차단주파수 대역을 도시하고 있다.
도 8은 종래 기술과 비교하여, 본 발명의 유닛 셀의 차음 효과 데이터를 도시하고 있다.
도 9는 종래 기술과 비교하여, 본 발명의 소음 저감장치의 차음 효과 데이터를 도시하고 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 명세서에 기재된 "...층", "...부", "...셀", "...유닛 셀(210)" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 하드웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치는 외부에 위치하는 음원으로부터 실내로 유입되는 소음을 방지하기 위한 흡음 및 차음 효과를 제공하는 구성으로서, 완충층(300), 메타물질 패널층(200) 및 흡음층(100)을 포함하도록 구성된다.
도 1에서는 본 발명의 일 실시예로서, 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치의 단면도를 도시하고 있다. 상기 도 1에서는 소음의 원인인 음원과 가장 가까이 마주하도록 구성되는 완충층(300), 상기 완충층(300) 상에 위치하는 메타물질 패널층(200), 상기 메타물질 패널층(200) 상에 적층되는 흡음층(100)으로 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 소음의 원인인 음원과 가장 가까이 마주하도록 구성되는 흡음층(100), 상기 완충층(300) 상에 위치하는 메타물질 패널층(200), 상기 메타물질 패널층(200) 상에 적층되는 완충층(300)을 구성할 수 있다.
완충층(300)의 경우, 외부로부터 발생하여 인가되는 충격을 흡수하고, 완충층(300) 상에 순차적으로 적층되는 메타물질 패널층(200) 및 흡음층(100)의 구성을 보호하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 PU(polyurethane) 폼으로 구성되는 완충층(300)을 포함할 수 있다.
흡음층(100)의 경우, 음원으로부터 발생하여 실내로 유입되는 소음을 흡수하여 내부로 유입되는 소음을 줄이기 위해 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 흡음층(100)으로서, PET(Polyethylene terephthalate) 펠트(flet)를 사용할 수 있다.
본 발명의 소음 저감장치는 완충층(300)과 흡음층(100) 사이에 위치하는 메타물질 패널층(200)을 포함하여 구성된다. 메타물질 패널층(200)의 경우, 적어도 하나 이상의 유닛 셀(210)이 평면상에 병렬적으로 결합하여 형성된다.
유닛 셀(210)의 경우, 적어도 하나 이상의 단위 셀(220)들의 결합으로 구성되는바, 평명의 수직방향으로 결합되는 단위 셀(220)들을 통해 유닛 셀(210)을 구성할 수 있다.
더 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에서는 4개의 단위 셀(220)을 결합하여 하나의 유닛 셀(210)을 형성하도록 구성된다.
유닛 셀(210)은 단위 셀(220)들이 일 방향으로 또는 다 방향으로 직병렬 결합을 수행하도록 구성되는바, 구성된 단위 셀(220)의 결합을 통해 파동의 밴드 갭(band gap)을 찾을 수 있고, 파동이 전달되지 않는 다수의 주파수를 형성할 수 있는바, 상기 단위 셀(220)을 통해 소음을 저감하기 위한 관심 주파수 대역으로 설정할 수 있다.
단위 셀(220)을 구성하는 메타물질의 경우, 아크릴 또는 PLA(Poly Lactic Acid) 중 적어도 하나로 구성될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서 4개의 단위 셀(220) 결합으로 구성되는 유닛 셀(210)은 상기 아크릴 또는 PLA 중 적어도 하나 이상으로 구성되는 단위 셀(220)의 조합으로 구성될 수 있다.
차음 효과를 갖는 본 발명의 메타물질은 아크릴, PLA(Poly Lactic Acid) 이외에도 PP(polypropylene), ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), PC(polycarbonate) 등 모든 플라스틱 물질을 포함할 수 있다.
상기와 같이, 아크릴 및 PLA는 서로 다른 차단 주파수대역을 갖도록 구성될 수 있는바, 아크릴 및 PLA로 구성되는 단위 셀(220)을 포함하는 유닛 셀(210)은 메타물질의 종류에 따라 서로 상이한 대역의 차단 주파수대역을 갖도록 구성될 수 있다.
이하, 메타물질 패널층(200) 및 상기 메타물질 패널층(200)을 형성하기 위한 유닛 셀(210) 및 단위 셀(220)의 구성을 도 2 내지 6을 통해 살펴보도록 하겠다.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예로서 메타물질 패널층(200)의 사시도 및 투과도를 도시하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 메타물질 패널층(200)은 평면 형상을 유지하도록 구성된다. 또한, 도 3에서는 유닛 셀(210)들이 메타물질 패널층(200)을 구성하도록 동일 평면상에 서로 결합되어 위치하도록 구성된다.
