KR20210001934U - 방음 패널 - Google Patents

Abstract

본 고안은 방음 패널(10)에 관한 것으로, 제 1 면(10c) 및 제 2 면(10d)을 포함하는 층(10a)으로서 1 kPa 내지 100 MPa의 영률을 갖는 재료로 형성되는 층(10a)과 상기 제 1 면(10c)과 제 2 면(10d) 사이에 삽입되는 복수의 디퓨저(10f)를 포함하고, 상기 디퓨저(10f)는, 상기 층에, 상기 제 1 면(10c) 및 제 2 면(10d)에 평행한 방향으로 나란히 배열된 셀들의 주기적 어레이를 형성하도록 배열되며, 각 셀(10e)은 적어도 하나의 디퓨저(10f)를 포함하고, 상기 방음 패널은, 상기 방음 패널 외부로부터 상기 층(10a) 내로 공기가 통과하는 것을 방지할 수 있는 기밀 수단(16)을 더 포함한다.

Description

방음 패널

본 고안은 방음 패널의 양 면 사이에서 음향 파의 전달를 제한할 수 있게 하는 방음 패널에 관한 것이다.

알려진 음향 감쇠 솔루션 중에는, 방음 원리가 벽의 질량과 두께가 클수록 방음 성능이 커진다는 질량의 법칙으로 설명되는 단일 벽 패널이 있다. 이러한 벽은 종종 방출 실의 잔향 시간을 줄일 수 있는 다공성 재료와 같은 흡수성 음향 재료와 결합된다. 이 잔향 시간을 줄임으로써 방출 실의 사운드 레벨을 약간 감소시켜 수신 실의 사운드 레벨을 줄일 수 있다. 요즘 시장에는 이러한 유형의 음향 제품이 많이 있는데, 특히, 기계 후드 또는 공장에서 작업 스탠드를 분리하는 요소가 있다. 현재, 흡음에 사용되는 재료는 대부분 소위 다공성 재료(폴리 우레탄 폼 등) 또는 소위 섬유 재료(유리솜, 손바닥 섬유 등)와 같은 다공성 기재를 가진 재료이다. 이러한 재료를 방음 패널에 통합하는 것은 용이하다. 또한, 이렇게 얻은 패널은 가볍고 가청 스펙트럼의 대부분의 주파수에 대한 음향 감쇠 성능이 우수한다. 그러나, 이러한 재료는 매우 낮은 주파수 사운드의 양호한 감쇠를 실현하지 못한다. 즉, 두께가 2 내지 5cm 정도인 얇은 패널의 경우, 예를 들어, 공회전 엔진에서 방출되는 소음에 대응하는 50Hz 내지 500Hz 정도의 주파수에 대해 양호한 감쇠 효과를 실현하지 못한다. 이는 해당 파장이 재료 두께의 4 배보다 큰 주파수에서 특히 그렇다.

모든 단일 벽 패널은 동일한 거동을 보이며 동일한 방음 곡선을 나타낸다. 이러한 곡선의 레벨은 시트의 밀도와 두께에만 의존한다. 따라서, 문제는 강력한 방음을 위해 매우 무겁고 두꺼운 벽이 필요하다는 것이다. 따라서, 무거운 무게의 재료(종종 역청 물질)가 벽이나 다공성 재료에 추가된다 그러나, 이러한 다공성 재료는 수십 센티미터의 두께를 만들 수 없다면 매우 비효율적이다.

운송 목적과 건축 분야에서는 가능한 한 구조물을 가볍게 하고 얇게 만드는 것이 목적이기 때문에 상술한 바는 고려할 수 없다.

또한, 공기 블레이드 또는 다공성 재료가 그 사이에 배치되는 2 개의 시트를 포함하는 이중벽 패널이 알려져 있다. 이러한 유형의 패널의 방음은 호흡 주파수 f_resp와 임계 주파수 f_c에서 두 개의 국소 최소값을 나타낸다. 이러한 최소값은 방음의 약점을 반영하기 때문에 문제가 된다. 임계 주파수는 고주파수(수 kHz)에 위치하며 벽의 진동 파장과 음향 에너지의 강한 전달에 의해 반사되는 음향 파장의 일치에 해당한다. 호흡 주파수는 부분적으로 매우 낮은 주파수(50 내지 500Hz 사이)에 위치하며 벽의 질량부-공기-질량부 공명과 연결된다. 시트는 공동 내에서 압축성 음향 매체의 스티프니스의 영향 하에서 위상 반대 방향으로 진동한다. 이 두 주파수를 제외하고, 이중벽은 음향적 관점에서 흥미로운 거동을 하는데, 이들 중 방응 기울기는 + 18dB/octave이고 + 12dB/octave이기 때문이다. 따라서, 방음은 중간 및 고주파(500 내지 4000Hz 사이)에서 중요할 수 있다. 이러한 시스템은 음향적 거동을 갖지만 진동적 거동도 갖는다는 점에 유의하는 것이 중요한다. 실제로, 소스 측에서, 음향 파는 제 1 시트에 도달하고 시트는 기계적으로 응력을 받고 변형되며(진동이라고도 하는 고체 내에서의 음향 파가 존재함), 이어서 공기 공동에서 음향 파를 방출한다. 이 공동 내의 음향 파는 제 2 시트를 여기시키며 제 2 시트는 소스로부터 방음되기를 원하는 수신 부분에서 진동하고 방출한다. 일반적으로, 시트의 진동에 영향을 주지 않으면서 공동 내에서의 음향 모드를 감쇠하기 위해 공동 내에 다공성 재료가 추가된다. 또한, 이러한 시트는 가능한 가장 낮은 호흡 주파수(종종 100Hz 미만)와 가능한 가장 높은 임계 주파수(2500 내지 5000Hz 사이)를 갖도록 무게 및 두께 관점에서 최적화된다. 단일 벽 패널 또는 이중 벽 패널은 허용 가능한 방음을 생성하기 위해 방음 패널의 부피 및 중량과 관련하여 유사한 어려움을 겪는 것으로 이해될 것이다.

