WO2014175526A1 - 통기통로 또는 통수통로 둘레에 차음용 공진챔버를 갖는 통기형 또는 통수형 방음벽 - Google Patents

통기통로 또는 통수통로 둘레에 차음용 공진챔버를 갖는 통기형 또는 통수형 방음벽 Download PDF

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WO2014175526A1
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resonant chamber
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김상훈
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목포해양대학교 산학협력단
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    • E04B1/82—Heat, sound or noise insulation, absorption, or reflection; Other building methods affording favourable thermal or acoustical conditions, e.g. accumulating of heat within walls specifically with respect to sound only
    • E04B1/84—Sound-absorbing elements

Definitions

  • the present invention is a technique for solving the problem of not being able to simultaneously achieve ventilation, water passage, and sound insulation in various industrial fields.
  • air blowers to provide air cooling (heat exchange) or hot air ( ⁇ ) in order to realize the environment or function to be installed or to ensure operational reliability.
  • the operation noise of the motor or the blade is accompanied by, so that the operation noise in the blower is required to smoothly supply the wind.
  • the present invention can be basically applied to a soundproof wall which needs to pass air while preventing the running noise of a vehicle on a roadside or a highway side of a city or a train on the railroad from spreading to the outside.
  • outdoor units condensers
  • industrial equipment in which large heat exchange fans such as industrial air conditioners or industrial heat exchange systems are used, air-cooling equipment for hot-heated objects such as engines, and vacuum
  • household appliances such as cleaners, hair dryers, electric fans, hot air fans, cooling fans, etc., which generate noises of blow blades (vibration noise due to axial eccentricity, flow noise due to air flow) and motor noise.
  • Soundproof walls can provide a useful means.
  • the present invention is a combination of wave diffraction (edol) and resonance.
  • Sound velocity is derived from the ratio of the modulus and elastic modulus of the medium through which sound passes.
  • the elastic modulus of the sound has a negative value.
  • the speed, refractive index, and wave vector of the sound are both imaginary, and the amplitude of the sound decreases exponentially with increasing distance. If a resonant chamber is placed around the air passage through which air passes, and the sound passes through the air passage longer than the diameter of the air passage, the sound spreads to the periphery by the eddy phenomenon during the passage of the air passage. Get inside and be absorbed.
  • the noise incident through the local reaction incident holes of the front plate sequentially passes through the local reaction sound absorption holes of the diaphragms, thereby exhausting a wide bandwidth of noise evenly, thereby improving sound insulation effect.
  • the resonator used in the present invention is a diffraction resonator which has an air hole in the center of the empty container to maximize the diffraction, and is a bottle-shaped general helmet with a long neck having an inlet in a body having a considerable volume. It's different from the Helmholtz resonator.
  • An object of the present invention is to provide a ventilation or water-absorbing sound barrier that can block noise while passing air or water.
  • It has a shaft, an effective diameter and a length, and the opening ends are fluidly open to each other to form a ventilation passage or a passage through which air or water can pass freely, and a plurality of fine through holes are formed on the surface.
  • At least one resonant chamber formed around an outer circumference of the tubular sound absorbing material along the direction of the axis A of the sound absorbing material;
  • Each of the resonance chambers is formed by a ventilation passage or a water-proof sound barrier having a resonance chamber around a ventilation passage or a passage passage, characterized in that the internal volume of each of the resonance chambers is different from each other.
  • the effective diameter of the ventilation passage or the passage passage is smaller than the wavelength of the sound approaching the passage passage or the passage passage, characterized in that the frequency of the sound is less than the frequency of the vent passage or the aberration of the passage passage. It is made by a ventilated or channeled sound barrier with an uneven volume of superimposed resonant chambers around the passage or channel.
  • One or a plurality of ventilation passages or passages having an uneven volume of superimposed resonance chambers around the passage passage characterized in that the effective diameter of the passage passage in the above configuration is 2cm ⁇ 20cm or the effective diameter of the passage passage is 5cm ⁇ 100cm It is made by deformed or water-proof sound barriers. The more the ventilation passage or passage passage is drilled in one chamber, the higher the resonance frequency.
