KR20220023623A - 진동 감쇠 장치 - Google Patents

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이재연
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치는, 판 구조물의 표면에 부착되는 진동 감쇠 장치로서, 상기 구조물에 인접한 일단에서 타단까지 소정 길이만큼 연장되며, 상기 구조물의 표면과 나란한 축을 중심으로 연장될수록 곡률이 커지면서 나선형으로 휘어진 몸체; 상기 몸체의 일단과 상기 구조물의 표면을 연결하는 로드; 및 상기 몸체의 타단부에 부착된 감쇠 물질;을 포함한다.

Description

진동 감쇠 장치 {APPARATUS FOR DAMPING VIBRATION}
본 발명은 진동 감쇠 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물 표면에 부착되어 진동을 저감하는 진동 감쇠 장치에 관한 것이다.
진동 감쇠 기술은 가전제품, 자동차와 같은 각종 기계 시스템에서 발생하는 진동 및 진동 유발 소음 저감을 위해 중요한 기술이다. 진동 감쇠를 위해 점탄성 소재의 감쇠 물질을 구조물 표면에 부착하는 기법(제진재 처리 기법)이 흔히 사용되고 있다. 제진재 처리 기법은 비교적 저렴한 비용으로 고주파수 대역의 진동을 효과적으로 감쇠할 수 있으나, 저주파수 대역에서의 진동 감쇠 성능이 취약하기 때문에 저주파수 대역의 진동을 큰 폭으로 저감하기 위해서는 많은 양의 제진재를 구조물 표면에 대면적으로 부착해야 하는 단점이 있다. 각종 기계/설비는 진동 감쇠 장치 설치 공간 및 시스템 전체 무게 제약으로 인해 기존의 기술로는 충분한 구조 진동 감쇠가 어렵기 때문에, 많은 산업 분야 (자동차, 가전, 중공업, 발전 및 전력 등)에서는 보다 가볍고 작은 설치 공간을 차지 하면서도 감쇠 성능이 우수한 진동 감쇠 장치에 대한 수요가 높다.
본 발명의 일 측면은 가볍고 작은 설치 공간을 차지 하면서도 감쇠 성능이 우수한 진동 감쇠 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치는, 판 구조물의 표면에 부착되는 진동 감쇠 장치로서, 상기 구조물에 인접한 일단에서 타단까지 소정 길이만큼 연장되며, 상기 구조물의 표면과 나란한 축을 중심으로 연장될수록 곡률이 커지면서 나선형으로 휘어진 몸체; 상기 몸체의 일단과 상기 구조물의 표면을 연결하는 로드; 및 상기 몸체의 타단부에 형성된 감쇠 물질;을 포함한다.
다각형 판 구조물의 꼭지점에 인접하게 부착될 수 있다.
상기 몸체의 일단이 상기 구조물의 꼭지점을 향할 수 있다.
상기 몸체는 너비가 일정할 수 있다.
상기 몸체는 상기 일단에서 상기 타단으로 연장될수록 두께가 감소할 수 있다.
상기 몸체는 상기 일단에서 상기 타단으로 연장될수록 멱함수의 관계로 두께가 감소할 수 있다.
상기 진동 감쇠 장치는 복수 개로 이루어지고, 상기 복수 개의 진동 감쇠 장치는 상기 다각형의 꼭지점 각각에 인접하게 부착될 수 있다.
상기 복수 개의 진동 감쇠 장치 각각의 상기 몸체의 일단이 인접한 꼭지점을 향할 수 있다.
상기 나선형은 아르키메데스 나선으로 이루어질 수 있다.
사각형 판 구조물의 표면에 부착될 수 있다.
상기 몸체는 판 형태를 가질 수 있다.
상기 로드는 상기 몸체와 너비가 동일할 수 있다.
상기 로드는 상기 몸체의 일단보다 두꺼울 수 있다.
상기 로드는 상기 구조물과 나란한 형태를 갖고, 상기 몸체는 상기 로드의 일단에서 연장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무게가 가볍고 설치 공간을 적게 차지하면서도 우수한 진동 감쇠 성능을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치가 구조물에 부착된 모습을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치가 구조물에 부착된 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 부착 방향에 따른 진동 감쇠 효과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 다양한 부착 위치를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시한 부착 위치에 따른 진동 감쇠 효과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치가 복수 개 부착된 다양한 경우를 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 경우에 따른 진동 감쇠 효과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 개수에 따른 진동 감쇠 효과를 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 진동 감쇠 장치가 구조물에 부착된 모습을 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)는 판 형태의 구조물(S)의 표면에 부착되어 구조물(S)의 진동을 감쇠하는 장치이다. 구조물(S)은 다각형 모양을 가진 판 형태일 수 있다. 예를 들어, 구조물(S)은 사각형 모양의 판 구조물일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)는 다각형 구조물의 꼭지점에 인접한 위치에 부착될 수 있다.
