KR20220023622A - 흡음 장치 - Google Patents

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전원주
최은지
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치는, 평면 상에 복수 개의 흡음 유닛이 서로 인접하게 배열된 흡음 장치로서, 상기 복수 개의 흡음 유닛 각각은, 내부에 공동을 가지고, 외부와 상기 공동을 연통시키는 홀이 관통된 목부가 음파가 입사되는 전방에 구비되며, 상기 공동을 분할하는 적어도 하나의 멤브레인이 포함된 공명기;를 포함한다.

Description

흡음 장치 {SOUND ABSORBING APPARATUS}
본 발명은 흡음 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 헬름홀츠 공명기가 배열된 흡음 장치에 관한 것이다.
흡음은 가전제품에서 각종 기계 및 전력 설비에 이르기까지 소음 완화를 위해 중요한 기술이다.
전통적으로 다공성 재료의 에너지 소산 특성을 이용하는 흡음 방법이 널리 사용되고 있으나, 다공성 재료를 이용하여 파장이 긴 저주파수 소리를 흡수하기 위해서는 두꺼운 재료의 사용이 불가피하다.
최근, 두께가 파장에 비해 매우 얇으면서 소리를 완벽하게 흡수할 수 있는 음향 메타표면을 이용하는 흡음 기술이 활발히 연구되고 있다.
그러나, 기존 연구들은 대부분 하나의 목표 주파수에서의 흡음을 고려한 것으로, 다중 주파수에서 높은 흡음률을 갖고자 한다면 흡음 장치의 부피가 커지는 문제가 있었다.
따라서, 작은 부피를 차지하면서도 두 개 이상의 주파수에서 완벽 흡음을 달성할 수 있는 흡음 장치가 필요한 실정이다.
본 발명의 일 측면은 부피가 작으면서 두 개 이상의 주파수에서 높은 흡음률을 달성하는 흡음 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치는, 평면 상에 복수 개의 흡음 유닛이 서로 인접하게 배열된 흡음 장치로서, 상기 복수 개의 흡음 유닛 각각은, 내부에 공동을 가지고, 외부와 상기 공동을 연통시키는 홀이 관통된 목부가 음파가 입사되는 전방에 구비되며, 상기 공동을 분할하는 적어도 하나의 멤브레인이 포함된 공명기;를 포함한다.
상기 복수 개의 흡음 유닛 각각은, 상기 공명기가 복수로 배열되어 이루어지며, 적어도 일 방향으로 인접한 공명기 간에는 상기 적어도 하나의 멤브레인의 위치가 다를 수 있다.
상기 복수 개의 흡음 유닛 각각은, 4개의 상기 공명기가 격자 형태로 배열되며, 상기 4개의 공명기는 대각 방향으로 상기 적어도 하나의 멤브레인의 위치가 동일할 수 있다.
상기 적어도 하나의 멤브레인은 상기 평면과 나란한 방향으로 배열될 수 있다.
상기 적어도 하나의 멤브레인은 상기 평면과 수직한 방향으로 배열될 수 있다.
상기 공명기는 상기 전방을 향한 전방면을 하나의 밑면으로 하는 기둥 형상을 가질 수 있다.
상기 기둥 형상의 높이는 상기 음파의 파장보다 작을 수 있다.
상기 공명기는 정사각기둥 형상을 가질 수 있다.
상기 복수 개의 흡음 유닛 각각을 구성하는 상기 복수의 공명기는 상기 공동의 부피, 상기 목부의 길이, 상기 홀의 크기가 동일할 수 있다.
특정 주파수에서 상기 서로 인접한 공명기 각각에서 반사되는 파장의 위상이 반대일 수 있다.
상기 공명기는 두께가 다른 두 개의 멤브레인을 포함할 수 있다.
상기 흡음 유닛은 흡음 주파수가 복수 개일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 두 개 이상의 주파수에서 높은 흡음률을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 유닛을 도시한 사시도이다.
도 3 내지 도 5는 도 2의 흡음 유닛을 구성하는 공명기를 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 2의 흡음 유닛을 구성하는 다른 형태의 공명기를 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 공명기로 구성된 흡음 장치의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 2의 흡음 유닛을 구성하는 다른 형태의 공명기를 도시한 도면이다.
도 12는 도 11의 공명기로 구성된 흡음 장치의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 13은 도 2의 흡음 유닛을 구성하는 다른 형태의 공명기를 도시한 도면이다.
도 14는 도 13의 공명기로 구성된 흡음 장치의 성능을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 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 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)는, 평면 상에 복수 개의 흡음 유닛(C)이 서로 인접하게 배열되어 구성될 수 있다. 이 때, 평면은 음파(W)가 입사되는 방향(z축 방향)에 수직한 평면(xy 평면)일 수 있다.