따라서, 이중벽 패널을 사용하면 중간 및 고주파에서 상당한 방음을 얻을 수 있지만 특히, 호흡 주파수로 인해 저주파에서 여전히 저 방음 능력을 나타낸다. 단일 벽 패널과 마찬가지로, 이러한 방식은 외벽의 무게 또는 두께를 늘리는 것을 포함하며, 이는 분명히 문제가 된다.

방음 문제, 즉 음원에 의한 소음 전달을 줄이는 문제를 해결하고 앞서, 언급한 기술의 어려움을 극복하기 위해 음파 결정(sonic crystal) 기술을 사용할 가능성이 현재 연구되고 있다. 이 기술은 디퓨저의 주기(간격)에 비례하는 파장에 대해 소스에서 방출되는 음파의 주파수 범위를 차단하기 위해 서로에 대해 미리 결정된 간격으로 음향 디퓨저들을 배열하는 것으로 구성된다.

효과를 내기 위해, 이러한 음파 결정은 50cm에서 2m 두께의 매우 두꺼운 장벽을 생성하는 여러 열들의 디퓨저가 필요하며, 이는 특히, 철도 라인 또는 자동차 차 도로, 특히, 고속 도로 측면의 방음을 목적으로 하는 소음 방지 장벽과 같은 외부 용도로 제한된다. 알려진 용도에서, 디퓨저는 유효 주파수 범위를 증가시키기 위해 다공성 재료로 둘러싸인 공진기로 구성된다(SAμNCHEZ-PEμREZ and al., "Noise certification of a sonic crystal acoustic screen designed using a triangular lattice according to the standards EN 1793 (-1;-2;-3)", EuroNoise, 2015). 또한, 디퓨저는 비용이 많이 들고 구현하기가 복잡하다. 실제로, 각 디퓨저는 세 가지 요소로 구성되는데, 즉 내부에 암면으로 코팅된 금속 튜브로 구성되며 전체가 미세 천공 알루미늄 튜브로 덮여 있다. 실제로, 이러한 조립은 복잡하고 기존의 상업적 업체가 없기 때문에 미세 천공 튜브를 얻는 것이 어렵다. 따라서, 1 미터 거리에 걸쳐 소음 방지 벽을 설치하는 것은 비용이 많이 들고 이러한 유형의 기술 해결책이 아직 개발 중에 있기 때문에 효율성을 보장할 수 없다.

US 2011/0100746 문서에는, 구멍이 뚫려 있고 유체(공기 또는 물)로 채워진 고무 스트립을 사용하는 것도 알려져 있다. 이러한 종류의 재료는 두 매체를 연결하고 진동이 한 매체에서 다른 매체로 전달되는 것을 방지하는 데 사용된다. 구멍들의 스택 방향으로 전파되는 압축 파를 처리하는 데 최적화되어 있다. 처리된 주파수 범위가 너무 높아 저주파 방음 문제에 적용할 수 없다. 이는 특히, 낮은 주파수로 내려가는 것을 방지하는, 재료의 선택 및 기계적 특성과 관련이 있다.

마지막으로, 문서 FR 3010225는 다공성 층 및 이 다공성 층의 두면 사이에 배열된 음향 공진기를 포함하는 흡수 셀을 갖는 재료를 개시한다. 방음 응용 분야에 사용되는 경우, 공진기의 공진만 작용하여 매우 낮은 주파수 범위에서 방음을 개선할 수 있다. 이는 이중벽의 호흡 주파수를 처리하는 데 유용할 수 있지만 넓은 대역에 걸쳐 방음 성능을 증가시킬 수는 없다. 저주파를 처리하기 위한 공진기의 크기도 중요할 수 있으며 지름이 수 센티미터, 길이가 수 미터에 빠르게 도달할 수 있다. 이는 운송 용도에서, 문제가 있다.

본 고안의 목적은, 특히 간단하고 효과적이며 경제적인 상기한 문제에 대한 해결책을 제공하는 것이다.

이를 위해, 제 1 면과 제 2 면을 포함하는 층을 포함하고, 제 1 면과 제 2 면 사이에 삽입된 복수의 디퓨저를 포함하는 방음 패널을 제안하고, 디퓨저는 상기 제 1 및 제 2 면에 평행한 방향으로 나란히 배치된 셀들의 주기적 어레이를 형성하도록 상기 층 내에 배열되며, 각 셀은 적어도 하나의 디퓨저를 포함하며, 상기 패널은 패널 외부로부터 상기 층 내부로 공기가 통과하는 것을 방지할 수 있는 기밀 수단을 더 포함한다.

따라서, 진동 음향 메타 물질인 본 문서에 따른 패널은, 탄성 고체 기재와 확산 강성 개재물, 즉 기재 내부에 위치한 진동 디퓨저(음향 공진기가 아님)로 구성된다. 본 고안은 전술한 종래의 다공성 재료 대신에 단일 벽, 또는 이중 벽의 내부에 적용될 수 있다. 본 고안의 이점은 얇은 두께에 대해 낮은 주파수를 처리할 수 있고 기존 재료가 큰 두께와 상당한 추가 중량을 요구하는 반면에, 상대적으로 적은 추가 중량을 갖는다는 것이다.

