KR20230127634A - 음파 유도 패널을 이용한 흡음 장치 및 이를 위한 음파 유도 패널 - Google Patents

음파 유도 패널을 이용한 흡음 장치 및 이를 위한 음파 유도 패널 Download PDF

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Abstract

음원으로부터 다양한 각도로 진행하는 음파의 진행 방향을 유도하여 흡음하는 장치 및 이를 위한 음파 유도 패널이 제공된다. 상기 음파 유도 패널은 규칙적으로 배열된 복수의 홈 패턴을 갖는 음파 유도 패널로서, 상기 복수의 홈 중 적어도 일부는 서로 상이한 깊이를 가지고, 상기 음파 유도 패널은 평면상 적어도 2개의 영역으로 구획된다.

Description

음파 유도 패널을 이용한 흡음 장치 및 이를 위한 음파 유도 패널{ACOUSTIC ABSORPTION DEVICE USING ACOUSTIC WAVE GUIDE PANEL AND ACOUSTIC WAVE GUIDE PANEL THEREFOR}
본 발명은 흡음 장치 및 음파 유도 패널에 관한 것이다. 상세하게는 음원으로부터 다양한 각도로 진행하는 음파의 진행 방향을 유도하여 흡음하는 장치 및 이를 위한 음파 유도 패널에 관한 것이다.
공연장, 강당, 방송실 등 발생하는 소리의 크기와 빈도가 크고 원활한 음의 청취가 요구되는 시설에서 내부의 소리가 외부로 퍼져 나가는 것을 줄이고 벽면에서의 음파 반사로 인해 소리가 왜곡되는 것을 방지하기 위해 벽면에서의 흡음을 위한 구조를 적극적으로 적용하고 있다.
상기 흡음 구조로서 일반적으로는 소리를 흡수하여 음파를 반사하지 않으면서 진동을 줄일 수 있는 흡음 패널을 채용하고 있으며, 관련하여 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다. 그러나 이와 같은 흡음 패널은 벽재 내부에 설치되는 것으로, 음원의 위치에 따른 음파의 방향성을 고려하지 않고 설치되기 때문에 충분한 효율을 나타내지 못하는 문제가 있다. 또한 흡음 패널의 소리 흡수는 패널 두께와 비례하기 때문에 높은 흡음 효율을 위해서는 흡음 패널의 두께가 증가하는 한계가 있다.
즉, 음향 장치 등 음원으로부터 발생한 음파는 무지향성(omni directional)을 가지고 구 방향으로 대략 고르게 퍼져 나간다. 이 때 음원의 위치에 따라 벽의 어느 위치에 도달하는 음파의 지향각은 상이할 수 있다. 예를 들어, 벽의 어느 위치에는 음파가 법선 방향에서 약 30도의 각도로 도달하고, 벽의 다른 어느 위치에는 음파가 법선 방향에서 약 60도의 각도로 도달할 수 있다. 특히 음원이 복수개인 경우 벽면에서의 음파의 반사 및 간섭 현상 등으로 음이 왜곡되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
종래 기술에 따른 흡음 구조는 위와 같이 벽의 위치 별로 음파의 지향각이 상이하기 때문에 발생하는 문제, 즉 충분히 흡음 특성을 나타내지 못하는 문제를 가지며, 흡음 효율이 높지 않기 때문에 음파의 반사 및 간섭 현상을 해소하지 못하고 있는 실정이다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하나 이상의 음원으로부터 다양한 각도로 진행하는 음파의 진행 방향을 유도하여 흡음하는 음파 유도 패널을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 위의 음파 유도 패널을 이용한 흡음 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 복수의 음파 유도 패널을 이용한 흡음 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 음파 유도 패널은, 규칙적으로 배열된 복수의 홈 패턴을 갖는 음파 유도 패널로서, 상기 복수의 홈 중 적어도 일부는 서로 상이한 깊이를 가지고, 상기 음파 유도 패널은 평면상 적어도 2개의 영역으로 구획되고, 어느 제1 영역 내의 제1 홈 패턴의 깊이(d1)는 하기 수식 1을 만족하고, 어느 제2 영역 내의 제2 홈 패턴의 깊이(d2)는 하기 수식 2를 만족한다.
<수식 1>
<수식 2>
여기서, A1, A2, A3, A4, A5, A6, B, M, λ, n은 각각 소정의 값을 갖는 양수이고, θ1과 θ2는 서로 독립적으로 0° 이상 90° 이하의 값으로, θ1과 θ2는 서로 상이한 값이고, R은 어느 홈 패턴과 임의의 포인트까지의 거리이고, 및 는 각각 제1 홈 패턴과 제2 홈 패턴의 위치에 관한 함수이다.
상기 각 복수의 영역은 상기 포인트로부터 방사 방향으로 연장된 구획선들에 의해 구획될 수 있다.
또, 상기 포인트는 어느 구획선 상에 위치할 수 있다.
어느 구획선들에 의해 구획된 제1 영역은 제1 중심각을 가지고, 제2 영역은 제2 중심각을 가지며, 은, 제1 영역 내에서 제1 중심각을 이등분하도록 연장되는 제1 기준선을 y축으로 하고, 제1 기준선에 수직한 선을 x축으로 하며, 상기 포인트를 원점으로 할 때, y 좌표값에 관한 함수일 수 있다.
는 제2 영역 내에서 제2 중심각을 이등분하도록 연장되는 제2 기준선을 y축으로 하고, 제2 기준선에 수직한 선을 x축으로 하며, 상기 포인트를 원점으로 할 때, y 좌표값에 관한 함수일 수 있다.
어느 구획선들에 의해 구획된 제1 영역은 제1 중심각을 가지고, 제2 영역은 제2 중심각을 가지며, 제1 홈 패턴들의 깊이는, 제1 영역 내에서 제1 중심각을 이등분하도록 연장되어 상기 포인트를 지나는 제1 기준선에 대해, 제1 기준선의 수직 방향으로 서로 대칭적일 수 있다.
또, 제2 홈 패턴들의 깊이는, 제2 영역 내에서 제2 중심각을 이등분하도록 연장되어 상기 포인트를 지나는 제2 기준선에 대해, 제2 기준선의 수직 방향으로 서로 대칭적일 수 있다.
제1 영역 내에서 어느 방사 방향을 따라, 제1 홈 패턴들의 깊이는 증감을 반복하고, 제2 영역 내에서 어느 방사 방향을 따라, 제2 홈 패턴들의 깊이는 증감을 반복할 수 있다.
제1 영역 내의 어느 방사 방향을 따른 제1 홈 패턴의 깊이 증감에 있어서, 상기 포인트로부터 멀어지는 방향으로 갈수록 증감 주기가 길어지고, 제2 영역 내의 어느 방사 방향을 따른 제2 홈 패턴의 깊이 증감에 있어서, 상기 포인트로부터 멀어지는 방향으로 갈수록 증감 주기가 길어질 수 있다.
상기 포인트로부터 방사 방향으로 연장된 어느 구획선들에 의해 구획된 제1 영역과 제2 영역은 서로 동일한 중심각을 가지고, 제1 영역 내에서의 표면 어드미턴스 등고선과, 제2 영역 내에서의 표면 어드미턴스 등고선은 적어도 부분적으로 서로 연결되지 않을 수 있다.
상기 제1 영역을 이등분하도록 연장되어 포인트를 지나는 제1 기준선 상의 임의의 제1 지점으로서, 포인트와 제1 거리 만큼 이격된 제1 지점이 정의되고, 상기 제2 영역을 이등분하도록 연장되어 포인트를 지나는 제2 기준선 상의 임의의 제2 지점으로서, 포인트와 상기 제1 거리 만큼 이격된 제2 지점이 정의될 수 있다.
