WO2010147272A1 - 반 능동형 흡음 시스템 및 이를 이용한 흡음 방법 - Google Patents

반 능동형 흡음 시스템 및 이를 이용한 흡음 방법 Download PDF

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    • E04B2001/8495—Solid slabs or blocks with acoustical cavities, with or without acoustical filling the cavities opening onto the face of the element the openings going through from one face to the other face of the element

Definitions

  • the present invention relates to a semi-active sound absorbing system and a sound absorbing method using the same, and more particularly, to provide a sound absorbing performance by arranging porous plates having sound absorbing performance at intervals on a rigid wall.
  • Semi-Active is configured to identify the frequency characteristics of the noise to be absorbed and to actively absorb the noise of a specific frequency by adjusting the distance between the porous plate and the rigid wall according to the frequency characteristic of the noise. ) Sound absorption system and sound absorption method using the same.
  • a sound absorbing technology used to prevent noise there is a method of installing a sound absorbing material (mainly made in the shape of a plate) made of a porous material such as porous concrete on a wall such as an interior, an exterior wall or a door of a building.
  • a sound absorbing material mainly made in the shape of a plate
  • a porous material such as porous concrete
  • FIG. 1 is a schematic view showing a shape in which the porous sound absorbing material 100 is installed on the wall 110.
  • the conventional porous sound absorbing material 100 is formed in a plate shape, and the porous sound absorbing material 100 is formed by the spacer 121 so as to form an air layer 120 behind the wall 110. Installed at intervals with the wall 110 surface.
  • the porous sound absorbing material 100 is generally made of a porous plate in which a plurality of pores 101 in the form of through holes are formed perpendicular to the plate.
  • the radius of the pores 101 formed in the porous sound absorbing material 100, the distance between the pores 101, and the thickness of the porous sound absorbing material 100 are constant at 0.3 mm, 2 mm, and 1 mm, respectively, and the rear air layer
  • the thickness of 120 is changed to 50 mm (FIG. 2), 20 mm (FIG. 3), and 5 mm (FIG. 4), respectively, a graph showing the frequency relationship between sound absorption rate and noise is shown.
  • the frequency band of the sound in which the sound absorption effect is maximized is also changed.
  • the present invention is to solve the above problems, the present invention is to install the porous sound absorbing material in the form of a porous plate on the wall at intervals from the wall, to grasp the frequency characteristics of the generated noise to be suitable for sound absorption of the corresponding frequency By automatically adjusting the gap between the porous sound absorbing material and the wall, it is possible to efficiently absorb sound even if the frequency band of the generated noise changes to maximize the sound absorbing performance.
  • the porous sound absorbing material is spaced on the front surface of the wall so that a rear air layer is formed between the porous sound absorbing material in the form of a porous plate and the wall.
  • the expansion air support is installed in the rear air layer to adjust the thickness of the rear air layer by expansion and contraction, the sound absorption rate by the porous sound absorbing material by analyzing the frequency band of the noise measured by the noise input device
  • the expansion and contraction support device is stretched in accordance with the calculated thickness, there is provided a sound absorption system and a sound absorption method that can maximize the sound absorption effect of the generated noise.
  • a porous plate of a porous material made of a porous plate of a porous material, a plurality of through-hole-shaped pores are formed perpendicular to the plate, the wall to form a rear air layer between the walls A porous sound absorbing plate and spaced at the front of the;
  • An elastic support device configured to be stretched so that the porous sound absorbing plate is installed on the wall at intervals, and the thickness of the rear air layer formed between the porous sound absorbing plate and the wall is variable;
  • a noise input device through which noise is input; Analyzing the frequency of the noise transmitted from the noise input device, and based on the diameter of the pores formed in the porous sound absorbing plate, the distance between the pores and the thickness of the porous sound absorbing plate itself, it is possible to achieve the optimal sound absorption rate for the frequency of the measured noise
  • a semi-active sound absorbing system comprising: a stretch control device for controlling the stretch support device by determining a thickness of the rear air layer to transmit a signal to the stretch support device to make
  • a porous sound absorbing plate made of a porous plate made of a porous material and formed with a plurality of pores in the form of through-holes perpendicularly to the plate is provided between the porous sound absorbing plate and the wall by a stretchable support. Installing at intervals on the front surface of the wall to form a rear air layer; Transmitting a signal of the noise measured by the noise input device through which the noise is input to the expansion and control device; The frequency of the noise transmitted from the noise input device is analyzed by the expansion and control device, and is optimized for the frequency of the measured noise based on the diameter of the pores formed in the porous sound absorbing plate, the distance between the pores, and the thickness of the porous sound absorbing plate itself.