  • the shaft A of the passage passage or the passage passage is formed by a ventilated or water-permeable sound barrier having an uneven volume of overlapping resonant chambers around the passage passage or passage passage, characterized in that it is perpendicular or inclined to the sound insulation wall surface.
  • the volume of the resonant chamber is 0.1L ⁇ 10L in the air, 1.6L ⁇ 250L in water, characterized in that the ventilated or through the soundproof wall having a non-volume overlapping resonant chamber around the passage passage or passage passage Is done.
  • Ventilation and sound insulation can be achieved at the same time, thus reducing noise damage in buildings along the road, and it is not difficult to ventilate due to noise.
  • the soundproof wall Since the soundproof wall has holes, the pressure difference between both sides of the soundproof wall is small, so that the soundproof wall does not collapse due to strong winds, and the adverse effect of the running wind caused by the high-speed train on the soundproof wall can be reduced.
  • Hot-heated objects such as engines can also be ventilated by air-cooled heat exchangers to block out noise without the risk of explosion.
  • Fans for replacing indoor air, outdoor units (condensers) in air conditioning systems such as air conditioners, industrial equipment that uses large heat exchange fans such as cooling towers or exhaust gas treatment systems, industrial air conditioners or industrial heat exchange systems, vacuum cleaners, It can be applied to household appliances such as a hair dryer, a fan, a warm fan, a cooling fan, and the like, in which the noise of the blower blade or the noise of the motor is generated by driving the motor, thereby reducing the noise.
  • Figure 1 is a general structural diagram of a resonant chamber for explaining the soundproof wall principle according to the present invention
  • (a) is a case with a neck length
  • (b) shows a case without a neck length.
  • FIG. 2 is a graph of Equation 2.
  • FIG 3 is a partially enlarged perspective view of a unit sound absorbing block constituting the soundproof wall module used in the test.
  • FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view of each resonant chamber constituting the unit sound absorption block shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a frequency domain in which sound insulation occurs.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a region of a frequency at which soundproofing confirmed as a result of the test is performed.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a simplified differential performance measurement system for an embodiment.
  • FIG. 1 is a general structural diagram of a resonant chamber for explaining the soundproof wall principle according to the present invention.
  • the shape of the unit sound absorbing block to which the present invention is applied may be a cylindrical or square cylindrical shape.
  • S is the area of the resonant chamber inlet
  • V is the volume inside the resonant chamber
  • r is the radius of the resonant chamber inlet
  • L is the length of the neck of the resonant chamber.
  • the speed of sound passing near the resonant chamber is expressed by the ratio of the density of the medium and the elastic modulus as shown in Equation 1 below.
  • FIG. 2 is a graph of Equation 2 showing a frequency region in which the real part of the effective volume modulus becomes negative when the resonance chamber is arranged and a sound is sent toward the inlet of the resonance chamber.
  • Equation 3 c is about 340 m / sec at the speed of sound, S is the area of the resonance chamber inlet, V is the volume inside the resonance chamber, L 'is the effective neck length, and the radius of the resonance chamber inlet is approximately the neck length L of FIG. r added
  • Equation 4 the effective radius r eff is assumed when the entrance is assumed to be circular, as shown in Equation 4 below.
  • the resonant chamber of the present invention which is made to maximize the eddy, has a hole in the center of the body, and the diameter of the hole is D and the depth is t when the body is divided into the sound absorbing material without the neck length as shown in FIG.
  • the effective tree length L is approximated by Equation 5 below.
  • L is the neck length of the resonance cylinder.
  • the neck length corresponds to the thickness of the sound absorbing material.
  • the thickness of the sound absorbing material is very small compared to the effective radius, it can be ignored.