이 때 상기 제1 지점과 제2 지점의 깊이는 상이할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 음파 유도 패널은, 복수의 홈 패턴을 갖는 음파 유도 패널로서, 상기 복수의 홈 중 적어도 일부는 서로 상이한 깊이를 가지고, 상기 음파 유도 패널은 평면상 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 복수의 영역으로 구획되고, 제1 영역 내의 홈 패턴은 제1 홈 패턴으로 지칭되고, 제2 영역 내의 홈 패턴은 제2 홈 패턴으로 지칭되고, 어느 위치에서의 상기 홈 패턴의 깊이(d)는 하기 수식 3에 따라 정의되되, 제1 홈 패턴의 θ와 제2 홈 패턴의 θ는 상이하다.
<수식 3>
여기서, A1, A2, A3, A4, A5, A6, B, M, λ, n은 각각 소정의 값을 갖는 양수이고, R은 어느 홈 패턴과 임의의 포인트까지의 거리이고, 상기 포인트를 지나며 각 영역을 이등분하는 방향으로 연장된 선을 y축으로 하고 직교하는 선을 x축으로 할 때, y는 상기 어느 홈 패턴의 y 좌표값이다.
상기 어느 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치는 일면에 형성된 복수의 홈 패턴을 갖는 음파 유도 패널로서, 전술한 실시예의 음파 유도 패널; 및 음파 유도 패널의 타면 상에 배치되고, 음파 유도 패널의 포인트 상에 배치된 포스트를 포함한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 어느 음원으로부터 퍼져 나가는 음파가 벽면의 서로 상이한 위치에 서로 상이한 지향각으로 입사되는 경우에 음파를 효율적으로 수집하고 특정 위치로 유도함으로써 흡음 효율을 향상시킬 수 있다.
또, 음원의 위치를 고려하여 적절한 위치에 음파의 수집이 용이하게 설계된 음파 유도 패널을 필요에 따라 설치할 수 있다. 또한 음원이 복수인 경우 이들의 위치를 고려하여 복수의 음파 유도 패널 및/또는 흡음 장치를 설치함으로써 벽면에서의 음파의 반사 및/또는 간섭을 최소화할 수 있고, 원활한 음의 청취를 도울 수 있다.
뿐만 아니라 흡음의 원리에 있어서도, 음파를 특정 위치로 집속시켜 흡음하기 때문에 패널의 두께를 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 유도 패널의 사시도이다.
도 2는 도 1의 홈 패턴의 배열을 나타낸 레이아웃이다.
도 3은 음파 유도 패널의 구획된 영역들의 형상 및 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 음파 유도 패널의 단면사시도이다.
도 5 및 도 6은 각각 도 4의 음파 유도 패널의 단면을 나타낸 단면도들이다.
도 7 내지 도 9는 각각 도 3의 음파 유도 패널의 영역 별 표면 어드미턴스 등고선을 나타낸 도면들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 흡음 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 12는 제조예에서 준비된 음파 유도 패널 모듈의 이미지이다.
도 13은 제조예에서 사용한 음파 유도 패널 하나의 어드미턴스 등고선 및 그 이미지를 나타낸 것이다.
도 14는 실험예에서 모사한 공간의 모식도이다.
도 15 및 도 16은 각각 실험예의 결과를 나타낸 이미지들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 즉, 본 발명이 제시하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 도시된 구성요소의 크기, 두께, 폭, 길이 등은 설명의 편의 및 명확성을 위해 과장 또는 축소될 수 있으므로 본 발명이 도시된 형태로 제한되는 것은 아니다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 '위(above)', '상부(upper)', ‘상(on)’, '아래(below)', '아래(beneath)', '하부(lower)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 '아래(below 또는 beneath)'로 기술된 소자는 다른 소자의 '위(above)'에 놓일 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 '아래'는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서, '및/또는'은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. '내지'를 사용하여 나타낸 수치 범위는 그 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한과 상한으로서 포함하는 수치 범위를 나타낸다. '약' 또는 '대략'은 그 뒤에 기재된 값 또는 수치 범위의 20% 이내의 값 또는 수치 범위를 의미한다.
본 명세서에서, 구성요소를 지칭함에 있어 '제1 구성요소', '제2 구성요소', '제1-1 구성요소' 등과 같이 서수적 수식어는 어느 구성요소와 다른 구성요소를 구별하기 위해 사용되는 것일 뿐이다. 따라서 이하에서 지칭되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 제2 구성요소로 바꾸어 지칭될 수도 있다. 예를 들어, 어느 실시예에서 제1 구성요소로 지칭되는 것은 다른 실시예에서 제2 구성요소로 지칭될 수 있다. 또, 발명의 설명에서 제1 구성요소로 지칭되는 것은 청구항에서 제2 구성요소로 지칭될 수 있음은 물론이다.
본 명세서에서, 제1 방향(X)은 임의의 일 방향을 의미하고, 제2 방향(Y)은 평면 내에서 제1 방향(X)과 교차하거나, 수직한 다른 방향을 의미한다. 또, 제3 방향(Z)은 상기 평면과 교차하거나, 수직한 또 다른 방향을 의미한다.
다르게 정의되지 않는 한, '어느 평면 시점'은 상기 어느 평면에 대해 수직한 방향과 평행한 방향으로 바라본 시점을 의미한다. 또, 다르게 정의되지 않는 한, '일 방향으로 중첩'은 상기 일 방향과 평행한 방향으로 바라본 시점에서 복수의 구성요소가 겹쳐 배치된 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 '부채꼴(circular sector)'은 원의 두 반지름과 그 사이 호로 둘러싸인 도형을 의미한다. 부채꼴은 중심각이 180° 보다 작은 경우 뿐 아니라 중심각이 180°인 경우(즉, 반원), 또는 중심각이 180° 보다 크고 360° 보다 작은 경우를 포함하는 의미로 사용된다. 다만, 중심각이 360°인 원은 부채꼴로 지칭되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 '일 방향으로 대칭'은 상기 일 방향에 수직한 선을 기준으로, 기준선의 일 방향 일측의 구조와 일 방향 타측의 구조가 실질적으로 대칭적으로 동일함을 의미한다. 예컨대, 가로 방향으로 대칭, 또는 수평 방향으로 대칭은 좌우 대칭을 의미하고 세로 방향으로 대칭, 또는 수직 방향으로 대칭은 상하 대칭을 의미할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 유도 패널의 사시도이다. 도 2는 도 1의 홈 패턴의 배열을 나타낸 레이아웃이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 음파 유도 패널(11)은 일면(또는 상면) 상에 형성된 복수의 홈 패턴(100)들을 갖는다. 음파 유도 패널(11)은 음파 유도 패널(11)의 일면 방향 측에 위치한 어느 음원(미도시)으로부터 발생하여 음파 유도 패널(11) 측을 향하는 음파를 수집하여 음파 유도 패널(11)의 표면을 따라 흐르는 표면파(surface wave)로 변조할 수 있다. 이에 대해서는 상세하게 후술한다.
도 1 등은 음파 유도 패널(11)이 평면상 대략 원 형상인 경우를 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 음파 유도 패널(11)은 대략 타원 형상이거나, 편심 타원 형상이거나, 또는 사각형 등의 다각형 형상을 가질 수도 있다. 도면으로 표현하지 않았으나, 음파 유도 패널(11)의 타면(또는 하면)은 대략 평탄한(flat) 상태일 수 있다.
음파 유도 패널(11)에 형성된 복수의 홈 패턴(100)은 음파 유도 패널(11)의 상면에서 하면 방향으로 오목하게 함몰되어 기저면이 형성된 오목 패턴일 수 있다. 홈 패턴(100)은 음파 유도 패널(11)을 제3 방향(Z)으로 관통하지 않을 수 있다. 후술할 바와 같이 각 홈 패턴(100)들은 서로 동일하거나 상이한 깊이를 가지며, 서로 상이한 깊이를 갖는 홈 패턴(100)이 특유하게 배열되어 음파 유도 패널(11)의 표면 어드미턴스 분포를 형성할 수 있다. 여기서 홈 패턴(100)의 깊이는 음파 유도 패널(11)의 실질적인 일면의 위치로부터 홈 패턴(100)의 기저면까지의 제3 방향(Z) 수직 최단거리를 의미한다.
