KR20240062392A - 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일측에는 내연기관의 배기가 유입되는 유입구를 형성하고, 대향진 타측에는 배기가 유출되는 유출구를 형성하며, 내부에는 배기가 일측에서 타측으로 유동하는 유동통로를 형성한 배기유동관; 및 상기 배기유동관의 길이방향으로 따라 내부에 구비되어, 상기 배기유동관을 따라 유동하는 배기소음 중 해당 주파수 대역의 소음을 감쇠하는 복수 개의 소음저감 단위체를 포함하여, 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시키는 복수 개의 소음저감 단위체를 배기가 유입되는 유입구와 배기가 유출되는 유출구의 중심이 일치하는 직관 구조를 이루어, 복수 개의 헬름홀쯔 공명기가 직렬로 연결되어 있는 구조와, 1/4 파장관 구조로 배열됨에 따라, 상기 소음저감 단위체를 이루는 복수 개의 벽체들이 배기유동관을 유동하는 배기의 흐름을 방해하지 않으면서 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시키도록 해, 종래보다 넓은 배기소음저감 대역을 가지는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러를 제공한다.

Description

내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러{Acoustic metamaterial-based muffler for broadband exhaust noise reduction of internal combustion engines}

본 발명은 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시키는 복수 개의 소음저감 단위체를 배기가 유입되는 유입구와 배기가 유출되는 유출구의 중심이 일치하는 직관 구조로 배열하여, 상기 소음저감 단위체를 이루는 복수 개의 벽체들이 배기유동관을 유동하는 배기의 흐름을 방해하지 않으면서 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시켜 배기소음을 저감하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러에 관한 것이다.

일반적으로 차량과 같은 내연기관을 동력으로 하는 기계 장치의 배기음은 일상생활의 소음원이 되고 있다.

이러한 내연기관의 동력 장치로부터 발생한 배기 소음저감을 목적으로, 머플러를 사용하여 이를 감소시키고 있다.

종래 많은 기업과 기관에서 상용차급 배기량을 보유한 엔진의 소음저감 장치에 관한 연구 결과가 다수 보고되고 있다.

반면, 대형 디젤 발전기 그리고 전투차량과 같은 대형 내연기관을 동력원으로 사용하는 기계장치와 관련된 배기 소음저감장치는 개발이 미비한 수준이다.

시중에 유통되고 있는 상용 차량의 배기 소음저감장치는 내부 구조가 복잡한 경우가 대부분이며, 이러한 구조로 인한 소음 저감장치에 의한 압력 강하로 인한 엔진 효율의 저하가 불가피하다.

이때, 배기량이 높은 기계장치일수록, 배기 소음저감장치의 복잡한 내부 구조로 인한 압력 강하에 민감하며, 승용차량 대비 대구경의 배관 크기를 요구한다.

승용 차량의 머플러는 배기 특성으로 인하여 약 5cm 지름의 배관을 사용하며, 발전기 그리고 전투 차량과 같은 대형 엔진을 사용하는 높은 배기량의 기계 장치는 이보다 수배 크기의 배관을 필요로 한다.

일반적으로 배관의 크기가 증가하면, 장착되는 머플러의 크기도 함께 증가하게 되어 장착 공간 문제를 야기할 수 있다.

또한, 외통의 크기는 설치 공간과 관련된 제한조건으로 인하여 작아야 하는데, 이러한 구조에서 단일 단위체 구조로 광범위한 소음저감 대역을 구현하는 것이 난해하였다.

종래기술로는 공개특허 제10-2013-0064299(2013.06.18)를 참조할 수 있다.

본 발명은 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시키는 복수 개의 소음저감 단위체를 배기가 유입되는 유입구와 배기가 유출되는 유출구의 중심이 일치하는 직관 구조를 이루어, 복수 개의 헬름홀쯔 공명기가 직렬로 연결되어 있는 구조와, 1/4 파장관 구조로 배열됨에 따라, 상기 소음저감 단위체를 이루는 복수 개의 벽체들이 배기유동관을 유동하는 배기의 흐름을 방해하지 않으면서 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시키도록 해, 종래보다 넓은 배기소음저감 대역을 가지는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러는 내연기관의 배기관에 장착되는 것으로, 일측에는 내연기관의 배기가 유입되는 유입구를 형성하고, 대향진 타측에는 배기가 유출되는 유출구를 형성하며, 내부에는 배기가 일측에서 타측으로 유동하는 유동통로를 형성한 배기유동관; 및 상기 배기유동관의 길이방향으로 따라 내부에 구비되어, 상기 배기유동관을 따라 유동하는 배기소음 중 해당 주파수 대역의 소음을 감쇠하는 복수 개의 소음저감 단위체를 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 복수 개의 소음저감 단위체는 1~2000Hz의 주파수 범위 중 296~367Hz, 374~804Hz, 962~1349Hz, 1401~1784Hz, 1824~2000Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠하는 제1소음저감 단위체와, 상기 제1소음저감 단위체의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 368~373Hz, 805~882Hz, 1350~1400Hz, 1785~1823Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠하는 제2소음저감 단위체와, 상기 제1 및 제2소음저감 단위체의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 883~961Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠하는 제3소음저감 단위체와, 상기 제1, 제2, 제3소음저감 단위체의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 277Hz ~ 295Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠하는 제4소음저감 단위체와, 상기 제1, 제2, 제3, 제4소음저감 단위체의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 102~276Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠하는 제5소음저감 단위체를 포함한다.