흡음 유닛(C)은 복수의 헬름홀츠 공명기로 구성될 수 있으며, 복수의 헬름홀츠 공명기는 모두 동일한 방향으로 배열될 수 있다. 즉, 복수의 헬름홀츠 공명기의 홀(목)은 모두 음파(W)가 입사되는 방향을 향하여 위치될 수 있다. 본 명세서에서 음파(W)가 입사되는 방향을 '전방'으로 정의하고, 그 반대 방향을 '후방'으로 정의한다. 이하, 흡음 장치(100)를 구성하는 흡음 유닛(C)에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치를 구성하는 흡음 유닛을 도시한 사시도이고, 도 3 내지 도 5는 도 2의 흡음 유닛을 구성하는 공명기를 도시한 도면이다. 여기서, 도 3 및 도 4는 도 2의 흡음 유닛을 구성하는 공명기를 사시도로 도시한 도면이고, 도 5는 도 3 및 도 4의 공명기를 단면도로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 흡음 유닛(C)은 복수의 공명기(110, 120)을 포함한다. 보다 상세히, 흡음 유닛(C)은 복수의 공명기(110, 120)가 인접하게 배열된 형태로 이루어질 수 있다.
흡음 유닛(C)을 구성하는 공명기(110, 120)는 전방면을 하나의 밑면으로 하는 기둥 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 공명기(110, 120)는 정사각기둥 형상을 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다각기둥 형태이거나, 원기둥 형태일 수도 있다. 이 때, 기둥 형상의 높이(H, 도 2 참조)는 음파의 파장보다 작을 수 있다. 이에 따라, 흡음 장치(100)는 얇은 두께를 가질 수 있다.
예를 들어, 흡음 유닛(C)은 격자 형태로 배열된 4개의 공명기로 구성될 수 있다. 이 때, 4개의 공명기는 일 방향으로 인접한 공명기 간 서로 다른 구조를 가질 수 있다. 즉, 4개의 공명기는 두 종류의 공명기(110, 120, 이하 각각 제 1 공명기, 제 2 공명기로 지칭함)로 구성되고, 대각 방향으로 서로 동일한 공명기가 위치될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3 및 도 4를 참조하면, 흡음 유닛(C)을 구성하는 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120)는 헬름홀츠 공명기의 형태를 가질 수 있다. 다만, 내부의 비어있는 공간(이하, 공동(cavity)라 함)에 멤브레인이 삽입된 형태를 가질 수 있다.
다시 말해, 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120) 각각은 서로 동일하게, 내부에 공동(cavity)을 가지고, 외부와 공동을 연통시키는 홀(115, 125)이 관통된 목부(113, 123)가 음파가 입사되는 전방에 구비되며, 공동 내에 적어도 하나의 멤브레인(112, 122)이 포함될 수 있다. 여기서, 멤브레인은 두께가 얇은 막으로, 공동을 분할 또는 구획하도록 배치된다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 멤브레인(112, 122)은 복수의 흡음 유닛(C)이 배열된 평면(도 1에서 xy 평면)에 나란하게 배열될 수 있다. 예를 들어, 멤브레인(112, 122)은 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120)의 후방면에 나란하게 배열될 수 있다.
한편, 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120)는 서로 다른 공명 구조로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120)는 공동의 부피, 목부의 길이(l), 홀의 직경(2r)이 모두 동일하지만, 멤브레인(112, 122)의 위치가 서로 다를 수 있다. 이에 따라, 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)는 각각 공동이 멤브레인(112, 122)에 의하여 분할된 크기(부피)가 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 제 1 공명기(110)의 공동이 분할된 크기와 제 2 공명기(120)의 공동이 분할된 크기가 서로 다를 수 있다(V1≠V1', V2≠V2').
이에 따라, 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)는 서로 다른 공명 구조로 구성될 수 있으며, 이에 따라, 제 1 공명기(110)에서 반사되는 음파와 제 2 공명기(120)에서 반사되는 음파가 서로 반대 위상이 되어, 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)로 구성된 도 2의 흡음 유닛(C)은 완벽 흡음을 구현할 수 있다.