재료 내에서 음파 처리는 종래 기술과 다르게 수행된다. 제안된 패널 구성은 특히, 영률이 충분히 낮고 특히, 1kPa와 100MPa 사이에서, 층/기재 내에서 진동 파의 전파 속도를 낮출 수 있게 한다. 패널 층에서 기계적 파동의 낮은 전파 속도는 작은 파장을 의미하고 따라서 소명 확산 개재물을 필요로 하며, 결과적으로 종래 기술에 비해 얇은 두께의 패널이 얻어진다. 저주파 음향 파(큰 파장)를 재료 내의 (작은 파장의) 진동 파로 변환하는 데 성공함으로써, 이들은 디퓨저에서 차단되어, 제 1 면 및 제 2 면을 통과하는 방향으로, 패널을 통과하는 것이 방지한다. 더욱이, 상기 층의 밀도는 5 내지 1000 kg/m³일 수 있다.

따라서, 패널이 벽 또는 음향적으로 방음될 다른 벽 상에 부착 지지체 역할을 할 수 있는 시트와 같은 지지체에 장착되도록 의도된 경우, 이는 얇은 두께로 시트의 방음 성능을 증가시킬 것이다. 이러한 두께는 음 방출 소스 쪽 또는 반대쪽에 배치할 수 있다. 그러나, 음파가 이미 움직이고 있는 시트의 진동을 감쇠시키려고하는 것보다, 지지 시트에 도달하기 전에 음파를 감쇠하는 것이 더 쉽기 때문에, 음파 소스 쪽에 배치하면 더 효과적이다. 실제로, 지지체 상에 고정되도록 의도된면에는, 상기 지지체 상에 고정할 목적으로 접착 필름이 제공될 수 있다.

가청 음향 범위(20Hz 내지 20kHz), 특히, 50 내지 4000Hz 사이에 있는 주파수 범위에서 효과적인 진동-음향 패널을 얻으려면, 다음과 같은 3 가지 요소를 조합해야 한다: 낮은 영률을 가진 기재 또는 유연한 재료, 각각이 적어도 하나의 디퓨저를 포함하는 셀들의 주기적 어레이, 이는 공기 중 음파가 실제로 재료 내에서 탄성파로 변환되도록 함. 이들 중 하나가 없으면, 본 기술은 관심 산업 주파수(50 내지 4000Hz 사이)에서 작동하지 않는다. 본 고안에서, 셀들은 모두 서로 동일하다.

공기 기밀 수단을 추가하면 모든 음향 에너지가 기계적으로 패널에 전달된다.

따라서, 본 출원인은 흡음에는 효과적이지만(반사파가 거의 없음) 방음에는 매우 비효율적인(파가 재료를 용이하게 통과해버림) 기존의 흡수성 재료, 특히, 다공성 재료 및 메타 다공성 재료의 사용을 사용하지 않는 패널을 제안한다. 재료가 다공성인 경우, 층 표면 상에 기밀 필름을 추가하면 다공성 재료의 흡수 특성이 제거되지만 오직 골격만을 여기시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 재료의 기공에 포함된 공기 중에서 전파되는 음향 에너지는 거의 없다. 이는 기존의 다른 음향 메타 다공성 재료, 특히, 다공성 재료가 음향 에너지가 전파 및 소산되고 골격의 진동이 발생하는 등가 유체로서 간주되는 특허 US 9818393B2의 것과는 근본적으로 상이하다. 즉, 대부분의 음향 에너지는 기공 내에서, 즉 기공들의 골격에서 전파된다.

디퓨저의 영률은 층의 재료의 영률보다 클 수 있으며, 바람직하게는 매우 상당히 클 수 있다. 즉, 적어도 10 배 더 클 수 있다.

또 다른 특징에 따르면, 상기 층은 예를 들어 폴리 우레탄 폼, 형상 기억을 갖는 폼, 폴리 에스테르 섬유 및 폴리에틸렌 폼과 같은 다공성 기재로 이루어진다. 다공성 기재는 0.5 내지 0.99의 기공율을 가질 수 있다. 특히, 기공율은 0.7과 0.99 사이일 수 있다. 기공율의 증가는 재료의 기재에 유연성을 부여하여 결과적으로 매우 낮은 주파수의 감쇠를 증가시킨다. 기재는 열린 구멍 또는 닫힌 기공을 가질 수 있다.

개방 기공을 갖는 다공성 기재가 사용되는 경우, 기밀 수단은 예를 들어 상기 층의 제 1 면을 덮는 공기 기밀 필름을 포함할 수 있다. 이 필름은 두께가 0.05mm 이상일 수 있다. 이 최소 두께는 필름의 견고성을 보장할 수 있다. 공기 기밀 필름은 0.5mm 미만의 두께를 가질 수 있다. 실제로, 이 두께를 넘어 서면, 필름이 너무 무거워지고 시트처럼된다.

특정 실시 양태에서, 필름은 음향 디퓨저를 포함하는, 즉 하우징하는 층의 제 1 면 상에 인장된 막의 형태를 취할 수 있다. 기밀 수단은 적어도 50,000 N.m^-4.s보다 큰 공기의 통과에 대한 저항을 나타낼 수 있다. 이 값보다 낮으면, 공기에 대한 저항이 너무 낮고 우수한 방음을 실현하지 않는 누출이 발생한다.

이 층은 예를 들어 고무 기반의 비다공성 기재일 수 있다. 이 경우, 비다공성 기재의 기밀이 충분하다면, 이 층은 전술한 바와 같이 기밀 필름을 가질 필요가 없다. 분명히, 디퓨저를 수용하는 층은 두 가지 재료 구조, 즉 하나 이상의 하부층을 가질 수 있음을 이해해야 한다. 음파를 처음 수신하도록 의도된 하층이 기밀하지 않은 경우(예 : 다공성 기재로 된 하층), 앞서 설명한대로 공기 기밀 필름을 추가해야 한다. 여기서, 하층이라는 용어는 디퓨저를 수용하는 재료 층의 소정의 두께를 나타내며, "하"라는 용어는 상대적인 배열을 나타내지 않는다.