  • the present invention by adjusting the thickness of the rear air layer formed between the porous sound absorbing material and the wall in the form of a porous plate, by analyzing the frequency of the sound to make noise to achieve a high sound absorption rate, to maximize the sound absorption performance of the porous sound absorbing material do.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a shape in which a porous sound absorbing material is installed on a wall according to the prior art.
  • 2 to 4 are graphs showing the change in sound absorption rate according to the thickness of the rear air layer formed between the porous sound absorbing material and the wall, respectively.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a semi-active sound absorption system according to the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram for mathematically arranging the relationship between the thickness of the rear air layer, the thickness of the porous sound absorbing plate, the distance between pores formed in the porous sound absorbing plate, the diameter of the air gap, and the angular frequency of sound.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a semi-active sound absorbing system according to the invention
  • FIG. 6 shows a cross section along line A-A of FIG. 5.
  • the semi-active sound absorbing system includes a porous sound absorbing plate 10 which is provided at intervals on the front surface of the wall 12 so that a rear air layer 13 is formed between the walls 12. do.
  • the porous sound absorbing plate 10 is made of a porous plate formed with a plurality of pores 11 in the form of through holes perpendicular to the plate, and may be made of a porous material such as porous concrete. However, it is not limited to porous concrete.
  • the porous sound absorbing plate 10 is spaced apart from the wall 12 so that the rear air layer 13 is formed between the rear surface of the porous sound absorbing plate 10 and the front surface of the wall 12.
  • the elastic support device 20 that can be stretched so as to vary the thickness of the space between the porous sound-absorbing plate 10 and the wall 12, that is, the rear air layer 13 is provided. That is, the porous sound absorbing plate 10 is installed on the wall 12 at intervals by using the stretchable support device 20.
  • the stretchable support device 20 is a device that can be stretched, for example, such as a hydraulic jack, one side is attached to the front surface of the wall 12 and the other side is attached to the porous sound absorbing plate 10, the porous sound absorbing plate While supporting the 10, the porous sound-absorbing plate 10 is to be installed on the wall 12 at intervals.
  • the stretchable support device 20 extends or contracts in response to a signal from the stretch control device 30, so that the rear surface and the wall 12 of the porous sound absorbing plate 10 are adapted to the characteristics of the sound to be noised. The distance between the front surface of the (the thickness of the rear air layer) will be changed.
  • the semi-active sound absorbing system by analyzing the noise input device 31 and the signal transmitted from the noise input device 31, the noise is input and analyzes the frequency band of the generated noise, According to the result includes a stretch control device 30 for generating a stretch or contraction signal of the stretch support device (20).
  • the noise input device 31 may be configured as a device for converting the input noise into an electrical signal and transmitting the sound when a sound is input, such as a microphone device. Therefore, to measure the noise using the noise input device (31).
  • the noise signal input to the noise input device 31 is transmitted to the expansion control device 30.
  • the expansion control device 30 may be configured, for example, by a computer, and analyzes the frequency of noise transmitted from the noise input device 31, and specifies the specification of the porous sound absorbing plate 10 installed on the wall 12. That is, based on data such as the diameter of the pores 11 formed in the porous sound absorbing plate 10, the distance between the pores 11, the thickness of the porous sound absorbing plate 10 itself, etc., it is possible to achieve an optimal sound absorption rate for the frequency of the measured noise. Determine the thickness of the air layer behind it.
  • an electro-acoustic model used when theoretically explaining the relationship between the porous sound absorbing plate and the pores formed therein is used.
  • the electro-acoustic model introduces a circuit theory impedance calculation method to facilitate the calculation of acoustic impedance.
  • M means reactance
  • R means resistance
  • Z a means the impedance of the pores formed in the porous sound absorbing plate 10
  • z a denoted by the lowercase means the impedance of the porous sound absorbing plate 10 itself (the entire porous sound absorbing plate including the plate portion and the pores).
  • Z (D) refers to the impedance of the rear air layer formed between the rear surface of the porous sound absorbing plate 10 and the front surface of the wall 12, and is summarized as in Equation 1 below.
  • Equation 1 j is ⁇ 0 is a density of air of 1.20 kg / m 3.
  • ⁇ is the angular frequency of sound waves, and ⁇ is the dynamic viscosity of the air, which is 1.79 ⁇ 10 -5 kg / (m ⁇ s).
  • c 0 is a value of 340 m / s, the sound velocity in air.
  • Equation (5) the relationship between the impedance z a for the entire porous sound absorbing plate, the impedance Z a of the pores formed in the porous sound absorbing plate, and the reactance (M) and the resistance (R) is expressed by Equations 2 to 5 below. Equation (5).
  • Equation 2 p represents the ratio of the area occupied by the pores in the plate, which is defined as in Equation 6.