예를 들어, 도 3 내지 도 5를 참조하면, β1과 β2의 크기를 달리함으로써, 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120) 간에 공동이 서로 비균등하게 분할될 수 있다. 이 때, β1과 β2의 크기를 적절히 설계함으로써, 제 1 공명기(110)에서 반사되는 음파와 제 2 공명기(120)에서 반사되는 음파가 서로 반대 위상이 되도록 조절할 수 있다. 이에 따라, 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)로 구성된 흡음 유닛(C)은 완벽 흡음을 구현할 수 있게 되어, 결국 그러한 흡음 유닛(C)으로 이루어진 흡음 장치(100)는 완벽 흡음을 구현할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 6에서는 제 1 공명기(110) 만으로 배열된 흡음 장치를 '110'으로 도시하였고, 제 2 공명기(120) 만으로 배열된 흡음 장치를 '120'으로 도시하였으며, 제 1, 2 공명기가 주기적으로 배열된 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치를 '110+120'으로 도시하였다. 여기서, 제 1, 2 공명기(110, 120)의 구조는 a=24mm, b=35mm, l=4mm, r=2.5mm 이며, 두 개의 주파수에서 완벽 흡음 성능을 나타내도록 β1=0.5, β2=0.6 로 설계하였다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 520Hz와 740Hz에서 소리 에너지를 완벽하게 흡수할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 완벽 흡음 주파수 중 520Hz 기준으로, 흡음 장치(100)의 두께는 입사되는 파장의 1/17배로, 파장 대비 얇은 두께를 가지게 된다. 또한, 공동을 분할하는 멤브레인의 위치를 서로 달리한 제 1, 2 공명기(110, 120)를 주기적으로 배열한 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100: 도 6에서 110+120)는, 멤브레인의 위치가 동일한 공명기 만으로 이루어진 경우(110, 120)보다 높은 흡음 성능이 발휘됨을 확인할 수 있다. 이는 다른 공명 구조를 갖는 제 1, 2 공명기(110, 120) 간의 혼합 공명을 유도함으로써(제 1, 2 공명기(110, 120) 각각에서 반사되는 파장 간의 위상이 반대가 되도록 함으로써) 달성할 수 있다.
도 7에서는 흡음 장치가 멤브레인이 포함되지 아니하나 홀의 직경이서로 다른(r1, r2) 두 종류의 공명기 만으로 이루어진 경우(A)와, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 경우(B, 흡음 장치가 멤브레인의 위치가 서로 다른 두 종류의 공명기로 이루어진 경우)의 흡음 성능을 비교하였다. 도 7을 참조하면, 멤브레인이 포함되지 아니하나 홀의 직경이서로 다른(r1, r2) 두 종류의 공명기 만으로 이루어진 흡음 장치(A)가 하나의 주파수에서만 소음을 흡수하는 것과는 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(B)가 두 개의 주파수에서 모두 높은 흡음 성능이 발휘됨을 확인할 수 있다.
도 8에서는 흡음 장치가 멤브레인의 위치가 서로 동일한 공명기 만으로 이루어진 경우(A)와, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 경우(B, 흡음 장치가 멤브레인의 위치가 서로 다른 두 종류의 공명기로 이루어진 경우)의 흡음 성능을 비교하였다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(B)가 멤브레인의 위치가 서로 동일한 공명기 만으로 이루어진 흡음 장치(A)의 흡음 성능을 크게 상회함을 확인할 수 있다.
도 9는 도 2의 흡음 유닛을 구성하는 다른 형태의 공명기를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 흡음 유닛(C, 도 2 참조)은 전술한 형태와 다른 형태의 두 공명기(130, 140, 이하 제 3 공명기, 제 4 공명기라 지칭함)로 구성될 수 있다. 제 3 공명기(130) 및 제 4 공명기(140)는 각각 두 개의 멤브레인(132-1, 132-2 / 142-1, 142-2)를 포함할 수 있다.
이 때, 제 3 공명기(130)의 두 개의 멤브레인(132-1, 132-2) 위치는 제 4 공명기(140)의 두 개의 멤브레인(142-1, 142-2) 위치와 서로 다를 수 있다. 이에 따라, 도 9를 참조하면, V1≠V1', V2≠V2', V3≠V3'일 수 있다.
또한, 제 3 공명기(130)의 두 개의 멤브레인(132-1, 132-2)의 두께, 및(또는) 제 4 공명기(140)의 두 개의 멤브레인(142-1, 142-2)의 두께는 서로 다를 수 있다.
도 10은 도 9의 공명기로 구성된 흡음 장치의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 10에서는 a=24mm, b=35mm, l=4mm, r=2.5mm, β1-1=β1-2=0.25, β2-1=β2-2=0.3, tm1=tm2=0.28mm 인 제 3, 4 공명기(130, 140)로 이루어진 흡음 장치의 흡음 성능을 도시하였다. 도 10을 참조하면, 506Hz와 768Hz에서 소리 에너지를 완벽하게 흡수할 수 있음을 확인할 수 있고, 완벽 흡음 주파수 중 506Hz 기준으로, 흡음 장치의 두께는 입사 파장의 1/17배로, 파장 대비 얇은 두께를 가질 수 있다.
도 11은 도 2의 흡음 유닛을 구성하는 다른 형태의 공명기를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 흡음 유닛(C, 도 2 참조)은 전술한 형태와 다른 형태의 두 공명기(210, 220, 이하 제 5 공명기, 제 6 공명기로 지칭함)로 구성될 수 있다. 제 5 공명기(210) 및 제 6 공명기(220)의 멤브레인(212, 222)은 흡음 유닛(C)이 배열된 평면과 수직한 방향으로 배열될 수 있다.