복수의 홈 패턴(100)은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)이 속하는 평면 상에서 대략 규칙적인 배열을 가질 수 있다. 예를 들어, 홈 패턴(100)들은 제1 방향(X)을 따라 반복 배열되고, 동시에 제1 방향(X)과 제2 방향(Y)이 교차하는 대각 방향을 따라 반복 배열될 수 있다. 이 때 상기 대각 방향은 제1 방향(X)과 대략 60° 각도로 연장된 방향일 수 있다. 즉, 복수의 홈 패턴(100)은 규칙적으로 배열되되, 홈 패턴(100)의 반복 단위는 실질적으로 정육각형을 형성할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 어느 임의의 홈 패턴(100)을 중심으로, 상기 홈 패턴(100)의 중심과 일치하는 중심을 갖는 정육각형의 각 꼭지점과 상응하는 위치에서 중심을 갖는 6개의 홈 패턴(100)이 배열되어 총 7개의 홈 패턴(100)이 반복 단위를 형성할 수 있다. 이에 따라 서로 최인접한 3개의 홈 패턴(100)의 중심을 연결하면 실질적으로 정삼각형이 됨은 자명하다.
도 1 등은 음파 유도 패널(11)이 도면 표현 상의 명료성을 위해 도면으로 표현 가능하도록 소정의 개수를 갖는 경우를 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 음파 유도 패널(11)은 대략 수백개, 또는 대략 수천개, 또는 대략 수만개, 또는 대략 수십만개, 또는 대략 수백만개의 홈 패턴(100)을 가질 수 있다.
평면 시점에서, 어느 홈 패턴(100)은 대략 원 형상일 수 있다. 홈 패턴(100)은 평면상 반복 단위를 이루어 전술한 바와 같이 규칙적인 정육각 배열을 이루기에 용이한 형상이면 무방하며, 다른 실시예에서 홈 패턴(100)은 평면상 사각형, 또는 육각형 등의 다각형 형상이거나, 또는 타원 형상일 수도 있다.
평면 시점에서, 각각의 홈 패턴(100)들은 특정한 최대폭(W), 이격 거리(D), 배열 피치(PT) 및 깊이 등을 갖도록 설계되어 음파 유도 패널(11) 표면에 어드미턴스를 부여하고 음파를 수집할 수 있다.
홈 패턴(100)의 최대폭(W)은 제어하고자 하는 음파의 파장(λ)의 약 15% 이하, 또는 약 14% 이하, 또는 약 13% 이하, 또는 약 12% 이하, 또는 약 11% 이하, 또는 약 10% 이하일 수 있다. 홈 패턴(100)의 최대폭(W)과 제어하고자 하는 음파의 파장(λ)이 상기 관계에 있는 것이 이득(gain) 측면에서 유리할 수 있다.
반면, 홈 패턴(100)의 최대폭(W)이 제어하고자 하는 파장(λ)의 약 30%를 초과할 경우 파동 변조 구조, 예컨대 메타 구조로 기능하지 못할 수 있다. 일례로서 홈 패턴(100)의 평면상 형상이 원형인 경우 최대폭(W)은 원의 직경을 의미하고, 다른 예로서 홈 패턴이 평면상 사각 형상인 경우 최대폭은 대각 길이를 의미할 수 있다.
제어하고자 하는 음파가 약 1kHz 내지 30kHz 범위의 주파수를 갖는 가청 음파일 경우, 최대폭(W)은 약 1.3mm 내지 1.5mm 범위에 있는 것이 바람직할 수 있다. 비제한적인 예시에서, 본 실시예에 따른 음파 유도 패널(11)은 약 10kHz 내지 32kHz, 또는 약 15kHz 내지 30kHz, 또는 약 18kHz 내지 25kHz, 또는 약 20kHz의 가청 주파수를 갖는 음파를 제어하기 위한 장치일 수 있다.
서로 최인접한 두개의 홈 패턴(100), 예컨대 제1 방향(X)으로 최인접한 두개의 홈 패턴(100) 간의 배열 피치(PT)는 최대폭(W)의 약 1.4배 내지 2.0배일 수 있다. 이 경우 배열 피치(PT)는 약 1.8mm 내지 2.8mm일 수 있다. 본 명세서에서 '배열 피치'는 인접한 홈 패턴(100)들의 평면상 중심 간의 거리로 표현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 배열 피치(PT)는 제어하고자 하는 음파의 파장(λ) 보다 작을 수 있다.
서로 인접한 두개의 홈 패턴(100) 간의 이격 거리(D)는 배열 피치(PT)에서 최대폭(W)을 제외한 길이로 이해될 수 있다. 즉, 이격 거리(D)는 약 0.5mm 내지 1.3mm 또는 약 0.4mm 내지 1.0mm일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 실시예와 같이 최대폭(W), 배열 피치(PT), 이격 거리(D) 및/또는 깊이(미도시)를 가지고 반복적 및 규칙적으로 배열된 복수의 홈 패턴(100)이 형성된 음파 유도 패널(11)의 표면은 메타 물질과 같이 기능할 수 있다. 본 명세서에서 '메타 물질', 또는 '메타 구조'는 자연적으로 존재하는 원자나 분자와 다른 특성을 구현하기 위한 인공적인 물질, 구조, 구조체 및 시스템을 포함하는 의미이다. 상기 특성은 유전율(permittivity), 투자율(permeability), 굴절률(refractive index) 및 전파 특성(scattering parameter) 등을 예시할 수 있다.
이하, 도 3 등을 더 참조하여 본 실시예에 따른 음파 유도 패널(11)에 형성된 가상의 영역들(A1, A2, A3) 및 홈 패턴(100)의 깊이, 그리고 표면 어드미턴스에 대해 더 상세하게 설명한다.
도 3은 음파 유도 패널의 구획된 영역들의 형상 및 배열을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 1의 음파 유도 패널의 단면사시도이다. 도 5는 도 4의 A1 영역 내 위치에서의 단면을 나타낸 단면도로서, 도 4의 우측 단면에 상응하는 단면도이다. 도 6은 도 4의 A2 영역 내 위치에서의 단면을 나타낸 단면도로서, 도 4의 좌측 단면에 상응하는 위치의 단면도이다. 도 7 내지 도 9는 각각 도 3의 음파 유도 패널의 영역 별 표면 어드미턴스 등고선을 나타낸 도면들이다.
도 3 내지 도 9를 더 참조하면, 음파 유도 패널(11), 구체적으로 음파 유도 패널(11)의 상면은 소정의 영역들(A1, A2, A3)로 구획될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 복수의 영역들(A1, A2, A3)은 제1 영역(A1), 제2 영역(A2) 및 제3 영역(A3)을 포함할 수 있다. 도 3은 오직 3개의 영역이 정의된 경우를 예시하고 있으나, 다른 실시예에서 영역은 2개만으로 구획되거나, 또는 4개 이상의 영역으로 나뉠 수도 있다.
제1 영역(A1), 제2 영역(A2) 및 제3 영역(A3)은 각각 대략 부채꼴 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 복수의 영역들(A1, A2, A3)은 어느 포인트(P)로부터 방사 방향으로 연장된 구획선들(PL1, PL2, PL3)에 의해 구획될 수 있다. 포인트(P)는 중심 포인트일 수 있다. 이 때 음파 유도 패널(11)이 원형일 경우 포인트(P)는 원의 중심을 의미할 수 있다. 또는 포인트(P)는 음파 유도 패널(11)의 평면상 형상의 무게 중심 등을 의미할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 도 3은 원의 중심인 포인트(P)로부터 제1 구획선(PL1), 제2 구획선(PL2) 및 제3 구획선(PL3)이 연장되되, 이들이 서로 120°±5°로 원형 배열된 경우를 예시한다. 이 때 제1 구획선(PL1)과 제3 구획선(PL3)에 의해 정의되는 제1 영역(A1)의 제1 중심각(θ1), 제1 구획선(PL1)과 제2 구획선(PL2)에 의해 정의되는 제2 영역(A2)의 제2 중심각(θ2) 및 제2 구획선(PL2)과 제3 구획선(PL3)에 의해 정의되는 제3 영역(A3)의 제3 중심각(θ3)은 각각 120°±5°일 수 있다. 이에 따라 제1 영역(A1), 제2 영역(A2) 및 제3 영역(A3)은 서로 실질적으로 동일한 크기 및 면적을 가질 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 다른 실시예에서 복수의 영역들 중 적어도 일부는 서로 상이한 면적을 가질 수도 있다.