소정의 실시예에서, 상기 디퓨저는 상기 디퓨저를 수용하는 재료 층의 상기 제 1 면 및 제 2 면에 실질적으로 평행한 모면들(Generatrices)을 갖는 직선 실린더이다. 제 1 면과 제 2 면은 평평할 수 있다. 모든 디퓨저는 서로 동일할 수 있다. 디퓨저의 내부 구조는 속이 비어 있거나 차 있거나 내부 보강 벽이 있을 수 있다.

디퓨저는 패널의 전체 길이에 걸쳐 연장할 수 있으며 제 1 단부에서 반대쪽 제 2 단부까지 연장되는 전체 치수에 걸쳐 어떠한 개구부도 갖지 않는다.

상기 디퓨저의 영률는 층의 영률보다 적어도 10 배 더 클 수 있다. 이러한 값은 브래그 정지 대역(Bragg stop band)를 생성하기 위해, 층의 구조와 디퓨저 사이에서 충분히 큰 강성 차를 보장할 수 있다.

알루미늄, 강철 또는 구리와 같은 금속으로 만들어진 디퓨저를 사용할 수 있다. 디퓨저는 PVC, 폴리 프로필렌, PET, PETG, 아세테이트, 폴리 카보네이트 유형의 폴리머 소재로도 이루어질 수 있다. 종이, 롤 판지, 크라프트 지 또는 페놀 수지 종이와 같은 다른 재료도 적합할 수 있다.

본 고안의 특징에 따르면, 셀들 사이의 간격 α가 패널의 두께와 같을 때, 상기 간격은 α = V_T/(2f₀)로 정의될 수 있으며, 여기서 f₀은 목표 주파수 범위(또는 관심 주파수 범위)의 중심 주파수를 나타내며, V_T는 상기 재료 내에서 전단파의 속도를 나타낸다. 각 셀은 하나 이상의 디퓨저를 포함할 수 있으며, 셀의 소정의 디퓨저는 인접 셀의 해당 디퓨저로부터 값 α만큼 떨어져 있다. 따라서, 본 패널은 사각형 단면을 가진 셀들을 갖는 특별한 기능을 가지고 있다. 소스가 공기 중에 음파를 방출할 때, 기계적 파동은 종파(압축)와 횡파(전단파)의 두 방향으로 전파된다. 패널 내에서는 후자가 가장 느리다. 이론적으로는, 최적의 방음을 얻으려면, 디퓨저의 정확한 치수가 필요하지만, 본 출원인은 이전에 표시된 것처럼 주기가 전단 파장의 절반과 같을 때 상당한 영향을 미칠 수 있음에 주목했다.

본 문서에 따른 또 다른 실시예에서, 재료 층은 두께가 제 1 면으로부터 제 2 면을 향해 배향된 양의 영률 구배를 나타내는 적어도 하나의 영역을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 구배는 제 1 면에서 제 2 면으로 또는 층의 일부에서 걸쳐서만 연장될 수 있다. 따라서, 다수의 조합이 가능하다. "양의 구배"라는 용어는 영률의 증가를 나타낸다.

본 문서는 또한 제 2 면이 지지 시트의 면 상에 압착되는 패널을 포함하는 조립체에 관한 것이다.

지지 시트는 우선적으로 층의 영률보다 큰 영률을 갖는다.

지지 시트는 층의 영률보다 적어도 10 배 더 큰 영률을 가질 수 있다.

디퓨저를 포함하는 다공성 기재와 층의 조합으로서, 상기 층의 제 1 면은 공기 기밀 필름으로 덮여 있고 제 2 면은 지지 시트 상에 압착되며, 디퓨저의 영률과 지지 시트의 영률은 상기 층의 영률보다 훨씬 더 큰, 상기 조합은, 가청 범위의 음파를 흡수하는 데 특히 효과적이다.

디퓨저의 영률과 지지 시트의 영률은 실질적으로 동일할 수 있음을 알 수 있다.

도 1은 본 고안에 따른 패널의 제 1 실시예의 단면도;
도 2는 도 1의 패널에서 여러 입사각에서의 주파수 함수로서 dB 단위의 진동 전달 경향 그래프;
도 3은 도 1의 패널 및 기준 패널에 대한 주파수(로그 스케일)의 함수로서의 전달 손실(데시벨)을 나타내는 그래프;
도 4는 본 고안에 따른 패널의 제 2 실시예의 단면도;
도 5는 도 4의 패널에서 여러 입사각에서 주파수의 함수로서 dB 단위의 진동 전달 경향 그래프;
도 6은 도 4의 패널 및 기준 패널에 대한 주파수(대수 스케일)의 함수로서의 전달 손실(데시벨)을 나타내는 그래프;
도 7은 본 고안에 따른 패널과 함께 사용되는 복수의 디퓨저를 나타낸 도면;
도 8은 본 고안에 따른 패널의 또 다른 가능한 실시예를 도시한 도면이다.

도 1 및 도 4는 각각 본 고안에 따른 패널(10a)을 포함하는 조립체(10)의 제 1 실시예 및 패널(12a)을 포함하는 조립체(12)의 제 2 실시예를 나타낸다.

제안된 2 개의 상이한 실시예에서, 패널(10a, 12a)은 지지 시트(14)에 의해 지지된다. 상이한 예들에서, 시트(14)는 목재로 이루어진다. 이 시트의 무게는 3.5kg이다. 목재와 같은 흡수성 시트를 사용하면, 소음 감소 지수를 개선할 수 있어, 방음을 강화할 수 있다.