  • ⁇ is an acoustic Reynolds number, which is a parameter for stress caused independently by the pressure caused by the sound and the viscosity of the sound, and is defined as in Equation 7 below.
  • Equation 8 Equation 8.
  • Equation 9 If the sound absorption coefficient ⁇ of the sound absorption system is derived from Equations 1 to 8 as shown in Equation 9 below.
  • Equation 9 when the acoustic absorption rate ⁇ becomes maximum, the denominator is minimized.
  • the thickness t, the distance between the voids b, and the diameter d of the porous sound absorbing material 10 are predetermined values, and values vary according to circumstances.
  • the only variable is the angular frequency ( ⁇ ) for the sound and the thickness (D) of the background air layer to be determined.
  • ⁇ angular frequency
  • D thickness
  • Equation 10 ⁇ 0 is a frequency to be controlled, that is, a measurement frequency for a sound to be noise.
  • Equation 12 can be derived, and D can be calculated through Equation 12.
  • the expansion control device 30 performs a known Fast Fourier Transform (FFT) operation on the noise signal input from the noise input device 31 to express the noise signal in frequency.
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the frequency band with the strongest strength is identified by converting to.
  • the strongest frequency found in this way is ⁇ 0 in the above equation.
  • the expansion and contraction control device 30 has a known thickness t of the porous sound absorbing plate 10, a distance b between the pores 11 formed in the porous sound absorbing plate 10, and a diameter d of the air gap 11.
  • the values are substituted into equations (7) and (12) to calculate the thickness (D) of the rear air layer that maximizes the sound absorption efficiency for the measured frequency ⁇ 0 . will be.
  • the expansion control device 30 sends an operation signal to the expansion support device 20. Send it.
  • the expansion and contraction support device 20 expands and contracts according to the signal of the expansion and contraction control device 30, thereby changing the thickness of the rear air layer to match the value calculated above. That is, the stretch control device 30 stretches the stretch support device 20 in response to a signal, so that the distance between the rear surface of the porous sound absorbing plate 10 and the front surface of the wall 12 is equal to the determined thickness of the air layer behind the optimum. Adjust as much as possible.
  • the present invention by analyzing the frequency characteristics of the generated noise by the expansion and contraction control device 30, it is possible to automatically adjust the thickness of the rear air layer so as to exhibit the optimal sound absorption rate for the frequency. Therefore, even if noise of different frequencies occurs, the sound absorption performance can be maximized. In other words, even if the noise is different in frequency according to the time, the thickness of the rear air layer is changed to exhibit the optimal sound absorption rate according to the frequency of the noise, the sound absorption performance is maximized.
  • the present invention is free from the passive sound absorbing form of the sound, and has a configuration of actively changing the sound absorbing state in accordance with the characteristics of the noise, thereby exhibiting excellent sound absorbing performance.
  • the present invention can be usefully applied when sound absorption is required.

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Abstract

본 발명은 다공성판에 대하여 수직하게 관통공 형태의 공극이 복수개로 형성되어 있으며, 벽체의 전면에 간격을 두고 설치되는 다공성 흡음판과; 다공성 흡음판과 벽체 사이가 가변되도록 신축되는 신축지지장치와; 소음이 입력되는 소음입력장치와; 소음의 주파수를 분석하고, 다공성 흡음판에 형성된 공극의 직경, 공극)간의 거리 및 다공성 흡음판 자체의 두께에 기초하여, 배후 공기층의 두께를 결정해서 상기 신축지지장치를 신축하게 하는 신축제어장치를 포함한다.

Description

반 능동형 흡음 시스템 및 이를 이용한 흡음 방법
본 발명은 반(半) 능동형(Semi-Active) 흡음 시스템 및 이를 이용한 흡음 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 흡음성능을 가지는 다공성 판을 강성 벽체에 간격을 두고 배치하여 흡음 성능을 발휘하도록 함에 있어서, 흡음하고자 하는 소음의 주파수 특성을 파악하고, 그에 따라 다공성 판과 강성 벽체 사이의 간격을 소음의 주파수 특성에 따라 조절하여 특정 주파수의 소음을 능동적으로 흡음하도록 구성한 반(半) 능동형(Semi-Active) 흡음 시스템 및 이를 이용한 흡음 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 소음방지를 위하여 사용되는 흡음기술로서, 포러스 콘크리트 등과 같은 다공성 재료로 이루어진 흡음재(주로 판형상으로 제작)를 건물의 내,외벽이나 문 등과 같은 벽체에 설치하는 방안이 있다.