또, 전술한 것과 같이 포인트(P)는 복수의 구획선들(PL1, PL2, PL3)이 연장되어 뻗어 나가는 기준으로 정의될 수 있기 때문에 포인트(P)는 구획선들(PL1, PL2, PL3) 중 하나 이상 또는 복수 또는 전부 상에 위치할 수 있다.
또한 각 영역들(A1, A2, A3)을 이등분하는 가상의 기준선(GL1, GL2, GL3)이 정의될 수 있다. 예를 들어, 제1 중심각(θ1)이 120°일 경우, 제1 영역(A1)을 이등분하는 가상의 제1 기준선(GL1)은 포인트(P)를 중심으로 제1 구획선(PL1) 및/또는 제3 구획선(PL3)과 60° 회전하여 위치할 수 있다. 마찬가지로, 제2 중심각(θ2) 및 제3 중심각(θ3)이 각각 120°일 경우, 제2 영역(A2)을 이등분하는 제2 기준선(GL2)은 제1 기준선(GL1) 및/또는 제2 기준선(GL2)과 60°의 사이각을 갖는 선이고, 제3 영역(A3)을 이등분하는 제3 기준선(GL3)은 제2 기준선(GL2) 및/또는 제3 기준선(GL3)과 60°의 사이각을 갖는 선일 수 있다. 제1 기준선(GL1)은 제1 영역(A1) 내에 위치하고, 제2 기준선(GL2)은 제2 영역(A2) 내에 위치하고 제3 기준선(GL3)은 제3 영역(A3) 내에 위치함은 자명하다.
도 3 및 도 4 등은 제1 기준선(GL1)이 제2 방향(Y)과 대략 평행하고, 제1 기준선(GL1)과 제2 구획선(PL2)이 대략 평행한 경우를 예시한다. 또, 제2 기준선(GL2)은 제3 구획선(PL3)과 대략 평행하고, 제3 기준선(GL3)은 제1 구획선(PL1)과 대략 평행할 수 있다. 전술한 제1 구획선(PL1) 내지 제3 구획선(PL3)과 마찬가지로, 제1 기준선(GL1) 내지 제3 기준선(GL3) 또한 포인트(P)를 지나갈 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 음파 유도 패널(11)의 홈 패턴(100)들 중 적어도 일부는 상이한 깊이를 가지고, 적어도 일부는 실질적으로 동일한 깊이를 가질 수 있다. 홈 패턴(100)들은 평면에 대해 수직한 방향, 즉 제3 방향(Z)으로의 내측벽을 가질 수 있다.
도 4 등에 표현된 것과 같이, 음파 유도 패널(11)을 절개한 단면에서, 홈 패턴(100)들은 제1 홈 패턴(110) 및 제2 홈 패턴(130)을 포함할 수 있다. 제1 홈 패턴(110)은 어느 단면에서 최대 깊이를 갖는 홈으로 정의되고, 제2 홈 패턴(130)은 어느 단면에서 최소 깊이를 갖는 홈으로 정의될 수 있다. 도 5 등은 포인트(P)가 제1 홈 패턴(110), 즉 최대 깊이를 갖는 홈 패턴인 경우를 예시하나, 다른 실시예에서 포인트(P)의 위치에서 최소 깊이를 가질 수도 있다.
음파 유도 패널(11) 내 제1 홈 패턴(110), 즉 최대 깊이를 갖는 홈 패턴의 깊이는 홈 패턴(100)의 최대폭(W)의 약 1.5배 내지 1.7배 범위에 있을 수 있다. 또, 음파 유도 패널(11) 내 제2 홈 패턴(130), 즉 최소 깊이를 갖는 홈 패턴의 깊이는 홈 패턴(100)의 최대폭(W)의 약 0.5배 내지 0.6배 범위에 있을 수 있다.
홈 패턴(100)은 전술한 각 어느 영역 내에서 소정의 수식을 만족하거나 수식에 의해 정의되는 깊이를 갖도록 설계될 수 있다. 그리고 홈 패턴(100)들의 기저면이 형성하는 높이 레벨은 각 영역들(A1, A2, A3) 내에서 등고선을 형성할 수 있다. 홈 패턴(100)의 깊이를 결정하는 방법에 대해서는 후술한다.
몇몇 실시예에서, 제1 영역(A1)에 속하거나 제1 영역(A1) 내에 위치한 홈 패턴(100)들의 깊이는 제1 기준선(GL1)(즉, 제2 방향(Y))과 직교하는 방향으로 대칭적이도록 구성될 수 있다. 다시 말해서, 음파 유도 패널(11)의 제1 영역(A1)을, 제1 영역(A1)에 직교하는 방향, 즉 제1 방향(X)으로 절개한 단면은 좌우가 대칭적인 구조를 가질 수 있다.
마찬가지로, 제2 영역(A2)에 속하거나 제2 영역(A2) 내에 위치한 홈 패턴(100)들의 깊이는 제2 기준선(GL2)과 직교하는 방향으로 대칭적이고, 제3 영역(A3)에 속하거나 제3 영역(A3) 내에 위치한 홈 패턴(100)들의 깊이는 제3 기준선(GL3)과 직교하는 방향으로 대칭적일 수 있다.
또, 어느 단면에서, 예를 들어 포인트(P)를 지나는 어느 방사 방향으로 절개한 단면에서, 더 구체적인 예를 들어 도 4와 같이 제1 기준선(GL1) 및/또는 제2 기준선(GL2)을 따라 절개한 단면에서, 서로 최인접한 두개의 제1 홈 패턴(110) 사이에는 적어도 하나의 제2 홈 패턴(130)이 위치하고, 서로 최인접한 두개의 제2 홈 패턴(130) 사이에는 적어도 하나의 제1 홈 패턴(110)이 위치할 수 있다. 또 어느 단면 상에서, 서로 최인접한 제1 홈 패턴(110)과 제2 홈 패턴(130) 사이에는, 제1 홈 패턴(110) 보다 작은 깊이를 가지고 제2 홈 패턴(130) 보다 큰 깊이를 갖는 제3 홈 패턴이 위치할 수 있다.
이에 따라 어느 단면에서, 예를 들어 포인트(P)를 지나는 어느 방사 방향으로 절개한 단면에서, 더 구체적인 예를 들어 도 4와 같이 제1 기준선(GL1) 및/또는 제2 기준선(GL2)을 따라 절개한 단면에서, 홈 패턴(100)들은 증감이 반복되는 깊이를 가질 수 있다.
도 5 및 도 6은 제1 기준선(GL1)과 제2 기준선(GL2)을 따라 절개한 단면만을 예시하고 있으나, 포인트(P)를 지나는 어느 방사 방향에 속하는 제3 기준선(GL3)을 따라 절개한 단면 또한 깊이의 증감이 반복되는 구조를 가짐을 이해할 수 있을 것이다.
또, 제1 기준선(GL1), 제2 기준선(GL2) 및/또는 제3 기준선(GL3)을 따라 절개한 단면에서, 전술한 것과 같이 홈 패턴(100)들은 증감이 반복되는 깊이를 가지되, 포인트(P)로부터 멀어지는 방향으로 갈수록 반복 주기가 증가할 수 있다. 다시 말해서, 어느 영역 내에서, 홈 패턴(100)들의 증감 주기는 가장자리부로 갈수록 점차 커지는 경향을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 5에서 가장 좌측에 위치한 제1 홈 패턴(즉, 포인트(P)의 홈 패턴)과 두번째로 위치한 제1 홈 패턴의 이격 거리는, 두번째로 위치한 제1 홈 패턴과 세번째로 위치한 제1 홈 패턴의 이격 거리 보다 작을 수 있다. 즉, 가장 좌측의 제1 홈 패턴과 좌측에서 두번째로 위치한 제1 홈 패턴 사이에는 2개의 홈 패턴이 위치하고, 좌측에서 두번째로 위치한 제1 홈 패턴과 세번째로 위치한 제1 홈 패턴 사이에는 3개의 홈 패턴이 위치하는 경우를 예시한다.