여기서 본 발명에 따른 상기 제1소음저감 단위체는 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제1전방외벽체와, 상기 제1전방외벽체와 일정 거리를 두고 이격되어, 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제1후방외벽체와, 상기 제1전방외벽체 및 제1후방외벽체의 끝단에서 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관의 길이방향과 평행을 이루는 제1-1내벽체와, 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제1-1내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제1-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제1-2내벽체와, 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제1-2내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제1-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제1-3내벽체와, 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제1-3내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제1-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제1-4내벽체를 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체 간의 이격 거리는 104mm이고, 상기 제1-1내벽체의 길이는 8mm이며, 상기 제1-2내벽체의 길이는 14mm이고, 상기 제1-1내벽체를 기준으로 제1-1내벽체와의 이격 거리는 26mm이며, 상기 제1-3내벽체의 길이는 42mm이고, 상기 제1-1내벽체를 기준으로 제1-1내벽체와의 이격 거리는 62mm이며, 상기 제1-4내벽체의 길이는 46mm이고, 상기 제1-1내벽체를 기준으로 제1-1내벽체와의 이격 거리는 76mm인 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 상기 제2소음저감 단위체는 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제2전방외벽체와, 상기 제2전방외벽체와 일정 거리를 두고 이격되어, 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제2후방외벽체와, 상기 제2전방외벽체 및 제2후방외벽체의 끝단에서 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관의 길이방향과 평행을 이루는 제2-1내벽체와, 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제2-1내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제2-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제2-2내벽체와, 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제2-2내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제2-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제2-3내벽체와, 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제2-3내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제2-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제2-4내벽체를 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체 간의 이격 거리는 144mm이고, 상기 제2-1내벽체의 길이는 24mm이며, 상기 제2-2내벽체의 길이는 20mm이고, 상기 제2-1내벽체를 기준으로 제2-1내벽체와의 이격 거리는 16mm이며, 상기 제2-3내벽체의 길이는 20mm이고, 상기 제2-1내벽체를 기준으로 제2-1내벽체와의 이격 거리는 112mm이며, 상기 제2-4내벽체의 길이는 56mm이고, 상기 제2-1내벽체를 기준으로 제2-1내벽체와의 이격 거리는 124mm인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 상기 제3소음저감 단위체는 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제3전방외벽체와, 상기 제3전방외벽체와 일정 거리를 두고 이격되어, 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제3후방외벽체와, 상기 제3전방외벽체 및 제3후방외벽체의 끝단에서 상기 제3전방외벽체와 제3후방외벽체 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관의 길이방향과 평행을 이루는 제3-1내벽체와, 상기 제3전방외벽체와 제3후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제3-1내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제3전방외벽체와 제3후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제3-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제3-2내벽체를 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 제3전방외벽체와 제3후방외벽체 간의 이격 거리는 184mm이고, 상기 제3-1내벽체의 길이는 34mm이며, 상기 제3-2내벽체의 길이는 52mm이고, 상기 제3-1내벽체를 기준으로 제3-1내벽체와의 이격 거리는 154mm인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 상기 제4소음저감 단위체는 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제4전방외벽체와, 상기 제4전방외벽체와 일정 거리를 두고 이격되어, 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제4후방외벽체와, 상기 제4전방외벽체 및 제4후방외벽체의 끝단에서 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관의 길이방향과 평행을 이루는 제4-1내벽체와, 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제4-1내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제4-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제4-2내벽체와, 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제4-2내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제4-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제4-3내벽체와, 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제4-3내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제4-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제4-4내벽체를 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체 간의 이격 거리는 188mm이고, 상기 제4-1내벽체의 길이는 42mm이며, 상기 제4-2내벽체의 길이는 18mm이고, 상기 제4-1내벽체를 기준으로 제4-1내벽체와의 이격 거리는 68mm이며, 상기 제4-3내벽체의 길이는 66mm이고, 상기 제4-1내벽체를 기준으로 제4-1내벽체와의 이격 거리는 120mm이며, 상기 제4-4내벽체의 길이는 78mm이고, 상기 제4-1내벽체를 기준으로 제4-1내벽체와의 이격 거리는 128mm인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 상기 제5소음저감 단위체는 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제5전방외벽체와, 상기 제5전방외벽체와 일정 거리를 두고 이격되어, 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제5후방외벽체와, 상기 제5전방외벽체 및 제5후방외벽체의 끝단에서 상기 제5전방외벽체와 제5후방외벽체 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관의 길이방향과 평행을 이루는 제5-1내벽체와, 상기 제5-1내벽체의 끝단에서 상기 제5전방외벽체와 제5후방외벽체의 사이인 내부를 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제5전방외벽체와 제5후방외벽체의 길이와 평행을 이루는 제5-2내벽체를 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 제5전방외벽체와 제5후방외벽체 간의 이격 거리는 392mm이고, 상기 제5-1내벽체의 길이는 182mm이며, 상기 제5-2내벽체의 길이는 54mm인 것이 바람직하다.

더불어 본 발명에 따른 상기 제1소음저감 단위체 내지 제5소음저감 단위체 각각은 한 쌍으로 구비될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 상기 소음저감 단위체는 상기 제1소음저감 단위체, 상기 제2소음저감 단위체, 상기 제3소음저감 단위체, 상기 제4소음저감 단위체, 및 제5소음저감 단위체 순으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 소음저감 단위체는 상기 제1소음저감 단위체 내지 제5소음저감 단위체 중 선택된 어느 한 소음저감 단위체로만 구비될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 소음저감 단위체는 상기 제1소음저감 단위체 내지 제5소음저감 단위체 중 선택된 2 이상의 소음저감 단위체로만 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.

해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시키는 복수 개의 소음저감 단위체를 배기가 유입되는 유입구와 배기가 유출되는 유출구의 중심이 일치하는 직관 구조를 이루어, 복수 개의 헬름홀쯔 공명기가 직렬로 연결되어 있는 구조와, 1/4 파장관 구조로 배열됨에 따라, 상기 소음저감 단위체를 이루는 복수 개의 벽체들이 배기유동관을 유동하는 배기의 흐름을 방해하지 않으면서 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시키도록 해, 종래보다 넓은 배기소음저감 대역을 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러를 보인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러의 단면을 보인 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1소음저감 단위체의 단면을 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1소음저감 단위체의 분산곡선(a) 및 밴드캡(b)의 해석 결과를 보인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2소음저감 단위체의 단면을 보인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2소음저감 단위체의 분산곡선(a) 및 밴드캡(b)의 해석 결과를 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제3소음저감 단위체의 단면을 보인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제3소음저감 단위체의 분산곡선(a) 및 밴드캡(b)의 해석 결과를 보인 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제4소음저감 단위체의 단면을 보인 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제4소음저감 단위체의 분산곡선(a) 및 밴드캡(b)의 해석 결과를 보인 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제5소음저감 단위체의 단면을 보인 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제5소음저감 단위체의 분산곡선(a) 및 밴드캡(b)의 해석 결과를 보인 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러에 의해 1~2000Hz의 주파수 대역에서 획득한 삽입손실 곡선을 보인 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러에 의해 1~6000Hz의 주파수 대역에서 획득한 삽입손실 곡선을 보인 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

먼저, 메타물질은 자연계에서 찾아 볼 수 없는 특이한 성질을 가지도록 인위적으로 설계된 물질이며, 단위체의 반복배열로 메타물질이 구성된다.

음향 메타물질은 음파와 같은 파동에너지를 제어할 수 있으며, 음향 메타물질의 음향 특성은 단위체에 대한 음향 해석으로 얻어진 분산 곡선(dispersion curve)에서 알 수 있는데, 파수가 허수로 되는 구간인 밴드갭(band gap)이 소음저감 대역과 일치한다.