  • the resonance frequency of the resonant chamber is mainly controlled by the volume of the resonant chamber, in order to block the same frequency as in the air in water, the volume of the underwater resonant chamber should be about 16 to 25 times larger than in the air. To cut off the frequency of blocking in water with a volume of 0.1L ⁇ 10L in air, it should have a volume of 1.6L ⁇ 250L.
  • Equation 8 when the damping element is not particularly large, an area where the effective modulus of elasticity of the medium inside the resonant chamber becomes negative is expressed by Equations 8 and 9 below.
  • the frequency band above it is cut off from the resonant frequency.
  • the size of the blocked area is a geometric factor, which is determined by a test.
  • the larger the F value the larger the soundproof area.
  • Equation (9) is an area in which the sound is cut off by the imaginary speed of the equation (1).
  • the sound passing through the ventilation passage must cause an eddy phenomenon to be absorbed into the resonance chamber. That is, as shown in Equation 11, the condition that the wavelength ⁇ of the sound approaching (passing) the ventilation passage is larger than the diameter D of the ventilation passage, that is, the frequency f of the sound is the resonance frequency of the hole ( Sound is cut off when the eddy condition is smaller than f D ).
  • f is the frequency of sound
  • f D is the eddy frequency
  • c is the speed of sound
  • D is the effective diameter of the ventilation path.
  • the sonic speed should be substituted for c. In the water, the speed of sound is about 4 to 5 times faster than in the air, so the diameter of the hole is 4 to 5 times larger than this to create the same eddy frequency.
  • Diffraction frequency (f D ) is Is given by If the diameter (D) of the ventilation passage is 5 cm, the eddy frequency in the air is about 6,800 Hz or less.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an area of a frequency at which soundproofing occurs, and a darkly hatched portion in FIG. 5 is a frequency area where sound is cut off. (a) is the case where the frequency range where the elastic modulus is negative from the resonance frequency is lower than the eddy frequency, so that the whole is soundproofed.
  • the resonant frequency is lower than the eddy frequency, but the area where the elastic modulus is negative is the eddy frequency It is the case that the soundproof area is reduced to a higher level, and (c) is the case where the resonance frequency region is higher than the eddy frequency region so that the soundproofing is not performed at all.
  • the diameter of the ventilation passage and the volume of the resonant chamber are considered in consideration of the characteristics of both the ventilation requirement and the soundproofing requirement according to which object to improve sound insulation. Specifications can be set appropriately.
  • the material of the resonant chamber may be anything as long as sound does not pass through such as acrylic, PVC, glass, wood, metal, concrete, and the like.
  • the resonant chamber and the air passage are separated by sound absorbing material.
  • the impedance of the sound absorbing material is a value obtained by dividing the pressure difference P between both sound absorbing materials by the sound absorbing material area (A). Sound absorbing materials are various porous materials in the market.
  • Resonance occurs at the highest frequency if the impedance of the sound absorbing material matches the impedance of the sound wave while maintaining the volume of the resonant chamber. If the impedance of the sound absorbing material is different from the impedance of the sound wave, some sound waves are reflected and the sound absorption rate is slightly decreased. However, in Equation 3, an effect of increasing or decreasing S may change the resonance frequency.
  • Sound absorbing materials that can be used in the soundproof wall structure according to the present invention is a variety of porous materials in the market.
  • an air purifier air filter is a particulate air filter for filtering particulates such as dust and passing only clean air.
  • an air purifier air filter is It is defined as a filter with at least 90% dust collection efficiency for the maximum permeate particle size (typically 0.3) at a specified face velocity.
  • the sound absorbing cloth for opera theaters less than 10mm Perforated polyester, polyurethane, paper, non-woven fabrics, as well as materials such as metal plates, glass, etc., perforated with a small hole of 10 mm or less, can be used as sound absorbing material of the soundproof wall structure according to the present invention.
  • the sound waves of the sound pass through the fine holes drilled in the suction material by the eddy effect, enter the resonance chamber, cause resonance, and disappear. Sound absorbing material used in the soundproof wall structure according to the present invention is different from the sound-proof material by simply canceling the sound back.