다른 예를 들어, 도 6에서 가장 우측에 위치한 제1 홈 패턴(즉, 포인트(P)의 홈 패턴)과 두번째로 위치한 제1 홈 패턴의 이격 거리는, 두번째로 위치한 제1 홈 패턴과 세번째로 위치한 제1 홈 패턴의 이격 거리 보다 작을 수 있다. 즉, 가장 우측의 제1 홈 패턴과 우측에서 두번째로 위치한 제1 홈 패턴 사이에는 3개의 홈 패턴이 위치하고, 우측에서 두번째로 위치한 제1 홈 패턴과 세번째로 위치한 제1 홈 패턴 사이에는 4개의 홈 패턴이 위치하는 경우를 예시한다.
또한 제1 영역(A1) 내에서 방사 방향으로의 홈 패턴(100)들의 깊이의 증감, 제2 영역(A2) 내에서 방사 방향으로의 홈 패턴(100)들의 깊이의 증감, 및 제3 영역(A3) 내에서 방사 방향으로의 홈 패턴(100)들의 깊이의 증감은 모두 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(A1) 내에서의 깊이의 증감 주기의 경향이 상대적으로 작고, 제3 영역(A3) 내에서의 깊이의 증감 주기의 경향이 상대적으로 클 수 있다.
예를 들어, 제1 영역(A1) 내에서 가장 좌측에 위치한 제1 홈 패턴(즉, 포인트(P)의 홈 패턴)과 좌측에서 두번째로 위치한 제1 홈 패턴의 이격 거리는, 제2 영역(A2) 내에서 가장 우측에 위치한 제1 홈 패턴(즉, 포인트(P)의 홈 패턴)과 우측에서 두번째로 위치한 제1 홈 패턴의 이격 거리 보다 작을 수 있다. 즉, 제1 영역(A1)에서 가장 좌측에 위치한 제1 홈 패턴과 두번째로 위치한 제1 홈 패턴 사이에는 2개의 홈 패턴이 위치하고, 제2 영역(A2)에서 가장 우측에 위치한 제1 홈 패턴과 두번째로 위치한 제1 홈 패턴 사이에는 3개의 홈 패턴이 위치하는 경우를 예시한다.
다른 예를 들어, 제1 영역(A1) 내에서 좌측에서 두번째로 위치한 제1 홈 패턴과 세번째로 위치한 제1 홈 패턴의 이격 거리는, 제2 영역(A2) 내에서 우측에서 두번째로 위치한 제1 홈 패턴과 세번째로 위치한 제1 홈 패턴 사이의 이격 거리 보다 작을 수 있다. 즉, 제1 영역(A1)에서 좌측으로부터 두번째로 위치한 제1 홈 패턴과 세번째로 위치한 제1 홈 패턴 사이에는 3개의 홈 패턴이 위치하고, 제2 영역(A2)에서 우측에서 두번째로 위치한 제1 홈 패턴과 세번째로 위치한 제1 홈 패턴 사이에는 4개의 홈 패턴이 위치하는 경우를 예시한다.
앞서 설명한 것과 같이 소정의 깊이를 가지고 규칙적으로 배열된 홈 패턴(100)들은 음파 유도 패널(11)의 상면에 소정의 정현 변조된 어드미턴스를 부여할 수 있다. 또, 음파 유도 패널(11)의 상면을 따라 진행하는 표면파는 변조된 어드미턴스 표면에 의해 특정 방향으로 굴절되거나, 특정 방향으로 입사되는 음파를 음파 유도 패널(11)의 상면을 따라 진행하는 표면파로 변형할 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 것과 같이 음파 유도 패널(11) 상면의 법선 방향, 즉 제3 방향(Z)에 대해 소정의 제1 입사각(α)을 형성하며 제1 영역(A1)에 입사된 음파는 음파 유도 패널(11)의 상면을 따라 진행하는 표면파로 변조되어 포인트(P) 부근으로 집속될 수 있다.
마찬가지로, 도 6에 도시된 것과 같이 음파 유도 패널(11) 상면의 법선 방향, 즉 제3 방향(Z)에 대해 소정의 제2 입사각(β)을 형성하며 제2 영역(A2)에 입사된 음파는 음파 유도 패널(11)의 상면을 따라 진행하는 표면파로 변조되어 포인트(P) 부근으로 집속될 수 있다.
반면 제1 입사각(α)이 아닌 다른 각도, 예컨대 제2 입사각(β)으로 제1 영역(A1)에 입사되거나, 또는 제2 입사각(β)이 아닌 다른 각도, 예컨대 제1 입사각(α)으로 제2 영역(A2)에 입사되는 음파는 표면파로 변조되는 비율 내지는 정도가 작거나, 또는 표면파로 변조되지 않을 수 있다.
음파는 매질 내에서 매질의 교란 상태 변화로 인해 에너지가 전달되는 탄성파로 분류될 수 있다. 즉, 음파는 매질을 통해 에너지가 전달될 수 있다. 이 때 소정의 깊이를 가지고 규칙적으로 배열된 홈 패턴이 마련될 경우 음파 유도 패널(11)의 상면은 소정의 정현 변조된 어드미턴스를 가지고, 표면에 대해 소정 각도로 입사하는 방사파(field wave)를 음파 유도 패널(11)의 상면을 따라 진행하는 표면파(surface wave)로 변환시킬 수 있다.
소정 파장(λ)을 갖는 음파에 대해 상기 의도된 정현 변조된 표면 어드미턴스 설계를 위해서, 음파 유도 패널(11) 상면의 표면 어드미턴스는 약 0.2 내지 1.8의 범위를 가지고 연속적으로 변화할 필요가 있다. 이를 위해 전술한 것과 같은 홈 패턴(100)의 깊이 변화를 구성하여 이를 달성할 수 있다.
특히 음파 유도 패널(11)을 평면상 복수의 영역들(A1, A2, A3)로 구획하되, 각 영역들(A1, A2, A3) 내에서 서로 다른 입사각을 표면파로 변환할 수 있도록 설계한 홈 패턴(100)들을 구비함으로써 다양한 음원 위치로부터 진행하는 음파를 효과적으로 수집할 수 있고 이를 통해 흡음 효율을 증가시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 음파 유도 패널(11)은 도 7 내지 도 9에 표현된 것과 같이 포인트(P)를 중심으로 정형화된 표면 어드미턴스 등고선이 정의될 수 있다. 여기서 표면 어드미턴스 등고선은 홈 패턴들(100)의 깊이에 관한 등고선과 대략 일치하여 상응하거나, 또는 홈 패턴들(100)의 깊이에 관한 등고선의 반전 형태를 가질 수 있다.
도 7 내지 도 9에서, 실선으로 표현된 위치는 방사 방향 주변 영역에 비해 극대값의 표면 어드미턴스를 갖는 위치를 나타내고, 점선으로 표현된 위치는 방사 방향 주변 영역에 비해 극소값의 표면 어드미턴스를 갖는 위치를 나타낼 수 있다.
또, 도 7 내지 도 9는 최대 표면 어드미턴스 등고선과 최소 표면 어드미턴스 등고선이 방사 방향으로 교번적으로 배열되되 최대 어드미턴스 등고선과 최소 어드미턴스 등고선이 제1 영역(A1)에서 총 11개, 제2 영역(A2)에서 총 9개, 제3 영역(A3)에서 총 8개 형성된 경우를 예시하나 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다. 전술한 것과 같이 어드미턴스 등고선의 분포는 홈 패턴(100)의 개수 등에 영향을 받을 수 있다.