패널(10a, 12a)은 서로 마주 보는 제 1 면(10c, 12c) 및 제 2 면(10d, 12d)을 포함하는 층(10b, 12b)을 포함한다. 제 2 면(10d, 12d)은 예를 들어 접착 필름과 같은 접착 수단을 사용하여 지지 시트(14)와 접촉한다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 층(10a, 12a)은 나란히 배열된 여러 셀을 포함한다. 본 예에서, 이들은 서로 구조적으로 구별되는 셀(10e, 12e)이 아님이 이해된다. 각 셀(10e, 12e)은 디퓨저(10f, 12f1, 12f2)를 포함하고 모든 셀(10e, 12e)은 동일하다. 따라서, 도 1과 관련하여, 디퓨저(10f)는 제 1 면 및 제 2 면에 평행한 방향으로 열을 형성한다. 도 4와 관련하여, 디퓨저(12f1)는 제 1 및 제 2 면에 평행한 방향으로 제 1 열을 형성하고, 디퓨저(12f2)는 제 1 및 제 2 면에 평행한 방향으로 제 2 열을 형성한다. 제 2 열의 디퓨저(12f2)는 제 1 열(12f1)과 제 2 면(12d) 사이에 배열된다.

도 1과 도 4에서, 디퓨저는 단면으로 표시된다. 디퓨저(10f, 12f1, 12f2)는 단면 평면에 대해 실질적으로 직각인 방향으로 긴 형태를 가지며 제 1 면(10c, 12c) 및 제 2 면(10d, 12d)에 평행하게 연장된다. 본 예에서, 디퓨저(10f, 12f1, 12f2)는 직선 원형 실린더이며, 그의 모면(generatrix)은 디퓨저(10f, 12f1, 12f2)를 수용하는 재료의 층(10a, 12a)의 상기 제 1 면(10c, 12c) 및 제 2 면(10d, 12d)에 실질적으로 평행하다. 다른 형태의 직선 실린더는 도 8에 나와 있다.

가청 범위의 저주파를 양호하게 감쇠시키기 위해, 방음 패널(10a, 12a)은 디퓨저를 수용하는 층이 1kPa와 100MPa 사이의 영률을 가지며 5 내지 1000kg/m³ 밀도를 갖는 재료로 이루어진다. 또한, 층(10a, 12a)은 패널 외부로부터 상기 층으로 공기가 통과하는 것을 방지할 수 있는 기밀 수단을 포함한다. 이러한 기밀 수단은 도 1에서 층(10a, 12a)의 제 1 면 상의 점선(16)으로 표시된다. 이러한 기밀 수단(16)은 층(10a, 12a)의 구성 구조가 이러한 공기 기밀을 실현할 때 층의 일체화된 부분이 될 수 있거나, 해당 재료가 내재적으로 공기 기밀 기능을 보장할 수 없을 때에 상기 층의 제 1 면을 덮는 공기 기밀 필름에 의해 형성될 수 있다. 후자의 경우, 라인(16)은 기밀 필름을 나타낸다. 이러한 기밀성 필름은 층(10a)의 제 1 면 상에 성막될 수 있다. 이와 같이 구성된 패널(10a, 12a)은 낮은 영률을 갖는 유연한 기재, 하나 이상의 디퓨저(10f, 12f1, 12f2)를 포함하는 셀(10e, 12e)의 주기적 어레이(도 1에서, 단일 디퓨저 및 도 4에서, 두 개의 디퓨저) 및 공기 기밀 수단을 가지며, 이로써 음원에서 방출되는 공기 중 음파를 고체 내의 음파로 변환할 수 있도록 하여 관심 산업 주파수에, 즉 50 내지 4000Hz의 주파수에서 양호한 감쇠를 얻을 수 있도록 한다.

따라서, 영률이 낮고 유효 밀도가 낮은 모든 재료를 사용할 수 있다. 이를 통해, 낮은(<< 340m/s) 기계적 파동 전파 속도를 얻을 수 있다. 이로써, 관련 파장이 공기에서의 파장보다 작으며, 이러한 파장은 저주파에서 효과를 얻기 위해 디퓨저의 작은 공간적 주기(수 센티미터)를 의미한다. 영률이 1kPa 내지 100MPa이고 밀도가 5 내지 1000kg/m³, 바람직하게는 10 내지 100kg/m³인 재료가 이러한 조건을 충족한다.

층(10b, 12b)의 재료는 예를 들어 BASF의 Basoctect 타입 G+ 멜라민 폼, 폴리우레탄 폼, 형상 기억을 가진 폼, 폴리에스테르 섬유를 포함하는 폼, Stratocell Whisper 폼, 폴리에스테르 폼, 에틸렌-프로필렌-디엔 단량체 폼과 같은 개방 또는 폐쇄 기공을 가진 다공성 기재를 가질 수 있다. 폴리에틸렌으로 이루어진 것과 같은 폼은 가교 방법으로 얻을 수 있다. 이러한 폼은 개방된 기공을 갖는 내부 구조를 갖는다. 명백하게는, 가교 방법 이외의 방법으로 폼을 얻을 수 있다.

다공성 기재는 0.5 내지 0.99의 기공율을 가질 수 있다. 특히, 기공율은 0.7과 0.99 사이일 수 있다. 기공율의 증가는 재료의 기재에 유연성을 부여하여 결과적으로 매우 낮은 주파수의 감쇠를 증가시킨다.