즉, 밴드갭 구간은 단위체를 반복배열하여 음향 메타물질 구현 시 투과되는 소음이 입사되는 소음에 비하여 감소하는 주파수 구간이 된다.

본 발명은 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시키는 복수 개의 소음저감 단위체를 배기가 유입되는 유입구와 배기가 유출되는 유출구의 중심이 일치하는 직관 구조로 배열하여, 상기 소음저감 단위체를 이루는 복수 개의 벽체들이 배기유동관을 유동하는 배기의 흐름을 방해하지 않으면서 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시켜 배기소음을 저감하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1 내지 도 14를 참조한 본 발명의 일 실시 예에 따른 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러는 대형 내연기관의 배기관에 장착되는 것으로, 배기유동관(1000)과, 복수 개의 소음저감 단위체(2000)를 포함하는데, 상기 배기유동관(1000)은 일측에는 내연기관의 배기가 유입되는 유입구(1001)를 형성하고, 대향진 타측에는 배기가 유출되는 유출구(1002)를 형성하며, 내부에는 배기가 일측에서 타측으로 유동하는 유동통로(1003)를 형성한다.

이때 상기 배기유동관(1000)은 둘레가 원형인 직관 형태로, 상기 배기가 유입되는 유입구(1001) 및 배기가 유출되는 유출구(1002)의 지름은 상기 배기유동관(1000)의 지름보다 작게 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 소음저감 단위체(2000)는 복수 개로, 상기 배기유동관(1000)의 길이방향으로 따라 구비되어, 상기 배기유동관(1000)을 따라 유동하는 배기소음 중 해당 주파수 대역의 소음을 감쇠한다.

상기 소음저감 단위체(2000)는 제1소음저감 단위체(2100), 제2소음저감 단위체(2200), 제3소음저감 단위체(2300), 제4소음저감 단위체(2400), 및 제5소음저감 단위체(2500) 총 5종류로 구비되는데, 각 한 쌍씩 배열되어 머플러를 구성한다.

이때 각 소음저감 단위체들(2100, 2200, 2300, 2400, 2500)의 밴드갭이 되도록 일치되지 않도록, 5종류의 소음저감 단위체들(2100, 2200, 2300, 2400, 2500)의 내부 구조 치수를 서로 다르게 설정할 수 있다.

또한, 상기한 소음저감 단위체(2000)는 꼭 5종류일 필요는 없고, 상기한 5종류 중 선택된 2종류 이상의 소음저감 단위체들(2100, 2200, 2300, 2400, 2500)로 구비하여도, 서로 다르게 설정된 밴드갭을 갖는 소음저감 단위체들(2000)이 구비됨에 따라 광대역의 소음저감 대역을 이룰 수 있다.

도 3 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 각각의 소음저감 단위체들(2100, 2200, 2300, 2400, 2500)을 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 3 및 도 4를 참조한 상기 제1소음저감 단위체(2100)는 1~2000Hz의 주파수 범위 중 296~367Hz, 374~804Hz, 962~1349Hz, 1401~1784Hz, 1824~2000Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠한다.

이때 상기 제1소음저감 단위체(2100)는 제1전방외벽체(2101)와, 제1후방외벽체(2102)와, 제1-1내벽체(2103)와, 제1-2내벽체(2104)와, 제1-3내벽체(2105)와, 제1-4내벽체(2106)를 포함하는데, 내벽체들의 개수, 위치 그리고 길이는 예시일 뿐, 머플러의 설계 조건에 따라 내벽체들의 개수는 4개에 국한되지 않으며, 그 이상 혹은 이하로 다양하게 조절 가능하다.

상기 제1소음저감 단위체(2100)의 일례로, 상기 제1전방외벽체(2101)는 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 직교하게 형성되고, 상기 제1전방외벽체(2101)와 일정 거리를 두고 제1후방외벽체(2102)를 이격 형성하며, 상기 제1후방외벽체(2102) 역시, 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 직교하게 형성되는 것이 바람직하다.

이때 상기 제1전방외벽체(2101)와 제1후방외벽체(2102) 간의 이격 거리는 104mm이고, 상기 제1전방외벽체(2101)와 제1후방외벽체(2102)의 중심에는 배기가 유동할 수 있도록 환상 원판을 이루는 것이 바람직하다.

그리고 상기 제1-1내벽체(2103)는 상기 제1전방외벽체(2101) 및 제1후방외벽체(2102)의 끝단에서 상기 제1전방외벽체(2101)와 제1후방외벽체(2102) 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 평행을 이룬다.

이때 상기 제1-1내벽체(2103)의 길이는 8mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제1전방외벽체(2101) 및 제1후방외벽체(2102)의 끝단에 각각 형성된 상기 제1-1내벽체(2103)들 사이로 배기통로를 따라 유동하는 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

상기 제1-2내벽체(2104)는 상기 제1전방외벽체(2101)와 제1후방외벽체(2102)의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제1-1내벽체(2103)와 해당 거리로 이격되고, 상기 제1전방외벽체(2101)와 제1후방외벽체(2102) 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제1-1내벽체(2103)의 길이와 평행을 이룬다.

이때 상기 제1-2내벽체(2104)의 길이는 14mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제1-1내벽체(2103)를 기준으로 제1-1내벽체(2103)와의 이격 거리는 26mm이며, 상기 제1전방외벽체(2101) 및 제1후방외벽체(2102)의 내측면에 각각 형성된 상기 제1-2내벽체(2104)들 사이로 상기 제1-1내벽체(2103) 사이를 통과한 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

상기 제1-3내벽체(2105)는 상기 제1전방외벽체(2101)와 제1후방외벽체(2102)의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제1-2내벽체(2104)와 해당 거리로 이격되고, 상기 제1전방외벽체(2101)와 제1후방외벽체(2102) 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제1-1내벽체(2103)의 길이와 평행을 이룬다.

이때 상기 제1-3내벽체(2105)의 길이는 42mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제1-1내벽체(2103)를 기준으로 제1-1내벽체(2103)와의 이격 거리는 62mm이며, 상기 제1전방외벽체(2101) 및 제1후방외벽체(2102)의 내측면에 각각 형성된 상기 제1-3내벽체(2105)들 사이로 상기 제1-2내벽체(2104) 사이를 통과한 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

상기 제1-4내벽체(2106)는 상기 제1전방외벽체(2101)와 제1후방외벽체(2102)의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제1-3내벽체(2105)와 해당 거리로 이격되고, 상기 제1전방외벽체(2101)와 제1후방외벽체(2102) 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제1-1내벽체(2103)의 길이와 평행을 이룬다.