이 때, 제 5 공명기(210)의 멤브레인(212)과 제 6 공명기(220)의 멤브레인(222)은 서로 위치가 다를 수 있다. 이에 따라, 제 5 공명기(210) 및 제 6 공명기(220)는 다른 공명 구조를 가질 수 있으며, 제 5 공명기(210)에서 반사되는 파장과 제 6 공명기(220)에서 반사되는 파장이 반대 위상을 가질 수 있다.
도 12는 도 11의 공명기로 구성된 흡음 장치의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 12는 a=25mm, b=25mm, l=2mm, r=2mm, β1=0.3, β2=0.4 인 제 5 공명기(210) 및 제 6 공명기(220)로 이루어진 흡음 장치의 경우를 도시하였으며, 두 개의 주파수에서 높은 흡음 효과를 발휘함을 확인할 수 있다.
도 13은 도 2의 흡음 유닛을 구성하는 다른 형태의 공명기를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 흡음 유닛(C, 도 2 참조)은 전술한 형태와 다른 형태의 두 공명기(230, 240, 이하 제 7 공명기, 제 8 공명기라 지칭함)로 구성될 수 있다. 제 7 공명기(230) 및 제 8 공명기(240)는 각각 두 개의 멤브레인(232-1, 232-2 / 242-1, 242-2)를 포함할 수 있다.
이 때, 제 7 공명기(230)의 두 개의 멤브레인(232-1, 232-2) 위치는 제 8 공명기(240)의 두 개의 멤브레인(242-1, 242-2) 위치와 서로 다를 수 있다. 이에 따라, 도 13을 참조하면, V1≠V1', V2≠V2', V3≠V3'일 수 있다.
또한, 제 7 공명기(230)의 두 개의 멤브레인(232-1, 232-2)의 두께, 및(또는) 제 8 공명기(140)의 두 개의 멤브레인(242-1, 242-2)의 두께는 서로 다를 수 있다.
도 14는 도 13의 공명기로 구성된 흡음 장치의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 14에서는 a=25mm, b=25mm, l=2mm, r=1.68mm, β1=0.3, β2=0.4, tm1=0.3mm, tm2=0.4mm 인 제 7, 8 공명기(230, 240)로 이루어진 흡음 장치의 흡음 성능을 도시하였다. 도 14를 참조하면, 세 개의 주파수, 즉 538Hz에서 소리 에너지의 80%를, 707Hz와 813Hz에서 소리 에너지의 90% 이상을 흡수할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100 흡음 장치
110 제 1 공명기, 120 제 2 공명기
130 제 3 공명기, 140 제 4 공명기
210 제 5 공명기, 220 제 6 공명기
230 제 7 공명기, 240 제 8 공명기
C 흡음 유닛

Claims (12)

  1. 평면 상에 복수 개의 흡음 유닛이 서로 인접하게 배열된 흡음 장치로서,
    상기 복수 개의 흡음 유닛 각각은,
    내부에 공동을 가지고, 외부와 상기 공동을 연통시키는 홀이 관통된 목부가 음파가 입사되는 전방에 구비되며, 상기 공동을 분할하는 적어도 하나의 멤브레인이 포함된 공명기;
    를 포함하는, 흡음 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 흡음 유닛 각각은,
    상기 공명기가 복수로 배열되어 이루어지며, 적어도 일 방향으로 인접한 공명기 간에는 상기 적어도 하나의 멤브레인의 위치가 다른, 흡음 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 흡음 유닛 각각은,
    4개의 상기 공명기가 격자 형태로 배열되며,
    상기 4개의 공명기는 대각 방향으로 상기 적어도 하나의 멤브레인의 위치가 동일한, 흡음 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 멤브레인은 상기 평면과 나란한 방향으로 배열되는, 흡음 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 멤브레인은 상기 평면과 수직한 방향으로 배열되는, 흡음 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 공명기는 상기 전방을 향한 전방면을 하나의 밑면으로 하는 기둥 형상을 갖는, 흡음 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기둥 형상의 높이는 상기 음파의 파장보다 작은, 흡음 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 공명기는 정사각기둥 형상을 갖는, 흡음 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 흡음 유닛 각각을 구성하는 상기 복수의 공명기는 상기 공동의 부피, 상기 목부의 길이, 상기 홀의 크기가 동일한, 흡음 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    특정 주파수에서 상기 서로 인접한 공명기 각각에서 반사되는 파장의 위상이 반대인, 흡음 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 공명기는 두께가 다른 두 개의 멤브레인을 포함하는, 흡음 장치.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 흡음 유닛은 흡음 주파수가 복수 개인, 흡음 장치.
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