이 때 어느 영역 내의 어드미턴스 등고선은 대략 타원형 또는 계란형의 형상 내지는 분포를 가질 수 있다. 또 표면 어드미턴스 등고선은 포인트(P)를 중심으로 방사 방향으로 반복되되 등고선의 방사 방향으로의 반복 주기는 중앙부, 즉 포인트(P)에서 가장자리부로 갈수록 점차 커지는 경향을 가짐은 전술한 바와 같다.
한편, 제1 영역(A1) 내의 홈 패턴(100)의 최대 깊이(또는 최소 깊이), 제2 영역(A2) 내의 홈 패턴(100)의 최대 깊이(또는 최소 깊이) 및 제3 영역(A3) 내의 홈 패턴(100)의 최대 깊이(또는 최소 깊이)는 서로 동일하거나, 상이할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 음파 유도 패널(11)의 평면상 특정 위치에서 홈 패턴(100)의 깊이와 어드미턴스 값 간의 상관 관계, 즉 특정 어드미턴스 값이나 경향을 형성하기 위해 홈 패턴(100)의 깊이를 결정하는 방법에 대해 설명한다.
예시적인 실시예에서, 제1 영역(A1) 내의 홈 패턴(100)들은 하기 수식 1들에 따라 정의된 깊이를 가질 수 있다.
<수식 1-1>
여기서 좌변은 제1 영역(A1) 내에 위치한 홈 패턴(100)의 깊이(d1)에 관한 함수이고, 우변은 홈 패턴(100)의 평면상 위치에 관한 함수일 수 있다.
상기 좌변은 하기 수식 1-2로 표현되고, 상기 우변은 하기 수식 1-3으로 표현될 수 있다.
<수식 1-2>
<수식 1-3>
수식 1-2에서, A1, A2, A3, A4, A5 및 A6는 각각 소정의 값을 갖는 양수인 상수이다. 예를 들어, A1은 1 내지 10의 양수이고, A2는 10 내지 30의 양수이고, A3는 10 내지 30의 양수이고, A4는 10 내지 30의 양수이고, A5는 1 내지 10의 양수이고, A6는 0 초과 10 이하의 양수일 수 있다. 또, d1은 제1 영역(A1) 내 해당 홈 패턴(100)의 깊이일 수 있다.
수식 1-3에는 음파 유도 패널(11)의 밀도 및/또는 두께 등 매질에 관한 속성이 반영될 수 있다. 수식 1-3에서, B는 평균 표면 어드미턴스 상수값으로 0.1 내지 1.5 사이의 양수이고, M은 변조 상수로 0.1 내지 1.0 사이의 양수일 수 있다. 또, λ는 변조하고자 하는 음파의 파장으로, 소정의 양수일 수 있다. n은 1.3 내지 1.5 사이의 양수일 수 있다.
또 R은 포인트(P)로부터 제1 영역(A1) 내 해당 홈 패턴(100)까지의 최단 거리, 즉 원통 좌표계에서 R을 의미한다. 또한, x1 및 y1은 제1 영역(A1) 내 해당 홈 패턴(100)의 직교 좌표 값으로, 포인트(P)를 원점으로 하고, 제1 영역(A1)을 이등분하는 가상의 선, 즉 제1 기준선(GL1)을 y축으로 하며, 제1 기준선(GL1)과 수직한 선을 x축으로 할 때의 좌표 값을 의미한다. 이 때 R은 로 표현될 수도 있다.
그리고 θ1은 0° 이상 90° 이하의 °의 단위를 갖는 값으로, 음파 유도 패널(11)의 제1 영역(A1)을 향해 어느 특정 각도로 입사하는 음파를 표면파로 변환하고자 의도할 때, 타겟이 되는 상기 특정 각도로서, 음파 유도 패널(11) 상면의 법선에 대해 이루는 각도를 의미한다. 예를 들어, θ1이 30°일 경우 법선에 대해 약 30°±5°의 각도를 이루고 제1 영역(A1)으로 입사하는 음파를 표면파로 변환할 수 있다.
또한 는 홈 패턴(100)의 평면상 위치에 관한 함수로, 예를 들어, 는 y1과 동일할 수 있다.
상기 수식 1-2와 수식 1-3의 매칭을 통해 제1 영역(A1) 내 특정 좌표에서의 홈 패턴(100)의 깊이를 도출할 수 있고, 이를 토대로 도 7과 같은 어드미턴스 등고선(또는 홈 깊이의 등고선)을 도출할 수 있다.
마찬가지로 제2 영역(A2) 내의 홈 패턴(100)들은 하기 수식 2들에 따라 정의된 깊이를 가질 수 있다.
<수식 2-1>
<수식 2-2>
<수식 2-3>
수식 2-1에서 좌변은 제2 영역(A2) 내에 위치한 홈 패턴(100)의 깊이(d2)에 관한 함수이고, 우변은 홈 패턴(100)의 평면상 위치에 관한 함수일 수 있다. 또, 수식 2-3에서 는 홈 패턴(100)의 평면상 위치에 관한 함수로, 예를 들어, 는 y2와 동일할 수 있다.
수식 2-1 내지 수식 2-3에서, A1, A2, A3, A4, A5, A6, B, M, λ, 및 n는 전술한 바와 같다.
d2는 제2 영역(A2) 내 해당 홈 패턴(100)의 깊이일 수 있다. 또, R은 포인트(P)로부터 제2 영역(A2) 내 해당 홈 패턴(100)까지의 최단 거리를 의미한다. 또한 x2 및 y2는 제2 영역(A2) 내 해당 홈 패턴(100)의 직교 좌표 값으로, 포인트(P)를 원점으로 하고, 제2 영역(A2)을 이등분하는 가상의 선, 즉 제2 기준선(GL2)을 y축으로 하며, 제2 기준선(GL2)과 수직한 선을 x축으로 할 때의 좌표 값을 의미한다.
그리고 θ2는 0° 이상 90° 이하의 °의 단위를 갖는 값으로, 음파 유도 패널(11)의 제2 영역(A2)을 향해 어느 특정 각도로 입사하는 음파를 표면파로 변환하고자 의도할 때, 타겟이 되는 상기 특정 각도로서, 음파 유도 패널(11) 상면의 법선에 대해 이루는 각도를 의미한다. θ2는 θ1과 상이할 수 있다. 예를 들어, θ1이 50°일 경우 법선에 대해 약 50°±5°의 각도를 이루고 제2 영역(A2)으로 입사하는 음파를 표면파로 변환할 수 있다.
상기 수식 2-2와 수식 2-3의 매칭을 통해 제2 영역(A2) 내 특정 좌표에서의 홈 패턴(100)의 깊이를 도출할 수 있고, 이를 토대로 도 8과 같은 어드미턴스 등고선(또는 홈 깊이의 등고선)을 도출할 수 있다.
마찬가지로 제3 영역(A3) 내의 홈 패턴(100)들은 하기 수식 3들에 따라 정의된 깊이를 가질 수 있다.
<수식 3-1>
<수식 3-2>
<수식 3-3>
수식 3-1에서 좌변은 제3 영역(A3) 내에 위치한 홈 패턴(100)의 깊이(d3)에 관한 함수이고, 우변은 홈 패턴(100)의 평면상 위치에 관한 함수일 수 있다. 또, 수식 3-3에서 는 홈 패턴(100)의 평면상 위치에 관한 함수로, 예를 들어, 는 y3와 동일할 수 있다.
수식 3-1 내지 수식 3-3에서, A1, A2, A3, A4, A5, A6, B, M, λ, 및 n는 전술한 바와 같다.
d3은 제3 영역(A3) 내 해당 홈 패턴(100)의 깊이일 수 있다. 또, R은 포인트(P)로부터 제3 영역(A3) 내 해당 홈 패턴(100)까지의 최단 거리를 의미한다. 또한 x3 및 y3는 제3 영역(A3) 내 해당 홈 패턴(100)의 직교 좌표 값으로, 포인트(P)를 원점으로 하고, 제3 영역(A3)을 이등분하는 가상의 선, 즉 제3 기준선(GL3)을 y축으로 하며, 제3 기준선(GL3)과 수직한 선을 x축으로 할 때의 좌표 값을 의미한다.