  • Figure 6 shows the transmission loss for each frequency obtained in the actual test of the present invention.
  • this graph for example, in the case of the 5cm effective diameter of the sound absorbing material, if there are three resonance chambers, three peaks should appear, but the highest high frequency peak is higher than the actual doldol frequency of 2,300Hz, and only two of them appear. .
  • high frequencies are easy to block because scattering occurs easily, and low frequencies are difficult to block because of relatively little scattering.
  • the soundproof wall structure according to the present invention was made as a specification to be described later, and the sound insulation performance was tested by the Korea Institute of Machinery and Materials located at 171, Jang-dong, Yuseong-gu, Daejeon, Korea (Test No.: System 350-1-12101).
  • the measurement method is a test using a simple sound insulation performance system prepared by the Korea Institute of Machinery and Materials, which was conducted in a minichamber according to the sound insulation performance test standard (ISO 140-3: 1995, ASTM E 90-09: 2009 and KS F 2808: 2001).
  • the simplified differential performance was measured, and a schematic diagram of the simplified differential performance measurement system used in the test is shown in FIG. 7.
  • the measurement conditions are as follows.
  • Two loudspeakers were used as the sound source and simultaneously had white noise, and sound pressure was measured at a total of 12 measuring points (6 sound source chambers and 6 sound receiving chambers).
  • FIG. 3 is a partially enlarged perspective view of a unit sound absorbing block constituting the soundproof wall module used in the test
  • FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view of each resonance chamber constituting the unit sound absorbing block shown in FIG. 3.
  • the soundproof wall 100 has three resonances, each having a different volume in the axis A direction around the ventilation passage 10 arranged in the horizontal direction (axis A direction)
  • Each resonant chamber (r1, r2, r3) and the ventilation passage 10 is separated by a porous groove (30) so as to be audible (peepable), in this embodiment, the sound absorbing material 30 is a commercially available automotive air purifier Filter (Duwon Halla Cabin Activated Carbon Carbon Air Filter) was used, and the effective diameter (D) of the air passage 10 was 5 cm.
  • FIG. 4 (a), (b) and (c) show three resonant chambers (A) in the unit sound absorption block forming a soundproof wall structure, each having different internal volumes by being divided by partitions p1 and p2. It is a longitudinal cross section which shows r1) (r2) (r3).
  • FIG. 4 (a) shows that the resonant chamber r1 space formed around the outer circumference of the grooved material 30 is not divided because the partition wall is not used, and FIG. 4 (b) shows the defect.
  • the internal space of the resonant chamber is divided into two left and right halves by a vertical partition p1 placed in the vertical direction between the outer circumferential surface of the sound material 30 and the upper and lower walls of the resonant chamber r2. It can be seen that each volume is 1/2 of the volume of the single-space resonant chamber r1.
  • 4C is a resonance between the vertical partition p1 and the horizontal partition p2 which are placed in the horizontal and vertical directions between the outer circumferential surface of the flaw material 30 and the left and right walls and the top and bottom walls of the resonance chamber r3. It can be seen that the internal space of the chamber r3 is divided into four equal parts up, down, left and right, and each volume is 1/4 of the volume of the single space resonant chamber r1 shown in FIG.
  • the volume is different from each other around the outer periphery of the porous suction material 30 defining a boundary between the ventilation passage 10 and the resonance chamber according to the advancing direction ((A) direction) of the air to be vented.
  • the sound insulation frequency band of sound is broadened as a whole. The larger the volume of the resonant chamber is absorbed and extinguished in the low frequency region, the smaller the volume of the resonant chamber is absorbed and extinguished. Therefore, in the case of the resonant chamber r1 of FIG.
  • the absorption target frequency band is 600Hz to 1000Hz, which is a low frequency, and the resonant chamber r2 of FIG. 4 (b) divided into 1/2 volume space.