도 1에는 다공성 흡음재(100)를 벽체(110)에 설치한 형상을 보여주는 개략도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼 종래의 다공성 흡음재(100)는 판형상으로 이루어지는데, 상기 다공성 흡음재(100)는 벽체(110) 면과의 사이게 배후 공기층(120)이 형성되도록 간격재(121)에 의해 벽체(110) 면과 간격을 두고 설치된다. 특히, 상기 다공성 흡음재(100)는, 판에 대하여 수직하게 관통공 형태의 공극(101)이 복수개로 형성되어 있는 다공판으로 이루어지는 것이 일반적이다.
기존의 연구 결과에 따르면, 위와 같이 복수개의 공극(101)이 형성된 다공판 형태의 다공성 흡음재(100)를 벽체(110)에 간격을 두고 설치한 경우, 다공성 흡음재(100)와 벽체(110) 사이의 간격 즉, 배후 공기층(120)의 두께에 따라서 흡음효과가 극대화되는 소리의 주파수가 다르다고 알려져 있다.
도 2 내지 도 4에는 각각 다공성 흡음재(100)에 형성된 공극(101)의 반지름, 공극(101) 간의 간격 및 다공성 흡음재(100)의 두께를 각각 0.3mm, 2mm, 1mm로 일정하게 하고, 배후 공기층(120)의 두께를 각각 50mm(도 2), 20mm(도 3) 및 5mm(도 4)로 변화시켰을 때, 흡음률과 소음의 주파수 관계를 보여주는 그래프도가 도시되어 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 배후 공기층(120)의 두께가 달라지면 흡음효과가 극대화되는(흡음률이 최대가 되는) 소리의 주파수 대역도 변화되는 것이다.
그런데 종래에는 위와 같은 다공판 형태의 다공성 흡음재(100)를 벽체(110)에 설치할 때 하나의 정해진 간격 즉, 하나의 정해진 배후 공기층 두께로만 설치하였으므로, 어떤 특정한 주파수 대역의 소리는 흡음할 수 있지만, 다른 주파수를 가지는 소음이 발생할 경우에는 효과적인 흡음성능을 발휘할 수 없다는 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 다공판 형태의 다공성 흡음재를 벽체와 간격을 두고 벽체에 설치함에 있어서, 발생되는 소음의 주파수 특성을 파악하여 해당 주파수의 흡음에 적합하도록 다공성 흡음재와 벽체 사이의 간격을 자동적으로 조절할 수 있도록 함으로써, 발생되는 소음의 주파수 대역이 변화하더라도 그에 맞추어 효율적으로 흡음할 수 있도록 함으로써 흡음성능을 극대화시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 위와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 다공판 형태의 다공성 흡음재와 벽체 사이에 배후 공기층이 형성되도록, 상기 다공성 흡음재가 벽체의 전면에 간격을 두고 설치됨에 있어서, 상기 배후 공기층에는 신축에 의해 상기 배후 공기층의 두께를 조절할 수 있는 신축지지장치가 설치되고, 소음입력장치를 통해 측정된 소음의 주파수 대역을 분석하여 상기 다공성 흡음재에 의한 흡음률을 극대화시킬 수 있는 배후 공기층의 두께를 산출하여, 상기 신축지지장치가 산출된 두께에 맞추어 신축되도록 함으로써, 발생된 소음의 흡음효과를 극대화할 수 있는 흡음 시스템 및 흡음 방법이 제공된다.
본 발명에서는 위와 같은 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서, 다공성 재질의 다공성판으로 이루어지고, 판에 대하여 수직하게 관통공 형태의 공극이 복수개로 형성되어 있으며, 벽체의 사이에 배후 공기층이 형성되도록 벽체의 전면에 간격을 두고 설치되는 다공성 흡음판과; 상기 다공성 흡음판이 간격을 두고 벽체에 설치되도록 함과 동시에, 다공성 흡음판과 벽체 사이에 형성된 배후 공기층의 두께가 가변되도록 신축되는 신축지지장치와; 소음이 입력되는 소음입력장치와; 소음입력장치로부터 전송되어 오는 소음의 주파수를 분석하고, 다공성 흡음판에 형성된 공극의 직경, 상기 공극간의 거리 및 다공성 흡음판 자체의 두께에 기초하여, 측정된 소음의 주파수에 대해 최적의 흡음률을 발휘할 수 있는 배후 공기층의 두께를 결정해서 상기 신축지지장치로 하여금 결정된 배후 공기층의 두께를 만들도록 신축하게 하는 신호를 전송하여 신축지지장치를 제어하는 신축제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반 능동형 흡음 시스템이 제공된다.