그리고 θ3는 0° 이상 90° 이하의 °의 단위를 갖는 값으로, 음파 유도 패널(11)의 제3 영역(A3)을 향해 어느 특정 각도로 입사하는 음파를 표면파로 변환하고자 의도할 때, 타겟이 되는 상기 특정 각도로서, 음파 유도 패널(11) 상면의 법선에 대해 이루는 각도를 의미한다. θ3는 θ1 및/또는 θ2와 상이할 수 있다. 예를 들어, θ3이 70°일 경우 법선에 대해 약 70°±5°의 각도를 이루고 제3 영역(A3)으로 입사하는 음파를 표면파로 변환할 수 있다.
상기 수식 3-2와 수식 3-3의 매칭을 통해 제3 영역(A3) 내 특정 좌표에서의 홈 패턴(100)의 깊이를 도출할 수 있고, 이를 토대로 도 9와 같은 어드미턴스 등고선(또는 홈 깊이의 등고선)을 도출할 수 있다.
이 때 도 7 내지 도 9에 도시된 것과 같이, 제1 영역(A1) 내지 제3 영역(A3)이 서로 실질적으로 동일한 중심각을 갖는 경우에도, 제1 구획선(PL1) 부근에서 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)의 등고선은 적어도 부분적으로 서로 연결되지 않을 수 있다. 마찬가지로 제2 구획선(PL2) 부근에서 제2 영역(A2)과 제3 영역(A3)의 등고선은 적어도 부분적으로 서로 연결되지 않고, 제3 구획선(PL3) 부근에서 제3 영역(A3)과 제1 영역(A1)의 등고선은 적어도 부분적으로 서로 연결되지 않을 수 있다.
또한, 제1 기준선(GL1) 상에 위치하고 포인트(P)로부터 소정 거리 이격된 임의의 제1 점, 제2 기준선(GL2) 상에 위치하고 포인트(P)로부터 상기 소정 거리 이격된 임의의 제2 점 및 제3 기준선(GL3) 상에 위치하고 포인트(P)로부터 상기 소정 거리 이격된 임의의 제3 점은, 모두 포인트(P)로부터 이격된 거리가 동일함에도 불구하고 서로 상이한 깊이를 가질 수 있다.
이상 설명한 것과 같이 본 실시예에 따른 음파 유도 패널(11)은 적어도 2개 이상의 복수의 영역들로 구획되어, 각 영역 별로 소정의 정현 변조된 표면 어드미턴스를 가질 수 있다. 이에 따라 하나의 음파 유도 패널(11)을 이용해 서로 상이한 각도로부터 입사되는 음파를 효율적으로 수집하여 포인트(P) 부근에 집속시킬 수 있다. 따라서 소정의 음원으로부터 지향하는 음파를 흡수하는 흡음 패널 내지는 소음 장치로 이용될 수 있다. 다른 예를 들어, 음파 유도 패널(11)은 그 배면 측에 위치한 음원으로부터 제공된 음파를 굴절시킬 수도 있다. 이 때 각 영역 별로 굴절 각도를 다르게 할 수 있고, 이를 활용하여 초지향성 스피커, 장거리 초음파 센서, 음향 마이크로 유체 장치 및 수중 음파 탐지기 등 다양한 형태로 구현할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명에 따른 음파 유도 패널(11)을 포함하는 흡음 장치 및 이를 이용한 흡음 시스템에 대해 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 흡음 시스템(1)은 하나 이상의 음원들(NS1, NS2)로부터 방출되는 음파를 흡수할 수 있는 흡음 장치를 포함하되, 흡음 장치는 음파 유도 패널(11)을 포함하고, 포스트(20) 및 흡음 패드(30)를 더 포함할 수 있다. 음파 유도 패널(11)은 음원들(NS1, NS2) 측을 향해 홈 패턴들이 형성된 상태일 수 있다. 음파 유도 패널(11)에 대해서는 앞서 상세하게 설명하였는 바 중복되는 설명은 생략한다.
포스트(20)는 음파 유도 패널(11)의 포인트(P), 예컨대 중심점과 중첩하여 포인트(P) 상에 맞닿아 배치될 수 있다. 포스트(20)는 음파 유도 패널(11)의 홈 패턴이 형성되지 않은 배면 측에 위치할 수 있다. 또, 흡음 패드(30)는 포스트(20)와 맞닿아 배치될 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이 본 실시예에 따른 음파 유도 패널(11)은 복수의 영역들을 가지되, 각 영역 별로 서로 상이한 각도를 가지고 입사하는 음파를 표면파로 전환하고, 이를 포인트(P) 부근으로 집속할 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 것과 같이 제1 음원(NS1)으로부터 퍼져 나가는 음파가 법선 방향에 대해 제1 입사각(α)을 가지고 제1 영역 내로 입사될 경우, 음파 유도 패널(11)은 제1 음원(NS1)으로부터 도달한 음파를 표면파로 전환하고, 이를 포인트(P) 부근에 집속시킬 수 있다. 마찬가지로 제2 음원(NS2)으로부터 퍼져 나가는 음파가 법선 방향에 대해 제2 입사각(β)을 가지고 제2 영역 내로 입사될 경우, 음파 유도 패널(11)은 제2 음원(NS2)으로부터 도달한 음파를 표면파로 전환하고, 이를 포인트(P) 부근에 집속시킬 수 있다.
그리고 제1 음원(NS1) 및 제2 음원(NS2)으로부터 방출되어 포인트(P) 부근에 집속된 음파들은 포스트(20)를 따라 흡음 패드(30)에 전달 및 흡수될 수 있다. 즉, 제1 음원(NS1)과 제2 음원(NS2)의 위치를 고려하여, 그리고 소정의 공간의 벽면 부근에 배치되는 흡음 장치의 위치를 고려하여 음파 유도 패널(11)이 입사할 수 있는 각을 설정함으로써 다양한 각도로부터 입사되는 음파를 효율적으로 흡수할 수 있다. 따라서 음원(NS1, NS2)이 복수개 존재하는 경우 벽면에서의 반사 및/또는 간섭으로 인해 원활한 음의 청취가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 흡음 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 본 실시예에 따른 흡음 시스템(2)은 흡음 장치를 포함하되, 복수의 음파 유도 패널이 구비되는 점이 전술한 실시예와 상이한 점이다.
즉, 어느 고정된 위치의 음원(NS)으로부터 퍼져 나가는 음파는 무지향성을 가지고, 음원(NS)으로부터 360도 방향으로 고르게 퍼질 수 있다. 이 때 소정의 공간의 벽면 위치에 따라 벽면에 도달하는 음파의 입사각이 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 11에 예시한 것과 같이 상부의 위치에서는 법선 방향에 대한 입사각이 상대적으로 큰 반면, 하부의 위치에서는 법선 방향에 대한 입사각이 상대적으로 작을 수 있다. 따라서 벽면의 위치 별로 서로 상이한 각도의 음파를 가이드할 수 있도록 설계된 음파 유도 패널들을 배치함으로써 음파를 효율적으로 흡수할 수 있다.
이하, 실험예를 더 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
<제조예>
3D 프린터를 이용해 음파 유도 패널을 제작하였다. 이 때 패널은 반경 40mm의 원반 형태로 하였다. 홈 패턴은 평면상 원 형상을 가지되 6각 배열하였다. 홈 패턴의 반경은 약 0.7mm였다. 그리고 배열 피치는 2mm로 하였다. 이 때 도 12와 같이 서로 다른 형태로 어드미턴스가 변조된 패널 4개를 결합시켰다.
구체적으로, 중앙의 패널은 동심원 형태로 어드미턴스 등고선이 형성된 것을 이용하였다. 그리고 가장자리의 3개의 패널은 각각 도 13에 표현된 것과 같이 120°의 중심각을 갖는 부채꼴 형상의 3개의 영역으로 나뉜 것으로 하였다. 가장자리의 3개의 패널은 각각의 중심을 기준으로 소정 각도 피봇시켰다.