구조물(S)에 비해 작고 가벼운 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)를 구조물(S)의 표면에 부착함으로써, 구조물(S)의 진동을 감쇠할 수 있다. 이는 구조물(S)이 가진될 경우, 구조물(S)의 표면 위 진동 에너지가 진동 감쇠 장치(100)로 전달되어 소산되기 때문이다. 이하, 진동 감쇠 장치(100)의 구성과 구조물(S) 표면에서의 부착 위치 및 부착 방향을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 정면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)는 몸체(110), 로드(150), 및 감쇠 물질(120)을 포함한다.
몸체(110)는 구조물(S)에 인접한 일단(111)에서 타단(112)까지 소정 길이만큼 연장된 형태를 가진다. 이 때, 몸체(110)는 일정한 너비를 갖는 판 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 몸체(110)는 일단(111)에서 타단(112)까지 연장될수록 두께가 감소하는 형태를 가질 수 있다. 이 때, 멱함수의 관계로 두께가 감소할 수 있다. 예를 들어, 일단(111)에서 타단(112)까지 연장될수록 하기의 수식에 따라 두께가 감소할 수 있다.
h(x) = h0 + εxm (m≥2)
상기 수식에서, h(x)는 몸체의 두께, m은 양의 실수, ε는 양의 실수, x는 상기 몸체의 타단에서부터의 거리, h0는 몸체의 타단에서의 두께를 나타낸다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)는 작은 무게를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 몸체(110)는 일단(111)에서 타단(112)까지 연장될수록 곡률이 커지면서 구조물(S)의 표면과 나란한 축을 중심으로 나선형으로 휘어진 형태를 가질 수 있다. 즉, 축에 수직한 평면으로 절단한 몸체(110)의 단면은 나선 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)는 작은 부피를 가질 수 있다.
예를 들어, 몸체(110)의 단면은 아르키메데스 나선(Archimedean spiral)으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 일정한 공간에서 몸체(110)의 길이를 최대한으로 연장할 수 있으므로, 공간 효율성을 극대화시킬 수 있다. 여기서, 아르키메데스 나선이란, 중심으로부터 반경 방향의 거리가 회전각에 비례하여 커지는 나선으로, 중심에서 반경 방향으로 직선을 그릴 때, 직선과 나선과의 교차점 간의 거리가 일정한 나선을 의미한다. 이에 대해서는 널리 알려진 내용이므로 상세한 설명은 생략한다.
전술한 몸체(110)는 로드(150)를 통해 구조물(S)의 표면에 부착된다. 즉, 로드(150)는 몸체(110)의 일단(111)과 구조물(S)의 표면을 연결하는 부분이다. 예를 들어, 로드(150)의 바닥 부분이 구조물(S)이 표면에 부착될 수 있다.
로드(150)는 구조물(S)과 나란한 판 형태를 가질 수 있다. 이 때, 전술한 몸체(110)는 로드(150)의 일단에서 연장될 수 있다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 로드(150)는 몸체(110)의 너비와 동일한 너비를 가질 수 있으며, 몸체(110)의 일단보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
전술한 몸체(110)의 끝단, 다시 말해 몸체(110)가 로드(150)와 연결된 일단(111)의 반대 방향인 타단(112) 부위에는 감쇠 물질(120)이 형성될 수 있다.
감쇠 물질(120)는 로드(150)를 통해 몸체(110)의 끝부분으로 전달된 구조물(S)의 진동 에너지를 소산시키는 부분이다.