  • the absorption target frequency band is 1000 Hz to 1600 Hz, which is an intermediate band, and in the case of the resonant chamber r3 of FIG.
  • the frequency band corresponds to a high frequency band of 1400 Hz to 2300 Hz.
  • the second embodiment has the remaining configuration except that the effective diameter D of the ventilation passage 10 is 2 cm. It is the same as the structure of Example 1 mentioned above.
  • Table 1 below summarizes the test results for the above-described Examples 1 and 2 and Figure 6 is a graph showing the transmission loss sound pressure.
  • Example 1 Example 2 400 11.8 34.2 500 10.9 32.0 630 18.0 28.7 800 29.5 34.6 1000 32.8 33.7 1250 29.6 26.0 1600 35.8 35.1 2000 26.3 34.7 2500 14.3 28.0 3150 18.2 34.3 4000 18.4 39.2 5000 20.9 27.9 Average 22.2 32.4
  • the frequency range that humans can hear is 20Hz-20KHz, but the mechanical sound is mostly high frequency above 500Hz and high frequency above 5KHz is easily scattered and does not go away, while most soundproof windows or soundproof walls are in the range of 500Hz ⁇ 5000Hz.
  • both examples have a sound pressure transmission loss of 20 dB or more in average over a range of 400 Hz to 5000 Hz.
  • the effective cutoff frequency band for industrially competitive sound insulation effect (20dB or more) is 700Hz to 2300Hz
  • the soundproof wall of the configuration as in Example 2 is applied to all cutoff target frequency bands of 400Hz to 5000Hz. It can be seen that the sound insulation effect (more than 20 dB) with sufficient industrial competitiveness (competitiveness) can be achieved.
  • the present embodiment was tested by presenting two cases of the effective diameter (D) of the ventilation passage 10 of 2cm and 5cm, but in addition to this embodiment, the sound insulation performance useful until the effective diameter (D) of the ventilation passage is 20cm It was confirmed that can be obtained.
  • the air passage diameter is larger than 5 cm, the acoustic condition and negative elastic modulus conditions of FIG.
  • the eddy condition is The epoch frequency, which has a sound insulation effect of 20dB or more, is about 1.1 kHz, which is about one third of this value in the case of an eddy resonator. Therefore, sound insulation above 20dB is possible only in the frequency range below 1.1KHz.
  • the volume of the resonators should be large to allow resonance below the eddy frequency. Likewise, if the diameter is 50 cm Only 230Hz or less, 1/3 of this value, can produce more than 20dB of sound insulation. In water, the speed of sound is four to five times faster than in air, so the frequency of the eddy is four to five times higher than this.
  • the sound absorbing material 30 is illustrated in the center portion of the unit sound absorbing block 20.
  • the sound absorbing material 30 is not necessarily located at the center, and the ventilation passage 10 constituted by the sound absorbing material 30 is also provided.
  • the shape of is not necessarily cylindrical, but may be a tubular of various shapes such as a square cylinder.
  • the material of the resonant chamber was acrylic, but any material capable of blocking sound such as glass, wood, plastic, metal, concrete, or the like can be used.
  • the partition walls p1 in the plurality of resonant chambers r1, r2, and r3 overlapping the sound absorbing material 30 in the horizontal direction (the axis A direction). but the configuration of the inequality volume divided by p2) in the order of 1, 1/2, and 1/4 volume is not limited thereto.
  • the two resonant chambers overlap and are cut off. If the desired noise effect can be obtained, it is possible to configure only a single chamber without overlapping resonant chambers with different volumes.
  • the ventilation passage 10 is formed in a straight line, that is, the axis A of the unit sound absorbing block 20 is configured to be perpendicular to the soundproof wall, but is not necessarily limited to the straight linear ventilation passage 10 of the right angle, and the curve is curved.
  • it may be configured as an inclined ventilation passage, but in the case of curved or inclined ventilation passages, the air permeability may be somewhat impaired, but there is an advantage in that the soundproof wall structure having a much thinner thickness may be constructed than in the exemplary embodiment.