이때 상기 제1-4내벽체(2106)의 길이는 46mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제1-1내벽체(2103)를 기준으로 제1-1내벽체(2103)와의 이격 거리는 76mm이며, 상기 제1전방외벽체(2101) 및 제1후방외벽체(2102)의 내측면에 각각 형성된 상기 제1-4내벽체(2106)들 사이로 상기 제1-3내벽체(2105) 사이를 통과한 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

따라서 상기 제1-1내벽체(2103)와, 제1-2내벽체(2104)와, 제1-3내벽체(2105)와, 제1-4내벽체(2106)의 길이는 서로 평행을 이루고, 상기 제1전방외벽체(2101)와 제1후방외벽체(2102)에 각각 형성되어, 상기 제1전방외벽체(2101)와 제1후방외벽체(2102)의 사이인 내부 중심을 기준으로 좌, 우 대칭을 이룬다.

또한, 상기 배기유동관(1000)의 중심축을 기준으로 회전한 형상으로 이와 같이 제1소음저감 단위체(2100)의 상기 제1-1내벽체(2103)와, 제1-2내벽체(2104)와, 제1-3내벽체(2105)와, 제1-4내벽체(2106)는 축 대칭 형태를 이루는 것이 바람직하다.

더불어 상기 제1-1내벽체(2103)와, 제1-2내벽체(2104)와, 제1-3내벽체(2105)와, 제1-4내벽체(2106)에 의해 분할된 공동은 복수 개의 헬름홀쯔 공명기가 직렬로 연결된 구조와, 1/4 파장관 구조를 이루어 배기소음을 저감할 수 있다.

그러므로 도 4는 상기 제1소음저감 단위체(2100)에 따른 분산곡선과 밴드갭 구간을 보인 것으로, 상기 제1소음저감 단위체(2100)는 1~2000Hz의 주파수 대역 중 296~367Hz, 374~804Hz, 962~1349Hz, 1401~1784Hz 그리고 1824~2000Hz 범위의 소음저감 대역을 형성하여, 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시켜 배기소음 저감한다.

그리고 도 5 및 도 6을 참조한 상기 제2소음저감 단위체(2200)는 상기 제1소음저감 단위체(2100)의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 368~373Hz, 805~882Hz, 1350~1400Hz, 1785~1823Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠한다.

이때 상기 제2소음저감 단위체(2200)는 제2전방외벽체(2201)와, 제2후방외벽체(2202)와, 제2-1내벽체(2203)와, 제2-2내벽체(2204)와, 제2-3내벽체(2205)와, 제2-4내벽체(2206)를 포함하는데, 내벽체들의 개수, 위치 그리고 길이는 예시일 뿐, 머플러의 설계 조건에 따라 내벽체들의 개수는 4개에 국한되지 않으며, 그 이상 혹은 이하로 다양하게 조절 가능하다.

상기 제2소음저감 단위체(2200)의 일례로, 상기 제2전방외벽체(2201)는 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 직교하게 형성되고, 상기 제2전방외벽체(2201)와 일정 거리를 두고 제2후방외벽체(2202)를 이격 형성하며, 상기 제2후방외벽체(2202) 역시, 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 직교하게 형성되는 것이 바람직하다.

이때 상기 제2전방외벽체(2201)와 제2후방외벽체(2202) 간의 이격 거리는 144mm이고, 상기 제2전방외벽체(2201)와 제2후방외벽체(2202)의 중심에는 배기가 유동할 수 있도록 환상 원판을 이루는 것이 바람직하다.

그리고 상기 제2-1내벽체(2203)는 상기 제2전방외벽체(2201) 및 제2후방외벽체(2202)의 끝단에서 상기 제2전방외벽체(2201)와 제2후방외벽체(2202) 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 평행을 이룬다.

이때 상기 제2-1내벽체(2203)의 길이는 20mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제2전방외벽체(2201) 및 제2후방외벽체(2202)의 끝단에 각각 형성된 상기 제2-1내벽체(2203)들 사이로 배기통로를 따라 유동하는 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

상기 제2-2내벽체(2204)는 상기 제2전방외벽체(2201)와 제2후방외벽체(2202)의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제2-1내벽체(2203)와 해당 거리로 이격되고, 상기 제2전방외벽체(2201)와 제2후방외벽체(2202) 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제2-1내벽체(2203)의 길이와 평행을 이룬다.

이때 상기 제2-2내벽체(2204)의 길이는 20mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제2-1내벽체(2203)를 기준으로 제2-1내벽체(2203)와의 이격 거리는 16mm이며, 상기 제2전방외벽체(2201) 및 제2후방외벽체(2202)의 내측면에 각각 형성된 상기 제2-2내벽체(2204)들 사이로 상기 제2-1내벽체(2203) 사이를 통과한 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

상기 제2-3내벽체(2205)는 상기 제2전방외벽체(2201)와 제2후방외벽체(2202)의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제2-2내벽체(2204)와 해당 거리로 이격되고, 상기 제2전방외벽체(2201)와 제2후방외벽체(2202) 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제2-1내벽체(2103)의 길이와 평행을 이룬다.

이때 상기 제2-3내벽체(2205)의 길이는 20mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제2-1내벽체(2203)를 기준으로 제2-1내벽체(2203)와의 이격 거리는 112mm이며, 상기 제2전방외벽체(2201) 및 제2후방외벽체(2202)의 내측면에 각각 형성된 상기 제2-3내벽체(2205)들 사이로 상기 제2-2내벽체(2204) 사이를 통과한 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

상기 제2-4내벽체(2206)는 상기 제2전방외벽체(2201)와 제2후방외벽체(2202)의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제2-3내벽체(2205)와 해당 거리로 이격되고, 상기 제2전방외벽체(2201)와 제2후방외벽체(2202) 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제2-1내벽체(2203)의 길이와 평행을 이룬다.

이때 상기 제2-4내벽체(2206)의 길이는 56mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제2-1내벽체(2203)를 기준으로 제2-1내벽체(2203)와의 이격 거리는 124mm이며, 상기 제2전방외벽체(2201) 및 제2후방외벽체(2202)의 내측면에 각각 형성된 상기 제2-4내벽체(2206)들 사이로 상기 제2-3내벽체(2205) 사이를 통과한 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

따라서 상기 제2-1내벽체(2203)와, 제2-2내벽체(2204)와, 제2-3내벽체(2205)와, 제2-4내벽체(2206)의 길이는 서로 평행을 이루고, 상기 제2전방외벽체(2201)와 제2후방외벽체(2202)에 각각 형성되어, 상기 제2전방외벽체(2201)와 제2후방외벽체(2202)의 사이인 내부 중심을 기준으로 좌, 우 대칭을 이룬다.