이 때 각 패널의 하나의 영역은 전술한 수식 1들을 이용하되 θ1을 30°로 하고, 다른 영역은 전술한 수식 2들을 이용하되 θ2를 50°로 하고, 나머지 영역은 전술한 수식 3들을 이용하되 θ3을 70°로 하였다. 수식 1 내지 수식 3을 적용함에 있어서, A1은 5.981, A2는 22.02, A3는 29.85, A4는 20.38, A5는 6.874, A6는 0.9248로 하였다. 또, B는 1.0으로 하고, M은 0.6으로 하였다.
<실험예>
제조예와 같이 4개의 패널이 결합된 음파 유도 패널 모듈을 이용하여 흡음 정도를 시뮬레이션 테스트하였다. 어느 음원으로부터 소정 거리 이격된 공간에 하드월(hard wall)을 배치하고, 대략 중앙부에 흡음재(melamine foam)을 배치하였다. 하드월 외의 공간은 열린 공간(open space)로 설정하였다. 실험에 사용된 공간을 도 14에 모식화하였다.
그리고 흡음재의 전면부에 상기 음파 유도 패널 모듈을 배치한 경우와 그렇지 않은 경우에서의 데시벨(dB) 범위 별 음압 레벨(Sound Pressure Level, SPR) 분포를 가시화하고 도 15 및 도 16에 나타내었다.
우선 도 15와 도 16을 비교하면, 120dB 이하 범위에서, 본 발명에 따른 음파 유도 패널 모듈을 이용한 경우 그렇지 않은 경우에 비해 더 많은 영역을 차지하는 것을 확인할 수 있다. 반면 120dB 초과 범위에서, 이용하지 않은 경우가 이용한 경우에 비해 더 많은 영역을 차지하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 음파 유도 패널 또는 그 모듈 또는 흡음 장치를 이용할 경우, 음파를 수집하여 흡음재에 효과적으로 전달함으로써 더 높은 흡음 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 범위는 이상에서 예시된 기술 사상의 변경물, 균등물 내지는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 흡음 시스템
11: 음파 유도 패널
20: 포스트
30: 흡음 패드
100: 홈 패턴

Claims (11)

  1. 복수의 홈 패턴을 갖는 음파 유도 패널로서, 상기 복수의 홈 중 적어도 일부는 서로 상이한 깊이를 가지고, 상기 음파 유도 패널은 평면상 적어도 2개의 영역으로 구획되고,
    어느 제1 영역 내의 제1 홈 패턴의 깊이(d1)는 하기 수식 1을 만족하고,
    어느 제2 영역 내의 제2 홈 패턴의 깊이(d2)는 하기 수식 2를 만족하는 음파 유도 패널.
    <수식 1>



    <수식 2>



    (여기서, A1, A2, A3, A4, A5, A6, B, M, λ, n은 각각 소정의 값을 갖는 양수이고, θ1과 θ2는 서로 독립적으로 0° 이상 90° 이하의 값으로, θ1과 θ2는 서로 상이한 값이고, R은 어느 홈 패턴과 임의의 포인트까지의 거리이고, 및 는 각각 제1 홈 패턴과 제2 홈 패턴의 위치에 관한 함수임)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 복수의 영역은 상기 포인트로부터 방사 방향으로 연장된 구획선들에 의해 구획되는 음파 유도 패널.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 포인트는 어느 구획선 상에 위치하는 음파 유도 패널.
  4. 제1항에 있어서,
    어느 구획선들에 의해 구획된 제1 영역은 제1 중심각을 가지고, 제2 영역은 제2 중심각을 가지며,
    은, 제1 영역 내에서 제1 중심각을 이등분하도록 연장되는 제1 기준선을 y축으로 하고, 제1 기준선에 수직한 선을 x축으로 하며, 상기 포인트를 원점으로 할 때, y 좌표값에 관한 함수이고,
    는 제2 영역 내에서 제2 중심각을 이등분하도록 연장되는 제2 기준선을 y축으로 하고, 제2 기준선에 수직한 선을 x축으로 하며, 상기 포인트를 원점으로 할 때, y 좌표값에 관한 함수인 음파 유도 패널.
  5. 제1항에 있어서,
    어느 구획선들에 의해 구획된 제1 영역은 제1 중심각을 가지고, 제2 영역은 제2 중심각을 가지며,
    제1 홈 패턴들의 깊이는, 제1 영역 내에서 제1 중심각을 이등분하도록 연장되어 상기 포인트를 지나는 제1 기준선에 대해, 제1 기준선의 수직 방향으로 서로 대칭적이고,
    제2 홈 패턴들의 깊이는, 제2 영역 내에서 제2 중심각을 이등분하도록 연장되어 상기 포인트를 지나는 제2 기준선에 대해, 제2 기준선의 수직 방향으로 서로 대칭적인 음파 유도 패널.
  6. 제1항에 있어서,
    제1 영역 내에서 어느 방사 방향을 따라, 제1 홈 패턴들의 깊이는 증감을 반복하고,
    제2 영역 내에서 어느 방사 방향을 따라, 제2 홈 패턴들의 깊이는 증감을 반복하는, 음파 유도 패널.
  7. 제6항에 있어서,
    제1 영역 내의 어느 방사 방향을 따른 제1 홈 패턴의 깊이 증감에 있어서, 상기 포인트로부터 멀어지는 방향으로 갈수록 증감 주기가 길어지고,
    제2 영역 내의 어느 방사 방향을 따른 제2 홈 패턴의 깊이 증감에 있어서, 상기 포인트로부터 멀어지는 방향으로 갈수록 증감 주기가 길어지는 음파 유도 패널.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 포인트로부터 방사 방향으로 연장된 어느 구획선들에 의해 구획된 제1 영역과 제2 영역은 서로 동일한 중심각을 가지고,
    제1 영역 내에서의 표면 어드미턴스 등고선과, 제2 영역 내에서의 표면 어드미턴스 등고선은 적어도 부분적으로 서로 연결되지 않는 음파 유도 패널.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역을 이등분하도록 연장되어 포인트를 지나는 제1 기준선 상의 임의의 제1 지점으로서, 포인트와 제1 거리 만큼 이격된 제1 지점이 정의되고, 상기 제2 영역을 이등분하도록 연장되어 포인트를 지나는 제2 기준선 상의 임의의 제2 지점으로서, 포인트와 상기 제1 거리 만큼 이격된 제2 지점이 정의되며,
    상기 제1 지점과 제2 지점의 깊이는 상이한 음파 유도 패널.
  10. 복수의 홈 패턴을 갖는 음파 유도 패널로서, 상기 복수의 홈 중 적어도 일부는 서로 상이한 깊이를 가지고, 상기 음파 유도 패널은 평면상 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 복수의 영역으로 구획되고, 제1 영역 내의 홈 패턴은 제1 홈 패턴으로 지칭되고, 제2 영역 내의 홈 패턴은 제2 홈 패턴으로 지칭되고,
    어느 위치에서의 상기 홈 패턴의 깊이(d)는 하기 수식 3에 따라 정의되되, 제1 홈 패턴의 θ와 제2 홈 패턴의 θ는 상이한 음파 유도 패널.
    <수식 3>



    (여기서, A1, A2, A3, A4, A5, A6, B, M, λ, n은 각각 소정의 값을 갖는 양수이고, R은 어느 홈 패턴과 임의의 포인트까지의 거리이고,
    상기 포인트를 지나며 각 영역을 이등분하는 방향으로 연장된 선을 y축으로 하고 직교하는 선을 x축으로 할 때, y는 상기 어느 홈 패턴의 y 좌표값임)
  11. 일면에 형성된 복수의 홈 패턴을 갖는 음파 유도 패널로서, 제1항에 따른 음파 유도 패널; 및
    음파 유도 패널의 타면 상에 배치되고, 음파 유도 패널의 포인트 상에 배치된 포스트를 포함하는 흡음 장치.
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