감쇠 물질(120)은 진동을 소산시킬 수 있도록 점탄성을 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 수지, 에폭시, 고무 등의 다양한 재질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
감쇠 물질(120)은 몸체(110)의 타단부의 일면, 예를 들어, 상면 또는 하면에 구비될 수 있고, 부착, 접착, 코팅 등 다양한 방식을 통해 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)가 구조물(S)의 표면에 부착되는 위치와 방향을 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치가 구조물에 부착된 위치를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 부착 방향에 따른 진동 감쇠 효과를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 사각형 판 형태의 구조물 표면의 제 1 지점(P1)에 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)를 부착하고, 진동 감쇠 장치(100)와 대각 방향의 지점(PF)을 가진하였다. 구조물의 한 모서리와 나란하고 제 1 지점(P1)을 통과하는 가상의 선을 R1이라 하고, 구조물의 다른 모서리와 나란하고 가진 지점(PF)을 통과하는 가상의 선을 L1이라 하였다. 이 때, R1과 나란하면서 가진 지점(PF)을 통과하는 가상의 선을 R2라 하고, L1과 나란하면서 제 1 지점(P1)을 통과하는 가상의 선을 L2라 하였다. 이 때, R1과 L1이 만나는 교점을 제 2 지점(P2)이라 하고, R2와 L2가 만나는 교점을 제 3 지점(P3)이라 하였다.
여기서, L2를 기준으로 진동 감쇠 장치(100)가 향하는 방향, 보다 상세히는 몸체(110, 도 2 및 도 3 참조)의 일단, 다시 말해 몸체(110)가 로드(150)를 향하는 방향을 진동 감쇠 장치(100)의 부착 각도(θ)라 하면, 부착 각도(θ)에 따라 진동 감쇠 성능이 달라질 수 있다.
도 5는 부착 각도(θ)를 0°~ 315°까지 45°간격으로 변화시켜가면서 피크 감소량을 조사한 후 각 공진 주파수에서 감소량이 큰 세 개의 경우를 순차적으로 정리하였다. 도 5는 도 4에서, M=0.7m, N=0.6m, m=0.175m, n=0.15m 인 경우로 실험하였다.
도 5를 참조하면, 진동 감쇠 장치(100)가 구조물의 꼭지점을 향하는 방향, 즉 부착 각도(θ)가 315°일 때 모든 공진 주파수에서 진동 감쇠 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.
도 6은 부착 각도(θ)가 315°일 때, 가진한 힘 대비 구조물 표면의 면평균(surface-averaged) 속도인 면평균 모빌리티(surface-averaged mobility)를 나타내었는데, 면평균 모빌리티는 진동 에너지와 정비례하는 관계에 있다.
도 6에서 구조물 표면에 아무런 설치가 조치를 하지 않은 경우(A), 구조물 표면에 제진재를 처리한 경우(B), 및 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)를 사각형 구조물 표면에 부착 각도(θ)가 315°로 부착한 경우(C)의 진동 감쇠 성능을 나타내었다. 제진재 처리 대비 무게가 87% 적은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)는 면평균 모빌리티는 14~21 dB 저감되었음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 다양한 부착 위치를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7에 도시한 부착 위치에 따른 진동 감쇠 효과를 나타낸 도면이다.
도 7에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)를 제 2 지점(P2, 도 4 참조)에 부착 각도(θ)가 45°로 부착한 경우(a)와, 제 3 지점(P3, 도 4 참조)에 부착 각도(θ)가 225°로 부착한 경우(b)를 도시하였다.
도 8에서 (a)의 경우를 좌측, (b)의 경우를 우측에 나타내었다. 도 8을 참조하면, 진동 감쇠 장치(100) 부착 위치와 인접한 꼭지점을 향하는 방향으로 위치해 있을 때, 모든 공진 주파수에서 전반적인 피크 감소량이 큼을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치가 복수 개 부착된 다양한 경우를 도시한 도면이고, 도 10은 도 9의 경우에 따른 진동 감쇠 효과를 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 개수에 따른 진동 감쇠 효과를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)는 복수 개로 이루어질 수 있다. 이 때, 복수 개의 진동 감쇠 장치(100)는 구조물의 꼭지점 각각에 인접하게 부착될 수 있다. 또한, 복수 개의 진동 감쇠 장치(100) 각각의 몸체(110)의 일단이 인접한 꼭지점을 향할 수 있다.
도 9에서 (a)는 두 개의 진동 감쇠 장치(100)의 부착 각도(θ)가 각각 315°, 45°이고, (b)는 두 개의 진동 감쇠 장치(100)의 부착 각도(θ)가 각각 315°, 225°이고, (c)는 두 개의 진동 감쇠 장치(100)의 부착 각도(θ)가 각각 45°, 225°이고, (d)는 세 개의 진동 감쇠 장치(100)의 부착 각도(θ)가 각각 315°, 45°, 225°인 경우를 도시하였다.