또한, 상기 배기유동관(1000)의 중심축을 기준으로 회전한 형상으로 이와 같이 제2소음저감 단위체(2200)의 상기 제2-1내벽체(2203)와, 제2-2내벽체(2204)와, 제2-3내벽체(2205)와, 제2-4내벽체(2206)는 축 대칭 형태를 이루는 것이 바람직하다.

더불어 상기 제2-1내벽체(2203)와, 제2-2내벽체(2204)와, 제2-3내벽체(2205)와, 제2-4내벽체(2206)에 의해 분할된 공동은 복수 개의 헬름홀쯔 공명기가 직렬로 연결된 구조와, 1/4 파장관 구조를 이루어 배기소음을 저감할 수 있다.

그러므로 도 6은 상기 제2소음저감 단위체(2200)에 따른 분산곡선과 밴드갭 구간을 보인 것으로, 상기 제2소음저감 단위체(2200)는 1~2000Hz 주파수 대역 중 309~399Hz, 427~882Hz, 1010~1255Hz, 1338~1630Hz, 1669~1670Hz, 1739~1752Hz, 그리고 1780~1975Hz 범위의 소음저감 대역을 형성하여, 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시켜 배기소음 저감한다.

여기서 상기 제2소음저감 단위체(2200)는 상기 제1소음저감 단위체(2100)의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 368~373Hz, 805~882Hz, 1350~1400Hz, 1785~1823Hz에 소음저감 대역을 보유하며, 상기 제1소음저감 단위체(2100) 및 상기 제2소음저감 단위체(2200)를 혼용하여 사용할 경우, 296~882Hz 그리고 962~2000Hz의 넓은 소음저감 대역을 획득할 수 있다.

그리고 도 7 및 도 8을 참조한 상기 제3소음저감 단위체(2300)는 상기 제1 및 제2소음저감 단위체(2100, 2200)의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 883~961Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠한다.

이때 상기 제3소음저감 단위체(2300)는 제3전방외벽체(2301)와, 제3후방외벽체(2302)와, 제3-1내벽체(2303)와, 제3-2내벽체(2304)를 포함하는데, 내벽체들의 개수, 위치 그리고 길이는 예시일 뿐, 머플러의 설계 조건에 따라 내벽체들의 개수는 2개에 국한되지 않으며, 그 이상 혹은 이하로 다양하게 조절 가능하다.

상기 제3소음저감 단위체(2300)의 일례로, 상기 제3전방외벽체(2301)는 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 직교하게 형성되고, 상기 제3전방외벽체(2301)와 일정 거리를 두고 제3후방외벽체(2302)를 이격 형성하며, 상기 제3후방외벽체(2302) 역시, 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 직교하게 형성되는 것이 바람직하다.

이때 상기 제3전방외벽체(2301)와 제3후방외벽체(2302) 간의 이격 거리는 184mm이고, 상기 제3전방외벽체(2301)와 제3후방외벽체(2302)의 중심에는 배기가 유동할 수 있도록 환상 원판을 이루는 것이 바람직하다.

그리고 상기 제3-1내벽체(2303)는 상기 제3전방외벽체(2301) 및 제3후방외벽체(2302)의 끝단에서 상기 제3전방외벽체(2301)와 제3후방외벽체(2302) 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 평행을 이룬다.

이때 상기 제3-1내벽체(2303)의 길이는 34mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제3전방외벽체(2301) 및 제3후방외벽체(2302)의 끝단에 각각 형성된 상기 제3-1내벽체(2303)들 사이로 배기통로를 따라 유동하는 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

상기 제3-2내벽체(2304)는 상기 제3전방외벽체(2301)와 제3후방외벽체(2302)의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제3-1내벽체(2303)와 해당 거리로 이격되고, 상기 제3전방외벽체(2301)와 제3후방외벽체(2302) 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제3-1내벽체(2303)의 길이와 평행을 이룬다.

이때 상기 제3-2내벽체(2304)의 길이는 52mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제3-1내벽체(2303)를 기준으로 제3-1내벽체(2303)와의 이격 거리는 154mm이며, 상기 제3전방외벽체(2301) 및 제3후방외벽체(2302)의 내측면에 각각 형성된 상기 제3-2내벽체(2304)들 사이로 상기 제3-1내벽체(2303) 사이를 통과한 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

따라서 상기 제3-1내벽체(2303)와, 제3-2내벽체(2304)의 길이는 서로 평행을 이루고, 상기 제3전방외벽체(2301)와 제3후방외벽체(2302)에 각각 형성되어, 상기 제3전방외벽체(2301)와 제3후방외벽체(2302)의 사이인 내부 중심을 기준으로 좌, 우 대칭을 이룬다.

또한, 상기 배기유동관(1000)의 중심축을 기준으로 회전한 형상으로 이와 같이 제3소음저감 단위체(2300)의 상기 제3-1내벽체(2303)와, 제3-2내벽체(2304)는 축 대칭 형태를 이루는 것이 바람직하다.

더불어 상기 제3-1내벽체(2303)와, 제3-2내벽체(2304)에 의해 분할된 공동은 복수 개의 헬름홀쯔 공명기가 직렬로 연결된 구조와, 1/4 파장관 구조를 이루어 배기소음을 저감할 수 있다.

그러므로 도 8은 상기 제3소음저감 단위체(2300)에 따른 분산곡선과 밴드갭 구간을 보인 것으로, 상기 제3소음저감 단위체(2300)는 1~2000Hz 주파수 대역 중 297~489Hz, 496~964Hz, 1240~1292Hz, 1295~1432Hz, 1568~1714Hz, 1735~1737Hz, 1860~1936Hz 범위의 소음저감 대역을 형성하여, 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시켜 배기소음 저감한다.

여기서 상기 제3소음저감 단위체(2300)는 상기 제1소음저감 단위체(2100) 및 제2소음저감 단위체(2200)의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 883~961Hz에 소음저감 대역을 보유하며, 상기 제1소음저감 단위체(2100), 상기 제2소음저감 단위체(2200), 및 상기 제3소음저감 단위체(2300)를 혼용하여 사용할 경우, 296Hz~2000 Hz의 넓은 소음저감 대역을 획득할 수 있다.

그리고 도 9 및 도 10을 참조한 상기 제4소음저감 단위체(2400)는 상기 제1, 제2, 제3소음저감 단위체(2100, 2200, 2300)의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 277Hz ~ 295Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠한다.

이때 상기 제4소음저감 단위체(2400)는 제4전방외벽체(2401)와, 제4후방외벽체(2402)와, 제4-1내벽체(2403)와, 제4-2내벽체(2404)와, 제4-3내벽체(2405)와, 제4-4내벽체(2406)를 포함하는데, 내벽체들의 개수, 위치 그리고 길이는 예시일 뿐, 머플러의 설계 조건에 따라 내벽체들의 개수는 4개에 국한되지 않으며, 그 이상 혹은 이하로 다양하게 조절 가능하다.