  • the soundproof wall according to the present invention described above has a rectangular wall shape as a whole, but is not limited to this, it is possible to have a cylindrical (disc), elliptical, and polygonal of course.
  • the soundproof wall according to the present invention should be understood as being able to be configured in various shapes, depending on what the object is to achieve the soundproofing (sound insulation) effect.
  • each unit sound absorbing block 20 used in the soundproof wall 100 according to the present invention described above is configured by stacking 12 exemplarily having the same volume between the unit sound absorbing blocks
  • the soundproof wall according to the present invention it should be understood that the unit sound absorbing block 20 may be composed of only one, and the unit sound absorbing block 20 may be formed by collecting different volumes from each other to constitute a single soundproof wall 100.
  • the effective diameter (D) of the ventilation passage 10 in each unit sound absorbing block 20 to be configured is different from each other within the range of not impairing the overall air permeability of the soundproof wall surface (with the range of ensuring the required ventilation performance).
  • the three-dimensional shape of the entire soundproof wall 100 may be configured as a non-plate shape, such as a rugby ball, instead of a plate-shaped wall shape, for example, a vacuum cleaner or a hair dryer.
  • a non-plate shape such as a rugby ball
  • a plate-shaped wall shape for example, a vacuum cleaner or a hair dryer.
  • the sound absorbing material 30 may be assembled (detachable) so that the sound absorbing material 30 can be separated from the resonant chamber formed at its periphery. ( ⁇ ⁇ ⁇ ) If the sound insulation performance is reduced by the fine ventilation hole for the sound absorption of the epoch formed in the sound absorbing material 30 by dust or the like only to remove the cleaning material (30), and then re-install or use a new There is an advantage that can be used to replace the suction.
  • a sound absorbing material having an impedance ratio of pressure difference between both sound absorbing materials and area

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Abstract

창이나 벽을 만들어 이 창이나 벽을 관통하는 통기통로(10)를 낸 후 통기통로(10) 주변에 적어도 하나의 공진챔버(r1, r2, r3)를 배치하되 통기통로와 공진챔버 사이는 다공성 흡음재(30)로 분리한다. 공기와 함께 통기통로(10)를 통과하는 과정에서 소리는 공진챔버(r1, r2, r3)에 흡수되어 차단되지만 공기는 통과한다. 이를 이용하여 공기는 통과시키고 소리는 차단하는 통기형 방음창 혹은 방음벽을 만들 수 있으며, 동일한 원리로 물은 통과시키되 소리는 차단하는 통수형 방음창 또는 방음벽을 만들 수 있다. 본 발명은 송풍장치가 사용되어 소음이 발생되는 다양한 산업분야에도 적용될 수 있으며, 해저생물의 정숙한 생태환경 조성에도 유용하게 쓰일 수 있다.

Description

통기통로 또는 통수통로 둘레에 차음용 공진챔버를 갖는 통기형 또는 통수형 방음벽
본 발명은 종래 각종 산업분야에서 통기(通氣) 또는 통수(通水)와 방음(防音)을 동시에 달성할 수 없는 문제를 해결하기 위한 기술이다.
도로나 철로 주변에 방음벽을 설치하면 소리를 차단하는 것뿐만 아니라 기류도 함께 차단하여 바람, 열, 꽃가루 등의 전달을 방해하는 생태학적 단절이 일어나 자연환경보호에 부정적인 효과를 미친다.
도로변 주택의 창문은 환기하려고 열어 두면 소음이 들어오고, 소음을 차단하고자 닫으면 환기가 안 되는 문제가 있다. 따라서 공기는 통과하고 소음만 차단하는 방음창(또는 방음벽)을 만들어 이런 문제를 해결할 필요가 있다.