또한 본 발명에서는 다공성 재질의 다공성판으로 이루어지고, 판에 대하여 수직하게 관통공 형태의 공극이 복수개로 형성되어 있는 다공성 흡음판을, 신축이 가능한 신축지지장치에 의해, 상기 다공성 흡음판과 벽체의 사이에 배후 공기층이 형성되도록 벽체의 전면에 간격을 두고 설치하는 단계; 소음이 입력되는 소음입력장치를 통해 측정된 소음의 신호를 신축제어장치로 전송하는 단계; 소음입력장치로부터 전송되어 오는 소음의 주파수를 상기 신축제어장치에 의해 분석하여, 다공성 흡음판에 형성된 공극의 직경, 상기 공극간의 거리 및 다공성 흡음판 자체의 두께에 기초하여, 측정된 소음의 주파수에 대해 최적의 흡음률을 발휘할 수 있는 배후 공기층의 두께를 결정하는 단계; 및 신축지지장치를 제어하는 신호를 상기 신축제어장치로부터 상기 신축지지장치로 전송하여 상기 신축지지장치로 하여금 결정된 배후 공기층의 두께를 만들도록 신축하게 하는 단계;를 포함하여, 측정된 소음에 적합한 흡음성능을 발휘하도록 하는 것을 특징으로 하는 반 능동형 흡음방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 다공판 형태의 다공성 흡음재와 벽체 사이에 형성된 배후 공기층의 두께를, 소음시키고자 하는 소리의 주파수를 분석하여 높은 흡음률이 이루어지도록 조절함으로써, 다공성 흡음재의 흡음 성능을 극대화시킬 수 있게 된다.
특히, 발생되는 소음의 주파수가 변화되는 경우에도, 그에 맞추어 배후 공기층의 두께를 자동적으로 조절할 수 있으므로, 소음의 주파수 변화에 대해서도 지속적으로 우수한 흡음성능을 발휘할 수 있게 되는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 다공성 흡음재를 벽체에 설치한 형상을 보여주는 개략도이다.
도 2 내지 도 4는 각각 다공성 흡음재와 벽체 사이에 형성되는 배후 공기층의 두께에 따른 흡음률의 변화를 보여주는 그래프도이다.
도 5는 본 발명에 따른 반 능동형 흡음 시스템의 개략도이다.
도 6은 도 5의 선 A-A에 따른 단면도이다.
도 7은 본 발명에 있어서 배후 공기층의 두께, 다공성 흡음판의 두께, 다공성 흡음판에 형성된 공극간의 거리, 공극의 직경, 및 소리의 각 주파수(angular frequency)의 관계를 수학적으로 정리하기 위한 개념도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 5에는 본 발명에 따른 반 능동형 흡음 시스템의 개략도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 선 A-A에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도면에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 반 능동형 흡음 시스템은, 벽체(12)의 사이에 배후 공기층(13)이 형성되도록 벽체(12)의 전면에 간격을 두고 설치되는 다공성 흡음판(10)을 포함한다. 상기 다공성 흡음판(10)은, 판에 대하여 수직하게 관통공 형태의 공극(11)이 복수개로 형성되어 있는 다공판으로 이루어지며, 포러스 콘크리트(porous concrete)와 같은 다공성 재질로 제작될 수 있다. 그러나 포러스 콘크리트에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 반 능동형 흡음 시스템은, 상기 다공성 흡음판(10)의 배면과 벽체(12)의 전면 사이에 배후 공기층(13)이 형성되도록, 상기 다공성 흡음판(10)을 벽체(12)와 간격을 두고 설치되도록 함과 동시에, 상기 다공성 흡음판(10)과 벽체(12) 사이의 간격 즉, 배후 공기층(13)의 두께가 가변되도록 신축될 수 있는 신축지지장치(20)가 구비된다. 즉, 신축지지장치(20)를 이용하여 다공성 흡음판(10)을 벽체(12)에 간격을 두고 설치하는 것이다.
좀더 구체적으로 살펴보면, 상기 신축지지장치(20)는 예를 들면 유압잭과 같이 신축할 수 있는 장치로서 일측은 벽체(12)의 전면에 부착되고 타측은 다공성 흡음판(10)에 부착되어, 상기 다공성 흡음판(10)을 지지하면서 상기 다공성 흡음판(10)이 간격을 두고 벽체(12)에 설치되도록 한다. 후술하는 것처럼, 상기 신축지지장치(20)는 신축제어장치(30)로부터의 신호에 따라 신장하거나 또는 수축하여, 소음하고자 하는 소리의 특성에 맞추어 상기 다공성 흡음판(10)의 배면과 벽체(12)의 전면 사이의 거리(배후 공기층의 두께)를 변화시키게 된다.
한편 본 발명에 따른 반 능동형 흡음 시스템은, 소음이 입력되는 소음입력장치(31)와, 상기 소음입력장치(31)로부터 전달되어 오는 신호를 분석하여 발생된 소음의 주파수 대역을 분석하고, 분석된 결과에 따라 상기 신축지지장치(20)의 신장 또는 수축 신호를 발생시키는 신축제어장치(30)를 포함한다.