모든 음향 에너지가 재료에 기계적으로 전파되는 것은 필수적이다. 균질한 소재라면 자연스럽게 전파되지만, 기공이 열린 다공성 재료와 같이 이러한 전파를 보장되지 않는 소재라면, 음원에 노출되는 제 1 면은, 예를 들어, 기밀 필름을 추가하는 것과 같이, 불침투성 재료의 박층을 도포함으써 기밀하게 된다. 이는 음향 에너지가 재료의 열린 기공에서 전파되는 것을 방지하여, 공기 중 음향의 법칙에 따라 음향 파의 전파를 방지한다. 기밀 필름(16)을 형성하는데 사용될 수 있는 코팅은 예를 들어 0.05 내지 0.5 mm 두께의 모든 필름, 특히, 라미네이트거나 또는 인레이드되거나 텍스처링된 알루미늄 필름, 폴리머 필름, PVC, 비닐, 폴리 프로필렌 유형 필름 및 50,000 Nm^-4.s보다 큰 공기의 통과에 대한 저항을 갖는 재료로 코팅이 이루어질 수 있다.

본 고안에 따른 방음 패널(10a, 12a)에서는 종파(즉, 압축 파) 및 횡파(즉, 전단파)가 전파된다. 그러나, 출원인은 횡파가 패널(10a, 12a)에서 가장 느린 파인 것으로 판명되었다는 점에 주목했다. 최적의 방음을 얻으려면, 이론적으로는 정확한 치수 지정이 필수이지만, 출원인은 셀(10e, 12e) 사이의 공간 간격이 전단 파장의 절반과 같을 때 상당한 음향 전달 감소 효과를 가질 수 있음에 주목했다.

여기서, f₀은 처리될 주파수 범위의 중심 주파수이고 V_T는 상기 재료에서 전단파의 속도를 나타낸다.

실제로, 출원인은 패널의 두께가 셀 사이의 간격과 실질적으로 동일하다면 패널의 횡파 속도와 셀의 간격 사이에 관계가 성립될 수 있음을 주목했다. 도 1의 경우, 셀들(모두 동일한 셀임) 사이의 간격은 디퓨저들 사이의 간격과 동일하다. 셀이 다중 디퓨저를 포함하고 모든 셀들이 동일한 경우, 소정의 디퓨저와 인접 셀 내의 이에 대응하는 디퓨저 사이의 간격은 셀들 사이의 간격과 동일하다.

이러한 공식을 사용하면, 양호한 흡수를 위해 디퓨저의 배치와 치수를 알기 위해 유한 요소 계산이 필요하지 않기 때문에 패널 정의를 단순화할 수 있다.

도 1에 제안된 예에서, 디퓨저들(10f)는 측방향으로 서로 6cm 간격을 두고 있으며, 폼은 100kPa의 영률을 갖는 멜라민 폼이다. 디퓨저는 모두 1.2cm의 동일한 직경을 가지며 지지 시트는 영률 1GPa 및 두께 1cm의 목재로 이루어진다. 방음 패널의 치수 관련 파라미터는 아래 표에 요약되어 있다.

	기재 두께	단위 셀 폭	디퓨저의 반경	디퓨저 벽 두께	열의 수	셀당 디퓨저 수
명칭 및 단위	Em(cm)	l(cm)	r(cm)	Et(cm)	n	ni
도 1의 패널의 특성	3	3	0.6	0.1	1	1

실험을 통해 얻은 도 2의 그래프는 여러 곡선으로 구성된다. 각 곡선은 음향 패널의 제 1 면 상으로의 음향 파의 소정의 입사각에 대하여 주파수 함수로서의 진동 전달율을 dB로 나타낸다. 입사각은 그래프에 표시된다. 낮은 입사각에 대해 전달율이 낮다는 것을 알 수 있다. 이 곡선에서, 약 250Hz와 750Hz 사이에서 진동 전달율이 낮으므로 층을 통해 전달되는 에너지가 거의 없음을 알 수 있다.

실험으로 얻은 도 3의 곡선은 주파수 함수로서 y 축의 전달 손실을 보여준다. 곡선(18)은 도 1의 패널에서 전달 손실(소스 측과 수신 측의 음향 강도 사이의 비율)을 나타내고, 곡선(20)은 도 1의 패널과 동일한 동일한 재료의 기재로 형성되지만 디퓨저와 기밀 수단이 없는 기준 패널에서 전달 손실을 나타낸다.

피크의 존재는 약 400Hz에서 전달 손실에서 관찰될 수 있으며 이는 300 내지 800Hz에 분포되며 이는 저주파수, 즉 가청 저주파에서 방음을 위해 제안된 구성의 효과를 보여준다.

도 4는 각 셀(12e)이 2 개의 디퓨저를 포함하는 본 고안에 따른 패널(12b)의 제 2 실시예를 나타내며, 여기서 셀들(12e)은 주기적 구조를 형성하기 위해 나란히 위치된다. 각 셀(12e)은 제 1 반경을 갖는 제 1 디퓨저 및 제 1 반경보다 큰 제 2 반경을 갖는 제 2 디퓨저를 포함한다. 제 1 디퓨저(12f1)는 제 1 면(12c)에 더 가깝게 위치되고, 제 2 디퓨저(12f2)는 제 2 면(12d)에 더 가깝게 위치된다. 셀(12e)은 이전에 표시된 간격 α를 제공하는 법칙에 따라 주기적으로 반복된다.

본 고안에 따른 패널의이 제 2 실시예에서, 디퓨저들(12f1, 12f2)은 서로 6cm만큼 측방향으로 이격되고, 폼은 100kPa의 영률을 갖는 멜라민이다. 두 개의 디퓨저가 사용되며 직경이 상이하다. 지지 시트는 영률이 1GPa이고 두께가 1cm인 목재로 이루어진다. 도 4의 방음 패널의 치수 관련 파라미터는 아래 표에 요약되어 있다.