또한, 도 3에 개시된 바와 같이, 유닛 셀(210)은 각각의 단위 셀(220) 다수가 결합되어 구성되는 하나의 단위를 의미하는 것으로, 메타물질 패널층(200)은 각각의 유닛 셀(210)이 결합으로 구성되거나, 또는 하나의 패널 안에서 각각의 영역을 형성하도록 구성될 수 있다.
더 바람직하게, 메타물질 패널층(200)은 다수의 유닛 셀(210)이 평면상에서 수직 및/또는 수평 방향으로 정렬되도록 구성되는바, 등간격을 갖도록 형성될 수 있다.
하나의 유닛 셀(210)은 적어도 하나 이상의 단일 셀들이 메타물질 패널층(200)의 수직방향으로 적층되어 구성될 수 있으며, 더 바람직하게, 4개 이상의 단일 셀이 결합되어 하나의 유닛 셀(210)을 형성할 수 있다.
메타물질 패널층(200)을 형성하는 다수의 유닛 셀(210)은 상기 평면상 수직 및 수평 방향으로 배열되어 상기 메타물질 패널층(200)을 구성할 수 있으며, 소음 저감장치의 사이즈에 따라 결합되는 유닛 셀(210)의 수는 변경될 수 있다.
도 4 내지 6에서는 유닛 셀(210) 및 상기 유닛 셀(210)을 형성하는 단위 셀(220)의 구성을 도시하고 있다.
도 4에서는 도 1의 메타물질 패널층(200)의 A구성으로서, 유닛 셀(210)의 사시도를 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 도 4에서는 단위 셀(220)이 적층되어 구성되는 유닛 셀(210)을 개시하고 있으며, 상기 유닛 셀(210)은 적어도 하나 이상의 단위 셀(220)이 적층되는 구조를 갖는다.
더욱이, 유닛 셀(210)을 구성하는 하나의 단위 셀(220)은 도 5에 개시된 바와 같이, 제 1패널(221), 제 2패널(222) 및 제 3패널(223)의 적층 구조로 구성된다.
제 1패널(221) 및 제 3패널(223)의 경우, 중심홀(213)을 포함하도록 구성되고, 제 2패널(222)은 개구부(224)를 포함한다. 더 바람직하게, 제 1패널(221) 및 제 3패널(223)의 경우, 중심홀(213)은 단위 셀(220)을 구성하는 제 1패널(221) 및 제 3패널(223)의 중심부에 위치하도록 구성될 수 있다. 또한, 제 1패널(221) 및 제 3패널(223)은 서로 동일하게 구성될 수 있다.
중심홀(213)은 단위 셀(220)이 적층된 어셈블리 형태에서 제 1패널(221) 내지 제 3패널(223)을 관통하는 형상을 갖도록 구성되며, 제 2패널(222)의 개구부(224)는 단위 셀(220)이 적층된 어셈블리 형태에서 환형 공동(211)을 갖도록 구성된다. 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에서는 제 2패널(222) 내부의 개구부(224)로 연장되도록 위치하는 적어도 하나 이상의 보강부(212)를 더 포함한다.
도시된 본 발명의 일 실시예에서는 패널 외각에서 중심홀(213) 방향으로 환영 공동으로 연장 4개의 보강부(212)를 갖도록 구성되는 단위 셀(220)의 어셈블리 형태를 개시하고 있다.
보강부(212)는 메타물질 패널층(200)을 형성하는 단위 셀(220)의 진동을 억제하여 소음의 차폐시 소음 저감장치에서 발생하는 진동을 방지할 수 있는 기능을 수행한다.
본 발명의 일 실시예에서는 중심홀(213), 환영 공동의 사이즈 및 단위 셀(220)을 구성하는 제 1패널(221) 내지 제 3패널(223)의 두께에 따라 차단 주파수대역을 설정할 수 있다.
상기와 같이 형성되는 어셈블리 형태의 단위 셀(220)이 적어도 하나 이상 적층되어 유닛 셀(210)을 형성하는바, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 단위 셀(220) 4개가 적층되도록 구성된다.
더 바람직하게, 유닛 셀(210)은 각각의 단위 셀(220)에 형성되는 중심홀(213)이 일치 되도록 정렬되고, 상기 평면상에 병렬로 위치하는 다수의 유닛 셀(210)은 중심홀(213)이 등간격을 형성하도록 메타물질 패널층(200)의 평면상에 수직 및 수평 방향에 병렬로 위치하도록 구성된다.
정리하면, 메타물질 패널층(200)을 형성하는 다수의 유닛 셀(210)은 평면상에 서로 등간격을 갖도록 상기 메타물질 패널층(200)의 수직 및 수평 방향으로 결합되도록 구성된다.