상기 제4소음저감 단위체(2400)의 일례로, 상기 제4전방외벽체(2401)는 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 직교하게 형성되고, 상기 제4전방외벽체(2401)와 일정 거리를 두고 제4후방외벽체(2402)를 이격 형성하며, 상기 제4후방외벽체(2402) 역시, 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 직교하게 형성되는 것이 바람직하다.

이때 상기 제4전방외벽체(2401)와 제4후방외벽체(2402) 간의 이격 거리는 188mm이고, 상기 제4전방외벽체(2401)와 제4후방외벽체(2402)의 중심에는 배기가 유동할 수 있도록 환상 원판을 이루는 것이 바람직하다.

그리고 상기 제4-1내벽체(2403)는 상기 제4전방외벽체(2401) 및 제4후방외벽체(2402)의 끝단에서 상기 제4전방외벽체(2401)와 제4후방외벽체(2402) 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 평행을 이룬다.

이때 상기 제4-1내벽체(2403)의 길이는 42mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제4전방외벽체(2401) 및 제4후방외벽체(2402)의 끝단에 각각 형성된 상기 제4-1내벽체(2403)들 사이로 배기통로를 따라 유동하는 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

상기 제4-2내벽체(2404)는 상기 제4전방외벽체(2401)와 제4후방외벽체(2402)의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제4-1내벽체(2403)와 해당 거리로 이격되고, 상기 제4전방외벽체(2401)와 제4후방외벽체(2402) 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제4-1내벽체(2403)의 길이와 평행을 이룬다.

이때 상기 제4-2내벽체(2404)의 길이는 18mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제4-1내벽체(2403)를 기준으로 제4-1내벽체(2403)와의 이격 거리는 68mm이며, 상기 제4전방외벽체(2401) 및 제4후방외벽체(2402)의 내측면에 각각 형성된 상기 제4-2내벽체(2404)들 사이로 상기 제4-1내벽체(2403) 사이를 통과한 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

상기 제4-3내벽체(2405)는 상기 제4전방외벽체(2401)와 제4후방외벽체(2402)의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제4-2내벽체(2404)와 해당 거리로 이격되고, 상기 제4전방외벽체(2401)와 제4후방외벽체(2402) 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제4-1내벽체(2403)의 길이와 평행을 이룬다.

이때 상기 제4-3내벽체(2405)의 길이는 66mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제4-1내벽체(2403)를 기준으로 제4-1내벽체(2403)와의 이격 거리는 120mm이며, 상기 제4전방외벽체(2401) 및 제4후방외벽체(2402)의 내측면에 각각 형성된 상기 제4-3내벽체(2405)들 사이로 상기 제4-2내벽체(2404) 사이를 통과한 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

상기 제4-4내벽체(2406)는 상기 제4전방외벽체(2401)와 제4후방외벽체(2402)의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제4-3내벽체(2405)와 해당 거리로 이격되고, 상기 제4전방외벽체(2401)와 제4후방외벽체(2402) 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제4-1내벽체(2403)의 길이와 평행을 이룬다.

이때 상기 제4-4내벽체(2406)의 길이는 78mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제4-1내벽체(2403)를 기준으로 제4-1내벽체(2403)와의 이격 거리는 128mm이며, 상기 제4전방외벽체(2401) 및 제4후방외벽체(2402)의 내측면에 각각 형성된 상기 제4-4내벽체(2406)들 사이로 상기 제4-3내벽체(2405) 사이를 통과한 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

따라서 상기 제4-1내벽체(2403)와, 제4-2내벽체(2404)와, 제4-3내벽체(2405)와, 제4-4내벽체(2406)의 길이는 서로 평행을 이루고, 상기 제4전방외벽체(2401)와 제4후방외벽체(2402)에 각각 형성되어, 상기 제4전방외벽체(2401)와 제4후방외벽체(2402)의 사이인 내부 중심을 기준으로 좌, 우 대칭을 이룬다.

또한, 상기 배기유동관(1000)의 중심축을 기준으로 회전한 형상으로 이와 같이 제4소음저감 단위체(2400)의 상기 제4-1내벽체(2403)와, 제4-2내벽체(2404)와, 제4-3내벽체(2405)와, 제4-4내벽체(2406)는 축 대칭 형태를 이루는 것이 바람직하다.

더불어 상기 제4-1내벽체(2403)와, 제4-2내벽체(2404)와, 제4-3내벽체(2405)와, 제4-4내벽체(2406)에 의해 분할된 공동은 복수 개의 헬름홀쯔 공명기가 직렬로 연결된 구조와, 1/4 파장관 구조를 이루어 배기소음을 저감할 수 있다.

그러므로 도 10은 상기 제4소음저감 단위체(2400)에 따른 분산곡선과 밴드갭 구간을 보인 것으로, 상기 제4소음저감 단위체(2400)는 1~2000Hz 주파수 대역 중 277~484Hz, 487~757Hz, 861~1141Hz, 1240~1267Hz, 1273~1321Hz, 1425~1490Hz, 1552~1573Hz, 1579~1647Hz 그리고 1859~1936Hz 범위의 소음저감 대역을 형성하여, 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시켜 배기소음 저감한다.

여기서 상기 제4소음저감 단위체(2400)는 상기 제1소음저감 단위체(2100) 내지 제3소음저감 단위체(2300)의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 277~295Hz에 소음저감 대역을 보유하며, 상기 제1소음저감 단위체(2100) 내지 상기 제4소음저감 단위체(2400)를 혼용하여 사용할 경우, 277~2000Hz의 넓은 소음저감 대역을 획득할 수 있다.

그리고 도 11 및 도 12를 참조한 상기 제5소음저감 단위체(2500)는 상기 제1, 제2, 제3, 제4소음저감 단위체(2100, 2200, 2300, 2400)의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 102~276Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠한다.

이때 상기 제5소음저감 단위체(2500)는 제5전방외벽체(2501)와, 제5후방외벽체(2502)와, 제5-1내벽체(2503)와, 제5-2내벽체(2504)를 포함하는데, 내벽체들의 개수, 위치 그리고 길이는 예시일 뿐, 머플러의 설계 조건에 따라 내벽체들의 개수는 2개에 국한되지 않으며, 그 이상 혹은 이하로 다양하게 조절 가능하다.