도 10에서 A는 구조물에 제진재를 처리한 경우이고, B는 제 1 지점(P1, 도 4 참조)에 부착 각도(θ)가 315°인 경우이고, C-1는 도 9의 (a), C-2는 도 9의 (b), C-3는 도 9의 (c), D는 도 9의 (d)인 경우를 도시하였다. 즉, 모든 경우에 진동 감쇠 장치(100)는 구조물의 꼭지점을 향하도록 부착하였다.
도 10을 참조하면, 진동 감쇠 장치(100)를 2개 부착할 경우, 1개 부착 경우 대비 무게는 2배 증가하지만 피크 감소량은 약 5dB 가량씩 증가하여 구조물의 진동 에너지를 99%이상 저감할 수 있다. 3개 부착의 경우에는 2개 부착 대비 3~4 dB 이상 추가적으로 피크 값을 감소시킬 수 있고, 구조물의 진동 에너지를 99.5~99.9% 가량 열로 소산 시킨다.
도 11에서는 구조물에 아무것도 부착하지 않은 경우(A), 진동 감쇠 장치(100)를 1개 부착한 경우(B), 진동 감쇠 장치(100)를 2개 부착한 경우(C), 진동 감쇠 장치(100)를 3개 부착한 경우(D)의 면평균 모빌리티를 나타내었다. 모든 경우에 진동 감쇠 장치(100)는 구조물의 꼭지점을 향하도록 부착하였다. 도 11을 참조하면, 진동 감쇠 장치(100)의 부착 개수가 증가할수록 면평균 모빌리티 피크값이 감소함을(진동에너지 저감 성능이 증가함을) 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치(100)는, 무게가 가볍고 설치 공간을 적게 차지하면서도 우수한 진동 감쇠 성능을 발휘할 수 있다. 또한, 진동 감쇠 장치(100)가 구조물의 꼭지점을 향하여 부착되어야 가장 우수한 진동 감쇠 성능을 발휘할 수 있다. 또한, 진동 감쇠 장치(100)의 부착 개수가 많을수록 진동 감쇠 성능 향상에 도움이 되기 때문에, 복수의 진동 감쇠 장치(100)를 각각 구조물의 인접한 꼭지점을 향하여 부착함으로써, 진동 감쇠 성능을 더 향상시킬 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 진동 감쇠 장치
110 몸체
120 감쇠 물질
150 로드
S 구조물

Claims (14)

  1. 판 구조물의 표면에 부착되는 진동 감쇠 장치로서,
    상기 구조물에 인접한 일단에서 타단까지 소정 길이만큼 연장되며, 상기 구조물의 표면과 나란한 축을 중심으로 연장될수록 곡률이 커지면서 나선형으로 휘어진 몸체;
    상기 몸체의 일단과 상기 구조물의 표면을 연결하는 로드; 및
    상기 몸체의 타단부에 형성된 감쇠 물질;
    을 포함하는, 진동 감쇠 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다각형 판 구조물의 꼭지점에 인접하게 부착되는, 진동 감쇠 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 몸체의 일단이 상기 구조물의 꼭지점을 향하는, 진동 감쇠 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체는 너비가 일정한, 진동 감쇠 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체는 상기 일단에서 상기 타단으로 연장될수록 두께가 감소하는, 진동 감쇠 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 몸체는 상기 일단에서 상기 타단으로 연장될수록 멱함수의 관계로 두께가 감소하는, 진동 감쇠 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 진동 감쇠 장치는 복수 개로 이루어지고,
    상기 복수 개의 진동 감쇠 장치는 상기 다각형의 꼭지점 각각에 인접하게 부착되는, 진동 감쇠 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수 개의 진동 감쇠 장치 각각의 상기 몸체의 일단이 인접한 꼭지점을 향하는, 진동 감쇠 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 나선형은 아르키메데스 나선으로 이루어지는, 진동 감쇠 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    사각형 판 구조물의 표면에 부착되는, 진동 감쇠 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체는 판 형태를 갖는, 진동 감쇠 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 로드는 상기 몸체와 너비가 동일한, 진동 감쇠 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 로드는 상기 몸체의 일단보다 두꺼운, 진동 감쇠 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 로드는 상기 구조물과 나란한 형태를 갖고,
    상기 몸체는 상기 로드의 일단에서 연장되는, 진동 감쇠 장치.
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