도 6은 도 4에 개시된 B-B'의 단면으로서, 하나의 단위 셀(220)의 어셈블리 형태의 단면도를 개시하고 있는바, 중심홀(213)의 반경(rd), 환형 공동(211)의 반경(rc) 및 제 1패널(221) 및 제 3패널(223)의 두께(td) 및 제 2패널(222)에 의해 형성되는 환형 공동(211)의 두께(tc)를 개시하고 있다.
단위 셀(220)의 환형 공동(211)의 외경(2rc)의 크기는 소음 차단주파수의 대역폭과 연관되며, 환형 공동(211)의 외경(2rc)의 크기가 증가할수록 소음 차단주파수 대역폭이 감소하고, 상대 대역폭(relative bandwidth: RBW)은 감소한다.
이와 비교하여, 중심홀(213)의 반경(rd)이 증가할수록 소음 차단주파수 대역폭이 감소하고, 상대 대역폭(relative bandwidth: RBW)은 증가하는 특징이 있다.
이와 비교하여, 제 1패널(221) 및 제 3패널(223)의 두께(td) 증가할수록 소음 차단주파수 대역폭이 감소하고 상대 대역폭(relative bandwidth: RBW)은 실질적으로 동일한 특징을 보이며, 제 2패널(222)에 의해 형성되는 환형 공동(211)의 두께(tc)가 증가할수록 소음 차단주파수 대역폭이 증가하고 상대 대역폭(relative bandwidth: RBW) 또한 증가하는 특징이 있다.
정리하면, 본 발명의 소음 저감장치는, 단위 셀(220)로서, 제 1패널(221) 및 제 3패널(223)을 구성하고, 제 2패널(222)에 의해 환형 공동(211)을 설정하는바, 상기 환형 공동(221)의 압력 강하에 의해 소음원으로부터 유입되는 소음의 파장이 감쇄되는 효과를 제공한다. 즉, 메타물질로 구성되는 단위 셀(220)은 음의 물성치에 의해 소음원의 파장이 감쇄된다.
이처럼, 본 발명은 종래 기술로서, 임피던스 부정합에 의한 에너지 소손을 통한 소음 차단장치와 상이한 구성을 제공하는바, 메타물질로 구성되는 단위 셀(220)의 결합을 통해 음의 물성치에 의해 소음을 저감하는 기술을 제공한다.
본 발명의 일 실시예로서, 소음 저감장치는 단위 셀(220)의 환형 공동(211)의 외경(2rc) 및 중심홀(213)의 반경(rd)에 의해 소음 차단주파수 대역을 설정할 수 있으며, 상기 소음 차단주파수 대역은 단위 셀(220)을 구성하는 제 1패널(221) 내지 제 3패널(223)의 두께보다 단위 셀(220)의 환형 공동(211)의 외경(2rc) 및 중심홀(213)의 반경(rd)에 민감하게 변화한다.
상기와 같은 특징을 기반으로 도 7에서는 소음 차단주파수 대역의 하한 주파수가 300hz이고 상한 주파수가 4000hz인 영역을 갖도록 구성된다. 더 바람직하게, 본 발명의 일실시예에 따라 소음 차단주파수는 272hz 내지 3219hz를 갖도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 소음 차단주파수 대역을 갖기 위해서는 환형 공동(211)의 외경(2rc)이 90mm 내지 130mm, 중심홀(213)의 외경(2rd)이 1 내지 10mm를 갖도록 구성된다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시예에서 메타물질 패널층(200)의 두께가 20mm 이하로 구성되도록 단위 셀(220)의 두께가 tc+2td의 두께가 5mm 이하의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
따라서, 4개의 단위 셀(220)을 포함하는 유닛 셀(210)을 구성할 경우, 메타물질 패널층(200)은 최대 20mm 의 두께를 갖도록 구성될 수 있다.
도 8 내지 도 9는 실시예 1과 비교예 1의 차음 성능을 비교한 데이터를 도시하고 있다.
(비교예1)
비교예 1에서는 음원과 마주하도록 구성되는 PU(polyurethane) 폼으로 구성되는 완충층(300), PET(Polyethylene terephthalate) 펠트(flet)로 구성되는 흡음층(100) 및 상기 완충층(300)과 흡음층(100) 사이에 위치하는 발포폴리프로필렌 (expanded polypropylene:EPP)층으로 구성되는 소음 저감장치를 구성한다.
상기 비교예 1을 구성하는 완충층(300), 흡음층(100) 및 메타물질 패널층(200)은 각각 20mm 인 두께를 갖도록 구성되는바, 소음 저감장치의 두께가 60mm를 형성하도록 구성된다.