상기 소음입력장치(31)는, 예를 들어 마이크 장치 등과 같이 소리가 입력되면 입력된 소음을 전기적 신호로 변환하여 전송하는 장치로 구성될 수 있다. 따라서 소음입력장치(31)를 이용하여 소음을 측정하는 것이다. 상기 소음입력장치(31)로 입력된 소음 신호는 신축제어장치(30)로 전송된다. 상기 신축제어장치(30)는, 예를 들어 컴퓨터로 구성될 수 있는데, 소음입력장치(31)로부터 전송되어 오는 소음의 주파수를 분석하고, 벽체(12)에 설치된 다공성 흡음판(10)의 제원, 즉 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극(11)의 직경, 상기 공극(11)간의 거리, 다공성 흡음판(10) 자체의 두께 등의 자료에 기초하여, 측정된 소음의 주파수에 대해 최적의 흡음률을 발휘할 수 있는 배후 공기층의 두께를 결정한다.
구체적으로 배후 공기층의 두께(D)를 결정하기 위한 이론적인 배경을 설명한다.
도 7에는 배후 공기층의 두께(D)와, 다공성 흡음판(10)의 두께(t), 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극(11)간의 거리(b), 공극(11)의 직경(d), 및 소리의 각 주파수(angular frequency)(ω)와의 관계를 수학적으로 정리하기 위한 개념도가 도시되어 있다.
본 발명에서는 배후 공기층의 두께(D)를 결정함에 있어서, 다공성 흡음판과 그에 형성된 공극과의 관계를 이론적으로 설명할 때 사용되는 일렉트로-아쿠스틱 모델(Electro-acoustic model)을 이용하였다. 일렉트로-아쿠스틱 모델은 음향임피던스의 계산을 쉽게 하기 위하여 회로이론의 임피던스 계산방법을 도입한 것이다.
도 7에서 M은 리액턴스(Reactance)를 의미하고, R은 레지스턴스(Resistance)를 의미한다. Za는 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극의 임피던스를 의미하며, 소문자로 표시된 za는 다공성 흡음판(10) 자체(판부분 및 공극을 포함한 다공성 흡음판 전체)의 임피던스를 의미한다. Z(D)는 상기 다공성 흡음판(10)의 배면과 벽체(12)의 전면 사이에 형성된 배후 공기층에 대한 임피던스(Impedance)를 의미하며 아래의 수학식1과 같이 정리된다. 수학식 1에서 j는
Figure PCTKR2009006716-appb-I000001
이며, ρ0는 공기의 밀도로서 1.20 kg/㎥ 인 값이다. 또한 ω는 음파의 각 진동수(angular frequency)이고, η는 공기의 동적 점성(dynamic viscosity)로서 1.79 × 10-5kg/(m·s) 인 값이다. c0 는 공기 중에서의 소리 속도인 340 m/s인 값이다.
도 7에 도시된 개념도로부터 다공성 흡음판 전체에 대한 임피던스 za와 다공성 흡음판에 형성된 공극의 임피던스 Za, 그리고 리액턴스(M) 및 레지스턴스(R)의 관계를 수학식으로 표현하면 아래의 수학식 2 내지 수학식 5와 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2009006716-appb-M000001
수학식 2
Figure PCTKR2009006716-appb-M000002
수학식 3
Figure PCTKR2009006716-appb-M000003
수학식 4
Figure PCTKR2009006716-appb-M000004
수학식 5
Figure PCTKR2009006716-appb-M000005
위의 수학식 2에서 p는 공극이 판에서 차지하는 넓이의 비율을 나타내는데, 이는 수학식 6과 같이 정의된다. β는 음향 레이놀즈 수(acoustic Reynolds number)로서, 소리에 의한 압력과 소리의 점성에 의해 각각 독립적으로 야기되는 스트레스에 대한 파라미터이며, 아래의 수학식 7과 같이 정의된다.
수학식 6
Figure PCTKR2009006716-appb-M000006
수학식 7
Figure PCTKR2009006716-appb-M000007
따라서 도 7에 도시된 회로 내의 전체 임피던스 Zall는 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 8
Figure PCTKR2009006716-appb-M000008
위의 수학식 1 내지 8로부터 흡음 시스템의 음향흡수율 α를 수학식으로 도출하면 아래의 수학식 9와 같다.