	기재 두께	단위 셀 폭	디퓨저의 반경	디퓨저 벽 두께	열의 수	셀당 디퓨저 수
명칭 및 단위	Em(cm)	l(cm)	r(cm)	Et(cm)	n	ni
도 4의 패널의 특성	3	6	0.6 및 0.7	0.1	2	2

실험을 통해 얻은 도 5의 그래프는 여러 곡선으로 구성된다. 각 곡선은 음향 패널(10a)의 제 1 면(10c) 상으로의 음향 파의 소정의 입사각에 대하여 주파수 함수로서의 진동 전달 손실을 dB로 나타낸다. 입사각은 그래프에 표시된다. 낮은 입사각에 대해 전달율이 낮다는 것을 알 수 있다. 이 곡선에서, 약 400Hz와 1000Hz 사이에서 진동 전달율이 낮으므로 층을 통해 전달되는 에너지가 거의 없음을 알 수 있다.디지털 시뮬레이션으로 얻은 도 6의 곡선은 주파수 함수로 y 축 상에서의 전달 손실을 보여준다. 곡선(22)은 도 4의 패널에서의 전달 손실을 나타내고 곡선(24)은 단지 목재 시트에 대한 전달 손실을 나타낸다.

최대 약 1000Hz까지, 전달 손실이 본 고안에 따른 패널에 대해 약 5dB보다 큰 것을 볼 수 있으며, 이는 저주파수 방음을 위해 제안된 구성의 효과를 입증한다.

위에서 언급한 두 가지 예는 본 고안에 따른 방음 패널의 구성으로 매우 낮은 주파수에서 방음을 상당히 증가시킬 수 있음을 분명히 보여준다.

종래 기술의 구성과는 달리, 단일 열의 디퓨저(10f)로도 우수한 방음성을 가질 수 있다(도 1). 이는 상당히 얇은 층에 걸쳐 동시에 전파되는 여러 파동이 있다는 사실 때문이다. 따라서, 이들이 디퓨저를 만날 확률은 매우 크다. 더 큰 효과를 얻기 위해, 여러 열의 디퓨저(12f1, 12f2)(도 4)를 추가하면, 더 큰 전파 진폭으로 주파수 대역이 확장되는 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 어셈블리의 성능을 더욱 높일 수 있다. 그러나, 분명하게는, 이는 더 큰 두께 또는 무게를 희생시키면서 수행된다는 것이 이해된다.

아래 표는 재료 생산에 사용할 수 있는 값 범위를 요약한 것이다. 아래 표에 표시된 파라미터의 가변성은 기재의 파라미터와 처리될 주파수 범위를 고려하여 최적화 후에만 정확한 형상을 얻을 수 있기 때문이다.

	기재 두께	단위 셀 폭	디퓨저의 반경	디퓨저 벽 두께	열의 수	열당 및 단위 셀당 디퓨저 수
명칭 및 단위	Em(cm)	l(cm)	r(cm)	Et(cm)	n	ni
패널의 특성	0.1 내지 50	0.3*Em 내지 5*Em	0.2*Em 내지 0.8*Em	0.05 내지 1	1 내지 10	1 내지 4

치수 측정 도구는 Comsol® 소프트웨어와 유한 요소 방법을 사용하여 개발되었다. 이를 위해, 기재의 재료는 탄성 고체로 간주되며 등가적 기계적 파라미터가 정보로 입력된다. 단일 셀의 진동 모드는 모든 입사각에 대해 계산되므로 입사각에 관계없이 모드가 존재지 않는 주파수 대역인 정지 대역을 식별할 수 있다. 그런 다음, 원하는 정지 대역을 사용하여, 개별 셀의 기하학적 구조, 특히, 튜브의 주기성을 조정할 수 있다. 탄성체의 종파와 횡파로 구성된 진동이 시트에 전파되지 않는 경우 결과는 만족스럽다. 다음 파라미터를 수정하여 재료가 유효한 주파수 범위를 수정할 수 있다.- 기재 두께

- 개재물의 주기성

- 개재물의 반경

- 기재의 영률

- 기재의 밀도

- 개재물의 형상

- 기밀 필름의 재질 및 두께

- 기밀에 사용된 재료의 소음 감소 계수.

도 7은 본 고안과 함께 사용될 수 있는 다양한 형태의 디퓨저를 도시한다. 제 1 열은 원통형 또는 관형 벽의 형태를 취하는 중공 디퓨저(28)를 나타낸다. 제 2 열은 원통형 벽(32)의 내부면을 연결하는 내부 보강 벽(34)을 갖는 중공 원통형 또는 관형 벽(32)을 포함하는 디퓨저(30)를 나타낸다. 제 3 열은 질량부 스프링 기계 공진기(38)를 내부에 수용하는 중공 구조를 갖는 디퓨저(36), 즉 질량부 스프링 시스템의 공진의 영향 하에서 에너지가 소산되는 기계식 흡수기(질량부 = 흑색의 중앙 질량부 및 스프링 = 내부 강화 벽)를 내부에 수용하는 중공 구조를 갖는 디퓨저(36)를 나타낸다. 공진기 또는 내부 질량부은 브리지(42)를 공진기(38)에 연결함으로써 내부면들이 연결되는 외부 원통형 벽(40)을 포함한다. 원리는 질량부에 부여된 초기 변위가 스프링에 연결된 질량부의 변위에 의해 점진적으로 흡수되는 스프링에 연결된 무게의 원리이다. 정지 대역 이외의 주파수 대역, 즉 질량부 스프링 시스템의 공진 주파수에서의 처리를 가능하게 하는 것이 동적 흡수기 원리이다. 따라서, 작동 원리는 공기의 공진이 캐비티(Helmholtz 공진기)에서 얻어지는 음향 공진기와는 상이하다. 제 4 열은 제 3 열과 유사한 중공 구조를 갖는 디퓨저(44)를 나타낸다.그러나, 이러한 실시예에서, 각각의 내부 질량부(46)은 단일 연결 브리지(50)를 통해 관형 벽(48) 또는 외부 원통형 벽에 연결된다. 따라서, 이러한 유형의 디퓨저(44)는 질량부(46) 및 연결 브릿지(50) 어셈블리의 더 낮은 강성을 갖고, 따라서 각 매스(38)가 몇 개의 연결 브리지(42)에 의해서 외부 원통형 벽에 연결되는 제 3 열의 실시예에 비해 에너지의 더 양호한 소산을 실현한다.