(실시예1)
본 발명의 일 실시예에 따라 음원과 마주하도록 구성되는 PU(polyurethane) 폼으로 구성되는 완충층(300), PET(Polyethylene terephthalate) 펠트(flet)로 구성되는 흡음층(100) 및 상기 완충층(300)과 흡음층(100) 사이에 위치하는 메타물질 패널층(200)(아크릴)로 구성되는 소음 저감장치를 구성한다.
완충층(300), 흡음층(100) 및 메타물질 패널층(200)은 각각 20mm 인 두께를 갖도록 구성되는바, 소음 저감장치의 두께가 60mm를 형성하도록 구성된다.
또한, 아래와 같은 수치를 갖는 단위 셀(220)을 구성하고, 상기 단위 셀(220) 4개가 적층되도록 구성되는 메타물질 패널층(200)을 형성한다.
2 r c 2 r d tc td
130mm 1mm 3mm 1mm
실시예 1을 통해 구성되는 소음 저감장치는 비교예 1과 동일한 거리만큼 이격된 소음원으로부터 소음 차단주파수 대역의 차음 효과를 비교하였으며, 실험 조건은 온도 20°c, 소음원과 소음 저감장치 사이의 매체의 밀도 1.21kg/m3 및 상기 조건에서 음속 343m/s를 갖는다.
위에 개시된 비교예 1 및 실시예 1은 동일한 소음원을 포함하고, 동일한 거리만큼 이격된 상태에서 차량의 플로워 매트 구성을 대상으로 소음 저감장치를 제작하여 실험을 진행하였으며, 차량의 플로워 내부에서 손실율을 기반으로 그래프를 작성하였다.
도 8은 상기 조건에서 유닛 셀(210)로 구성된 메타물질 패널층(200)으로 구성되는 본 발명의 실시예와 EPP 층을 차음층으로 형성되는 비교예 1의 사이의 차음 효과를 비교한 그래프이다.
도시된 그래프를 살펴볼 경우, 본 발명의 유닛 셀(210)로 구성되는 메타물질 패널층(200)은 EPP와 비교하여, 차음 효과가 200hz 이상 4000hz 이하 대역에서 존재함을 볼 수 있다.
더욱이, 도 9에서 도시된 바와 같이, 메타물질 패널층(200)을 포함하는 소음 저감장치인 실시예 1과 EPP층을 포함하는 비교예 1의 소음 저감장치 간의 차음 효과 데이터를 비교하여 개시하고 있다.
개시된 바와 같이, 실시예 1의 소음 저감장치는 0-4000hz대역 전영역에서 비교예 1에 비해 높은 차음 효과가 존재함을 개시하고 있다.
이처럼, 메타물질 패널층(200)을 포함하는 본 발명의 소음 저감장치는 현저한 차음효과를 제공하는바, 소음원으로부터 실내로 유입되는 소음을 저감할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 기술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 기술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 흡음층
200: 메타물질 패널층
210: 유닛 셀
211: 환형 공동
212: 보강부
213: 중심홀
220: 단위 셀
221: 제 1패널
222: 제 2패널
223: 제 3패널
224: 개구부
300: 완충층

Claims (11)

  1. 음원으로부터 발생하는 소음을 흡수하는 흡음층;
    충격을 완충하는 완충층; 및
    상기 흡음층과 상기 완충층 사이에 위치하는 메타물질 패널층;을 포함하고,
    상기 메타물질 패널층은,
    적어도 하나 이상의 단위 셀이 적층되어 구성되는 유닛 셀로 구성되고, 상기 유닛 셀이 상기 메타물질 패널층 평면상에 적어도 하나 이상 위치하도록 구성되는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단위 셀은, 중심홀을 포함하며, 내부에 환형 공동을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 단위 셀은,
    중심홀을 포함하는 제 1패널 및 제 3패널; 및
    상기 제 1패널 및 제 3패널 사이에 위치하고, 상기 환형 공동을 형성하기 위한 개구부를 포함하는 제 2패널;로 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2패널 내측 개구부에 위치하는 적어도 하나 이상 구성되는 보강부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 유닛 셀은 상기 중심홀이 일치되도록 적어도 하나 이상의 셀을 적층하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    음향 메타물질 패널층의 두께는 20mm 이하인 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 유닛 셀은 다수의 단위 셀로 구성되고,
    상기 다수의 단위 셀은 적어도 하나 이상의 주파수 대역을 차음하는 서로 다른 물성으로 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 메타물질 패널층은 적어도 2개 이상의 유닛 셀로 구성되고,
    상기 유닛 셀은 상기 메타물질 패널층의 평면상에 등간격을 유지하여 위치하는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 유닛 셀은 적어도 4개 이상의 단위 셀이 높이 방향으로 적층되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 흡음층은 PET 펠프로 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 완충층은 PU 폼으로 구성되는 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 소음 저감장치.
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