또한 가전제품이나 산업용 기기들 중에는 그 설치되는 환경이나 기능의 실현 또는 작동 신뢰성을 확보하기 위해 송풍기로 유동공기를 만들어 공냉(열교환)하거나 열풍(熱風)을 공급하는 경우가 많다. 예를 들어 환기팬, 공조장치의 응축기를 냉각하기 위한 송풍팬, 진공청소기의 흡입팬, 헤어드라이어의 송풍팬, 전자 또는 기계분야의 발열부품에 대한 냉각팬 등 매우 다양한데, 송풍팬을 구동하는 과정에서 필연적으로 모터나 블레이드의 작동소음을 수반하므로, 이러한 송풍장치에서 그 작동소음은 차단시키되 바람의 공급은 원활하게 하는 것이 요청된다.
이처럼 본 발명은 기본적으로 시내 도로변이나 고속도로변의 차량 또는 철로변의 열차의 주행소음이 외부로 퍼져나가는 것을 방지하면서 공기는 통과시킬 필요가 있는 방음벽에 적용될 수 있는 외에, 실내공기를 교체하기 위한 환풍기, 에어컨과 같은 공기조화시스템의 실외기(응축기), 냉각탑이나 배출가스 처리시스템, 산업용 공조기나 산업용 열교환시스템에서와 같은 대형 열교환용 송풍팬이 사용되는 산업설비, 엔진 같은 뜨거운 열이 나는 물체의 공냉설비, 진공청소기, 헤어드라이어, 선풍기, 온풍기, 냉각팬 등과 같이 모터 구동에 따른 송풍 블레이드의 소음(축 편심에 따른 진동소음, 공기유동에 의한 유동소음 등)이나 모터의 작동소음이 생기는 각종 가전생활용품에도 적용될 수 있으며, 나아가 채석장이나 발파 작업장, 건물이나 도로 등의 철거현장처럼 브레이커와 같은 큰 소음을 일으키는 건설 중량비가 사용되는 토목 건축 작업현장 등 다양한 분야에서, 공기는 원활하게 통과시키되 그 작동소음은 차단할 필요가 있는 경우에 널리 적용될 수 있다.
아울러 물속에서 물을 통과시키면서 차음이 필요한 경우, 예컨대 배나 잠수함과 같은 수상, 수중 교통수단 또는 수중 폭발물이 일으키는 소음으로부터 어류와 같은 수중 생명체의 생태환경을 보호하고자 하는 경우에, 본 발명에 따른 통수형 방음벽이 그 유용한 수단을 제공할 수 있다.
본 발명은 파동의 회절(에돌이)과 공명현상을 조합한 기술이다. 음속(音速)은 음이 지나는 매질의 밀도와 탄성률의 비로부터 얻어진다. 소리가 공진챔버 입구를 통과하게 되면 그 소리의 탄성률은 음(陰)의 값을 갖는다. 그러면 소리의 속력과 굴절률과 파수벡터(wave vector)가 모두 허수가 되어 소리의 진폭이 거리가 증가함에 따라 지수적으로 감소한다. 공기가 통과하는 통기통로 주변에 공진챔버를 배치하고 이 통기통로를 통해 통기통로의 직경보다 파장이 긴 소리를 통과시키면, 소리가 통기통로를 통과하는 과정에서 에돌이 현상에 의하여 주변으로 퍼져 공진챔버 내로 들어가 흡수된다.
한편, 국내 공지된 중공형(中空形) 흡음블럭을 이용한 방음벽 관련 선행기술로는 한국철도기술연구원의 국내 공개특허 공개번호 제10-2013-0010335 공진주파수의 가변 기능의 헬므홀쯔 흡음기를 이용한 방음벽 상단 회절음 감소 장치, 국내법인 주식회사 태창닛케이의 국내 등록특허 제10-1112444호 흡음블럭을 이용한 이용한 방음판넬 및 같은 법인의 국내 등록특허 제10-1009991호 국소반응형 흡읍판에 관한 기술 등이 있다. 이중에서 국내 등록특허 제10-1009991호의 경우 전면판의 국소반응형 입사구멍들로 입사된 소음이 격판들의 국소반응형 흡음구멍들을 순차적으로 통과하면서 넓은 대역폭의 소음을 고르게 소진시켜 방음효과를 높이는 기술이 개시되어 있으나, 본 발명에서처럼 통기성을 고려하는 것이 아니며 구조도 달라 본 발명과는 기술사상이 다르다.