수학식 9
Figure PCTKR2009006716-appb-M000009
수학식 9에서 음향흡수율 α가 최대가 될 때는 분모가 최소가 되었을 때이다. 다공성 흡음재(10)를 이용하여 소음을 하는 경우, 다공성 흡음재(10)의 두께(t), 공극 간 거리(b), 및 공극의 직경(d)은 미리 정해지는 값이며, 상황에 따라 변하는 값은 소리에 대한 각진동수(ω)와 결정하고자 하는 배후 공기층의 두께(D) 만이 변수가 된다. 즉, 수학식 1 내지 8을 종합하면, 수학식 9에서 Rall은 D와 ω에 대한 함수가 아니며, Rall은 고정값이 된다. 따라서 음향흡수율 α가 최대가 될 때는 수학식 9의 분모가 최소가 되었을 때, 즉, 수학식 10과 같이 Mall이 0(zero)일 때이다. 그러므로 음향흡수율 α의 최대값 αmax에 대해서는 수학식 11의 관계식이 성립한다.
수학식 10
Figure PCTKR2009006716-appb-M000010
수학식 11
Figure PCTKR2009006716-appb-M000011
한편, 위의 수학식 10에서 ω0는 제어하고자 하는 주파수 즉, 소음하고자 하는 소리에 대한 측정 주파수이다. 수학식 10에 수학식 5를 대입하여 정리하면 수학식 12를 도출할 수 있고, 수학식 12를 통해 D를 산출할 수 있다.
수학식 12
Figure PCTKR2009006716-appb-M000012
정리하면, 상기 신축제어장치(30)는, 상기 소음입력장치(31)로부터 입력된 소음 신호에 대해 공지된 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform/FFT) 작업을 수행하여 소음 신호를 주파수로 표현되는 신호로 변환하여, 가장 강도가 강한 주파수 대역을 파악한다. 이와 같이 파악된 강도가 가장 강한 주파수가 바로 위의 수학식에서 ω0가 되는 것이다.
후속하여 신축제어장치(30)는, 이미 알고 있는 다공성 흡음판(10)의 두께(t), 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극(11)간의 거리(b) 및 공극(11)의 직경(d)의 값을 사용자가 입력하게 되면, 이들 값을 상기 수학식 7 및 수학식 12에 대입하여, 측정된 소음의 주파수 ω0에 대해 흡음 효율이 최대가 되는 배후 공기층의 두께(D)를 계산하게 되는 것이다.
이와 같이 측정된 소음의 주파수 특성에 기초하여, 해당 주파수의 흡음에 적합한 배후 공기층의 두께(D)가 계산되어 결정되면, 상기 신축제어장치(30)는 상기 신축지지장치(20)로 작동신호를 발송한다. 신축지지장치(20)는 신축제어장치(30)의 신호에 따라 신축함으로써, 배후 공기층의 두께를 위에서 계산된 값에 맞도록 변화시킨다. 즉, 신축제어장치(30)는 신호를 발하여 신축지지장치(20)를 신축시킴으로써, 상기 다공성 흡음판(10)의 배면과 벽체(12)의 전면 사이의 거리가, 상기 결정된 최적 배후 공기층의 두께가 되도록 조정하는 것이다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 발생되는 소음의 주파수 특성을 신축제어장치(30)에 의해 분석하여, 해당 주파수에 대해 최적의 흡음률을 발휘할 수 있도록 배후 공기층의 두께를 자동적으로 조절할 수 있게 된다. 따라서 주파수가 다른 소음이 발생하더라도 흡음성능을 극대화시킬 수 있게 된다. 즉, 시간에 따라서 주파수가 다른 소음이 발생하게 되더라도, 해당 소음의 주파수에 맞추어 최적의 흡음률을 발휘할 수 있도록 배후 공기층의 두께가 변경되므로, 흡음성능이 극대화되는 효과가 발휘되는 것이다.
이와 같이 본 발명은 단순히 소음을 수동적으로 흡음을 하는 형태에서 벗어나서, 소음의 특성에 맞는 최적의 흡음상태가 되도록 능동적인 변화를 가하는 구성을 가지고 있으므로 우수한 흡음성능을 발휘할 수 있게 된다.
상기에서는 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.
본 발명은 흡음이 필요한 경우에 유용하게 적용될 수 있다.