상기 제5소음저감 단위체(2500)의 일례로, 상기 제5전방외벽체(2501)는 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 직교하게 형성되고, 상기 제5전방외벽체(2501)와 일정 거리를 두고 제5후방외벽체(2502)를 이격 형성하며, 상기 제5후방외벽체(2502) 역시, 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 직교하게 형성되는 것이 바람직하다.

이때 상기 제5전방외벽체(2501)와 제5후방외벽체(2502) 간의 이격 거리는 392mm이고, 상기 제5전방외벽체(2501)와 제5후방외벽체(2502)의 중심에는 배기가 유동할 수 있도록 환상 원판을 이루는 것이 바람직하다.

그리고 상기 제5-1내벽체(2503)는 상기 제5전방외벽체(2501) 및 제5후방외벽체(2502)의 끝단에서 상기 제5전방외벽체(2501)와 제5후방외벽체(2502) 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관(1000)의 길이방향과 평행을 이룬다.

이때 상기 제5-1내벽체(2503)의 길이는 182mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제5전방외벽체(2501) 및 제5후방외벽체(2502)의 끝단에 각각 형성된 상기 제5-1내벽체(2503)들 사이로 배기통로(1003)를 따라 유동하는 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

상기 제5-2내벽체(2504)는 상기 제5-1내벽체(2503)의 끝단에서 상기 제5전방외벽체(2501)와 제5후방외벽체(2502)의 사이인 내부를 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제5전방외벽체(2501)와 제5후방외벽체(2502)의 길이와 평행을 이룬다.

이때 상기 제5-2내벽체(2504)의 길이는 54mm로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제5-1내벽체(2503)의 끝단에 각각 형성된 상기 제5-2내벽체(2504)들 사이로 배기통로(1003)를 따라 유동하는 배기의 음파와 같은 파동에너지가 입사된다.

따라서 서로 직교하는 상기 제5-1내벽체(2503)와, 제5-2내벽체(2504)는 상기 제5전방외벽체(2501)와 제5후방외벽체(2502)에 각각 형성되어, 상기 제5전방외벽체(2501)와 제5후방외벽체(2502)의 사이인 내부 중심을 기준으로 좌, 우 대칭을 이룬다.

또한, 상기 배기유동관(1000)의 중심축을 기준으로 회전한 형상으로 이와 같이 제5소음저감 단위체(2500)의 상기 제5-1내벽체(2503)와, 제5-2내벽체(2504)는 축 대칭 형태를 이루는 것이 바람직하다.

더불어 상기 제5-1내벽체(2503)와, 제5-2내벽체(2504)에 의해 형성된 공동은 헬름홀쯔 공명기 구조와, 1/4 파장관 구조를 이루어 배기소음을 저감할 수 있다.

그러므로 도 12는 상기 제5소음저감 단위체(2500)에 따른 분산곡선과 밴드갭 구간을 보인 것으로, 상기 제5소음저감 단위체(2500)는 1~2000Hz 주파수 대역 중 102~303Hz, 470~552Hz, 650~708Hz, 1156~1160Hz, 1195~1247Hz, 1438~1442Hz, 1718~1734Hz, 1897~1908Hz, 그리고 1940~1970Hz 범위의 소음저감 대역을 형성하여, 해당 주파수 대역의 배기소음을 감쇠시켜 배기소음 저감한다.

여기서 상기 제5소음저감 단위체(2500)는 상기 제1소음저감 단위체(2100) 내지 제4소음저감 단위체(2400)의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 102~276Hz에 소음저감 대역을 보유하며, 상기 제1소음저감 단위체(2100) 내지 상기 제5소음저감 단위체(2500)를 혼용하여 사용할 경우, 102~2000Hz의 넓은 소음저감 대역을 획득할 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러에 의해 1~2000Hz의 주파수 대역에서 획득한 삽입손실 곡선을 보인 그래프로, 본 발명에 의해 배기소음이 효과적으로 저감되는 것을 확인할 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러에 의해 1~6000Hz의 주파수 대역에서 획득한 삽입손실 곡선을 보인 그래프로, 본 발명에 의해 배기소음이 효과적으로 저감되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1000: 배기유동관 1001: 유입구
1002: 유출구 1003: 유동통로
2000: 소음저감 단위체 2100: 제1소음저감 단위체
2101: 제1전방외벽체 2102: 제1후방외벽체
2103: 제1-1내벽체 2104: 제1-2내벽체
2105: 제1-3내벽체 2106: 제1-4내벽체
2200: 제2소음저감 단위체 2201: 제2전방외벽체
2202: 제2후방외벽체 2203: 제2-1내벽체
2204: 제2-2내벽체 2205: 제2-3내벽체
2206: 제2-4내벽체 2300: 제3소음저감 단위체
2301: 제3전방외벽체 2302: 제3후방외벽체
2303: 제3-1내벽체 2304: 제3-2내벽체
2400: 제4소음저감 단위체 2401: 제4전방외벽체
2402: 제4후방외벽체 2403: 제4-1내벽체
2404: 제4-2내벽체 2405: 제4-3내벽체
2406: 제4-4내벽체 2500: 제5소음저감 단위체
2501: 제5전방외벽체 2502: 제5후방외벽체
2503: 제5-1내벽체 2504: 제5-2내벽체

Claims (16)