상기 실시예에서, 각각의 연결 브리지는 원통형 벽의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 연장되는 평평한 벽일 수 있다.

마지막으로, 예로서, 도 8은 제 1 실시예의 가능한 변형을 도시한다. 여기서, 각 셀(24)은 거리 a만큼 이격된 2 개의 디퓨저(26a, 26b)를 포함하고, 셀(24)은 이웃 셀로부터 거리 a만큼 이격된다. 본 예에서, 디퓨저(26a, 26b)는 동일하지만, 도 7에 나타낸 바와 같이 상이한 반경, 상이한 위치 또는 심지어 형태를 가질 수도 있다는 점에서 다를 수도 있다.

패널의 정확한 정의, 즉 디퓨저의 위치 및 치수는 유한 요소 시뮬레이션에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 패널이 본 고안에 따른 특징을 갖는다면 양호한 방음을 가질 수 있게 하는 디퓨저의 위치들, 및 치수들의 가능한 많은 조합이 가능하다.

요약하면, 본 문서에 따르면, 기밀 필름은 공기 기밀 장벽을 만들 수 있다. 이는 오버레이어를 생성하고 여러 음향 현상을 조합함으로써 방음을 개선하기 위해(즉, 어느 한 측 상에서의 진동 및 음향 전달을 감소시키기 위해), 디퓨저를 수용하는 층의 제 1 면에 (접착 또는 기타 기계적 고정 수단에 의해) 대진다. 상기 음향 현상들 중 주요 두 가지 현상은 다음과 같다:

- 이중 벽으로 작용하는 필름과 층의 다공성으로 인해 입사 음향 파와 지지 시트 사이의 진동 분리로서, 벽들 중 하나는 시트에 의해 형성되고 다른 하나는 필름에 의해서 형성되며, 필름은 필연적으로 전술한 바와 같이 충분히 낮은 두께를 가짐,

- 탄성 재료 층 내에서 소스로부터의 음파가 진동 파(특히, 횡파 및 전단파)로 변환되고, 이어서 디퓨저의 존재에 의해 중단됨.

Claims (19)

1. 방음 패널(10)로서,
   제 1 면(10c) 및 제 2 면(10d)을 포함하는 층(10a); 및
   상기 제 1 면과 제 2 면 사이에 삽입되는 복수의 디퓨저(diffuser);를 포함하고,
   상기 디퓨저(10f)는, 상기 층에, 상기 제 1 면(10c) 및 제 2 면(10d)에 평행한 방향으로 나란히 배열된 셀들의 주기적 어레이를 형성하도록 배열되며,
   각 셀(10e)은 적어도 하나의 디퓨저(10f)를 포함하고,
   상기 방음 패널은, 상기 방음 패널 외부로부터 상기 층(10a) 내로 공기가 통과하는 것을 방지할 수 있는 기밀 수단(16)을 더 포함하는, 방음 패널.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 디퓨저의 영률은 상기 층의 재료의 영률보다 큰, 방음 패널.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 디퓨저의 영률은 상기 층의 재료의 영률보다 10배 이상 큰, 방음 패널.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 층의 영률은 1 kPa 내지 100 MPa이고, 및/또는 상기 층의 밀도는 5 내지 1000 kg/m³인, 방음 패널.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 층(10a)은, 예를 들어 폴리 우레탄 폼, 형상 기억을 갖는 폼, 및 폴리 에스테르 섬유와 같은, 개방 또는 폐쇄 기공을 갖는 다공성 기재인, 방음 패널.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 다공성 기재는 0.5 내지 0.99, 특히 0.7 내지 0.99의 기공율을 갖는, 방음 패널.
7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 층은, 예를 들어 고무에 기초한 비다공성 기재인, 방음 패널.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 디퓨저(10f)는 직선 실린더 형상을 가지며, 상기 직선 실린더의 모면들은 상기 디퓨저(10f)를 수용하는 상기 층(10a)의 제 1 면(10c) 및 제 2 면(10d)에 실질적으로 평행한, 방음 패널.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   모든 디퓨저들(10f)은 서로 동일한, 방음 패널.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디퓨저(10f)는 중공형이거나, 내부가 차 있거나 또는 내부 보강 벽을 갖는 내부 구조를 갖는, 방음 패널.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 기밀 수단은 상기 층(10a)의 제 1 면(10c)을 덮는 공기 기밀 필름(16)을 포함하는, 방음 패널.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 공기 기밀 필름은 0.05mm 이상의 두께를 갖는, 방음 패널.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 공기 기밀 필름은 0.5mm 미만의 두께를 갖는, 방음 패널.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기밀 수단은 적어도 50,000 N.m^-4.s보다 큰 공기의 통과에 대한 저항률을 갖는, 방음 패널.
15. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀들 사이의 간격 α는

    

    이며, f₀은 목표 주파수 범위의 중심 주파수를 나타내고 V_T는 전단파의 속도를 나타내는, 방음 패널.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층은, 두께가 상기 제 1 면(10c)으로부터 제 2 면(10d)을 향해 배향된 양의 영률 구배를 갖는 적어도 하나의 영역을 포함하는, 방음 패널.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 방음 패널을 포함하는 조립체로서, 제 2 면이 지지 시트의 면 상에 가압되는, 조립체.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 지지 시트는 상기 층의 영률보다 큰 영률을 갖는, 조립체.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 지지 시트는 상기 층의 영률보다 10배 이상 큰 영율을 갖는, 조립체.

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