Claims (4)

  1. 다공성 재질의 다공성판으로 이루어지고, 판에 대하여 수직하게 관통공 형태의 공극(11)이 복수개로 형성되어 있으며, 벽체(12)의 사이에 배후 공기층(13)이 형성되도록 벽체(12)의 전면에 간격을 두고 설치되는 다공성 흡음판(10)과;
    상기 다공성 흡음판(10)이 간격을 두고 벽체(12)에 설치되도록 함과 동시에, 다공성 흡음판(10)과 벽체(12) 사이에 형성된 배후 공기층(13)의 두께가 가변되도록 신축되는 신축지지장치(20)와;
    소음이 입력되는 소음입력장치(31)와;
    소음입력장치(31)로부터 전송되어 오는 소음의 주파수를 분석하고, 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극(11)의 직경, 상기 공극(11)간의 거리 및 다공성 흡음판(10) 자체의 두께에 기초하여, 측정된 소음의 주파수에 대해 최적의 흡음률을 발휘할 수 있는 배후 공기층의 두께(D)를 결정해서 상기 신축지지장치(20)로 하여금 결정된 배후 공기층의 두께를 만들도록 신축하게 하는 신호를 전송하여 신축지지장치(20)를 제어하는 신축제어장치(30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 반 능동형 흡음 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신축제어장치(30)는, 사용자에 의해 주어진 이미 알고 있는 값인 다공성 흡음판(10)의 두께, 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극(11)간의 거리 및 공극(11)의 직경의 값을 아래의 수학식 7 및 수학식 12에 대입하여, 측정된 소음의 주파수 ω0에 대해 흡음 효율이 최대가 되는 배후 공기층의 두께(D)를 계산하여 결정하는 것을 특징으로 하는 반 능동형 흡음 시스템.
    (수학식 7)
    (수학식 12)
    Figure PCTKR2009006716-appb-I000003
    (위의 수학식 7 및 수학식 12에서, D는 측정된 소음의 주파수 ω0에 대해 흡음 효율이 최대가 되는 배후 공기층의 두께이며, t는 다공성 흡음판(10)의 두께이며, b는 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극(11)간의 거리이고, d는 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극(11)의 직경이며, ρ0는 공기의 밀도로서 1.20 kg/㎥ 인 값이고, ω0는 측정된 소음의 각 진동수(angular frequency)이고, η는 공기의 동적 점성(dynamic viscosity)로서 1.79x10-5kg/(m·s) 인 값이며. c0 는 공기 중에서의 소리 속도인 340 m/s인 값이다.)
  3. 다공성 재질의 다공성판으로 이루어지고, 판에 대하여 수직하게 관통공 형태의 공극(11)이 복수개로 형성되어 있는 다공성 흡음판(10)을, 신축이 가능한 신축지지장치(20)에 의해, 상기 다공성 흡음판(10)과 벽체(12)의 사이에 배후 공기층(13)이 형성되도록 벽체(12)의 전면에 간격을 두고 설치하는 단계;
    소음이 입력되는 소음입력장치(31)를 통해 측정된 소음의 신호를 신축제어장치(30)로 전송하는 단계;
    소음입력장치(31)로부터 전송되어 오는 소음의 주파수를 상기 신축제어장치(30)에 의해 분석하여, 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극(11)의 직경, 상기 공극(11)간의 거리 및 다공성 흡음판(10) 자체의 두께에 기초하여, 측정된 소음의 주파수에 대해 최적의 흡음률을 발휘할 수 있는 배후 공기층의 두께(D)를 결정하는 단계; 및
    신축지지장치(20)를 제어하는 신호를 상기 신축제어장치(30)로부터 상기 신축지지장치(20)로 전송하여 상기 신축지지장치(20)로 하여금 결정된 배후 공기층의 두께를 만들도록 신축하게 하는 단계;를 포함하여, 측정된 소음에 적합한 흡음성능을 발휘하도록 하는 것을 특징으로 하는 반 능동형 흡음방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신축제어장치(30)에서 배후 공기층의 두께(D)를 결정하는 단계에서,
    상기 신축제어장치(30)는, 사용자에 의해 주어진 이미 알고 있는 값인 다공성 흡음판(10)의 두께, 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극(11)간의 거리 및 공극(11)의 직경의 값을 아래의 수학식 7 및 수학식 12에 대입하여, 측정된 소음의 주파수 ω0에 대해 흡음 효율이 최대가 되는 배후 공기층의 두께(D)를 계산하여 결정하는 것을 특징으로 하는 반 능동형 흡음방법.
    (수학식 7)
    Figure PCTKR2009006716-appb-I000004
    (수학식 12)
    Figure PCTKR2009006716-appb-I000005
    (위의 수학식 7 및 수학식 12에서, D는 측정된 소음의 주파수 ω0에 대해 흡음 효율이 최대가 되는 배후 공기층의 두께이며, t는 다공성 흡음판(10)의 두께이며, b는 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극(11)간의 거리이고, d는 다공성 흡음판(10)에 형성된 공극(11)의 직경이며, ρ0는 공기의 밀도로서 1.20 kg/㎥ 인 값이고, ω0는 측정된 소음의 각 진동수(angular frequency)이고, η는 공기의 동적 점성(dynamic viscosity)로서 1.79x10-5kg/(m·s) 인 값이며. c0 는 공기 중에서의 소리 속도인 340 m/s인 값이다.)
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