1. 내연기관의 배기관에 장착되는 것으로,
   일측에는 내연기관의 배기가 유입되는 유입구를 형성하고, 대향진 타측에는 배기가 유출되는 유출구를 형성하며, 내부에는 배기가 일측에서 타측으로 유동하는 유동통로를 형성한 배기유동관; 및
   상기 배기유동관의 길이방향으로 따라 내부에 구비되어, 상기 배기유동관을 따라 유동하는 배기소음 중 해당 주파수 대역의 소음을 감쇠하는 복수 개의 소음저감 단위체를 포함하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수 개의 소음저감 단위체는
   1~2000Hz의 주파수 범위 중 296~367Hz, 374~804Hz, 962~1349Hz, 1401~1784Hz, 1824~2000Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠하는 제1소음저감 단위체와,
   상기 제1소음저감 단위체의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 368~373Hz, 805~882Hz, 1350~1400Hz, 1785~1823Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠하는 제2소음저감 단위체와,
   상기 제1 및 제2소음저감 단위체의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 883~961Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠하는 제3소음저감 단위체와,
   상기 제1, 제2, 제3소음저감 단위체의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 277Hz ~ 295Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠하는 제4소음저감 단위체와,
   상기 제1, 제2, 제3, 제4소음저감 단위체의 소음저감 대역이 형성되어 있지 않은 주파수 대역 중, 102~276Hz 주파수 대역에 대한 배기 소음을 감쇠하는 제5소음저감 단위체를 포함하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1소음저감 단위체는
   상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제1전방외벽체와,
   상기 제1전방외벽체와 일정 거리를 두고 이격되어, 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제1후방외벽체와,
   상기 제1전방외벽체 및 제1후방외벽체의 끝단에서 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관의 길이방향과 평행을 이루는 제1-1내벽체와,
   상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제1-1내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제1-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제1-2내벽체와,
   상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제1-2내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제1-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제1-3내벽체와,
   상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제1-3내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제1-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제1-4내벽체를 포함하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1전방외벽체와 제1후방외벽체 간의 이격 거리는 104mm이고, 상기 제1-1내벽체의 길이는 8mm이며,
   상기 제1-2내벽체의 길이는 14mm이고, 상기 제1-1내벽체를 기준으로 제1-1내벽체와의 이격 거리는 26mm이며,
   상기 제1-3내벽체의 길이는 42mm이고, 상기 제1-1내벽체를 기준으로 제1-1내벽체와의 이격 거리는 62mm이며,
   상기 제1-4내벽체의 길이는 46mm이고, 상기 제1-1내벽체를 기준으로 제1-1내벽체와의 이격 거리는 76mm인 것을 특징으로 하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 제2소음저감 단위체는
   상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제2전방외벽체와,
   상기 제2전방외벽체와 일정 거리를 두고 이격되어, 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제2후방외벽체와,
   상기 제2전방외벽체 및 제2후방외벽체의 끝단에서 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관의 길이방향과 평행을 이루는 제2-1내벽체와,
   상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제2-1내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제2-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제2-2내벽체와,
   상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제2-2내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제2-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제2-3내벽체와,
   상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제2-3내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제2-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제2-4내벽체를 포함하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제2전방외벽체와 제2후방외벽체 간의 이격 거리는 144mm이고, 상기 제2-1내벽체의 길이는 24mm이며,
   상기 제2-2내벽체의 길이는 20mm이고, 상기 제2-1내벽체를 기준으로 제2-1내벽체와의 이격 거리는 16mm이며,
   상기 제2-3내벽체의 길이는 20mm이고, 상기 제2-1내벽체를 기준으로 제2-1내벽체와의 이격 거리는 112mm이며,
   상기 제2-4내벽체의 길이는 56mm이고, 상기 제2-1내벽체를 기준으로 제2-1내벽체와의 이격 거리는 124mm인 것을 특징으로 하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
   
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 제3소음저감 단위체는
   상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제3전방외벽체와,
   상기 제3전방외벽체와 일정 거리를 두고 이격되어, 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제3후방외벽체와,
   상기 제3전방외벽체 및 제3후방외벽체의 끝단에서 상기 제3전방외벽체와 제3후방외벽체 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관의 길이방향과 평행을 이루는 제3-1내벽체와,
   상기 제3전방외벽체와 제3후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제3-1내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제3전방외벽체와 제3후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제3-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제3-2내벽체를 포함하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 제3전방외벽체와 제3후방외벽체 간의 이격 거리는 184mm이고, 상기 제3-1내벽체의 길이는 34mm이며,
   상기 제3-2내벽체의 길이는 52mm이고, 상기 제3-1내벽체를 기준으로 제3-1내벽체와의 이격 거리는 154mm인 것을 특징으로 하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
   
9. 청구항 2에 있어서,
   상기 제4소음저감 단위체는
   상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제4전방외벽체와,
   상기 제4전방외벽체와 일정 거리를 두고 이격되어, 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제4후방외벽체와,
   상기 제4전방외벽체 및 제4후방외벽체의 끝단에서 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관의 길이방향과 평행을 이루는 제4-1내벽체와,
   상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제4-1내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제4-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제4-2내벽체와,
   상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제4-2내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제4-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제4-3내벽체와,
   상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체의 사이인 내부에서 외주방향으로 상기 제4-3내벽체와 해당 거리로 이격되고, 상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제4-1내벽체의 길이와 평행을 이루는 제4-4내벽체를 포함하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제4전방외벽체와 제4후방외벽체 간의 이격 거리는 188mm이고, 상기 제4-1내벽체의 길이는 42mm이며,
    상기 제4-2내벽체의 길이는 18mm이고, 상기 제4-1내벽체를 기준으로 제4-1내벽체와의 이격 거리는 68mm이며,
    상기 제4-3내벽체의 길이는 66mm이고, 상기 제4-1내벽체를 기준으로 제4-1내벽체와의 이격 거리는 120mm이며,
    상기 제4-4내벽체의 길이는 78mm이고, 상기 제4-1내벽체를 기준으로 제4-1내벽체와의 이격 거리는 128mm인 것을 특징으로 하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
    
11. 청구항 2에 있어서,
    상기 제5소음저감 단위체는
    상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제5전방외벽체와,
    상기 제5전방외벽체와 일정 거리를 두고 이격되어, 상기 배기유동관의 길이방향과 직교하게 형성되는 제5후방외벽체와,
    상기 제5전방외벽체 및 제5후방외벽체의 끝단에서 상기 제5전방외벽체와 제5후방외벽체 사이인 내부 중심을 향해 길이를 갖도록 형성되고, 그 길이가 상기 배기유동관의 길이방향과 평행을 이루는 제5-1내벽체와,
    상기 제5-1내벽체의 끝단에서 상기 제5전방외벽체와 제5후방외벽체의 사이인 내부를 향해 길이를 갖도록 형성되며, 그 길이가 상기 제5전방외벽체와 제5후방외벽체의 길이와 평행을 이루는 제5-2내벽체를 포함하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제5전방외벽체와 제5후방외벽체 간의 이격 거리는 392mm이고, 상기 제5-1내벽체의 길이는 182mm이며,
    상기 제5-2내벽체의 길이는 54mm인 것을 특징으로 하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
    
13. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1소음저감 단위체 내지 제5소음저감 단위체 각각은
    한 쌍으로 구비되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
    
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 소음저감 단위체는
    상기 제1소음저감 단위체, 상기 제2소음저감 단위체, 상기 제3소음저감 단위체, 상기 제4소음저감 단위체, 및 제5소음저감 단위체 순으로 구비되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
    
15. 청구항 13에 있어서,
    상기 소음저감 단위체는
    상기 제1소음저감 단위체 내지 제5소음저감 단위체 중 선택된 어느 한 소음저감 단위체로만 구비되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.
    
16. 청구항 13에 있어서,
    상기 소음저감 단위체는
    상기 제1소음저감 단위체 내지 제5소음저감 단위체 중 선택된 2 이상의 소음저감 단위체로만 구비되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 광대역 배기 소음저감을 위한 음향 메타물질 기반 머플러.

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