본 발명에서 사용하는 공진기는 에돌이를 극대화하기 위하여 빈 통의 중앙에 공기구멍을 뚫은 에돌이형 공명기(diffraction resonator)로서, 상당한 부피를 가진 몸체에 입구를 가진 긴 목을 붙인 병 모양의 일반적인 헬므홀쯔 공명기(Helmholtz resonator)와 다르다.
본 발명은 공기 또는 물은 통과시키면서 소음은 차단시킬 수 있는 통기형 또는 통수형 방음벽을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 전술한 바와 같은 목적은, 본 발명의 일 특징에 따라,
축(軸), 유효직경 및 길이를 가지고, 시단(始端) 종단(終端)이 서로 유체연동가능하게 개구되어 공기 또는 물이 자유롭게 통과하는 통기통로 또는 통수통로를 이루며, 표면에 다수개의 미세 관통공이 형성된 관형(管形) 흡음재; 및
상기 관형 흡음재의 외부 둘레에, 그 흡음재의 축(A) 방향을 따라 형성되는 적어도 하나의 공진챔버를 구비하며;
상기 공진챔버 상호간은 그 각 공진챔버의 내부 체적이 서로 다르게 구성된 것을 특징으로 하는, 통기통로 또는 통수통로 둘레에 공진챔버를 갖는 통기형 또는 통수형 방음벽에 의해 이루어진다.
본 발명의 전술한 바와 같은 목적은, 본 발명의 다른 일 특징에 따라,
전술한 구성에서 상기 통기통로 또는 통수통로의 유효직경은 그 통기통로 또는 통수통로에 접근하는 소리의 파장보다 작음으로써 소리의 주파수가 통기통로 또는 통수통로의 에돌이주파수보다 작은 것을 특징으로 하는, 통기통로 또는 통수통로 둘레에 부등체적의 중첩된 공진챔버를 갖는 통기형 또는 통수형 방음벽에 의해 이루어진다.
또한 본 발명의 전술한 바와 같은 목적은, 본 발명의 다른 일 특징에 따라,
전술한 구성에서 통기통로의 유효직경이 2cm ~ 20cm이거나 통수통로의 유효직경이 5cm ~ 100cm인 것을 특징으로 하는, 하나 또는 복수개의 통기통로 또는 통수통로 둘레에 부등체적의 중첩된 공진챔버를 갖는 통기형 또는 통수형 방음벽에 의해 이루어진다. 하나의 챔버에 통기통로 또는 통수통로를 많이 뚫을수록 공진진동수가 높아진다.
또한 본 발명의 전술한 바와 같은 목적은, 본 발명의 다른 일 특징에 따라,
상기 통기통로 또는 통수통로의 축(A)은 방음벽면과 직각 또는 경사진 것을 특징으로 하는, 통기통로 또는 통수통로 둘레에 부등체적의 중첩된 공진챔버를 갖는 통기형 또는 통수형 방음벽에 의해 이루어진다.
또한 본 발명의 전술한 바와 같은 목적은, 본 발명의 다른 일 특징에 따라,
상기 공진챔버의 부피가 공기 중에서 0.1L ~ 10L이거나, 물속에서 1.6L ~ 250L인 것을 특징으로 하는, 통기통로 또는 통수통로 둘레에 부등체적의 중첩된 공진챔버를 갖는 통기형 또는 통수형 방음벽에 의해 이루어진다.
본 발명에 따른 방음벽을 적용하면 환기와 방음을 동시에 달성할 수 있다.
환기와 방음을 동시에 이룰 수 있어서 도로변의 건물에서 소음피해를 줄일 수 있으며 소음 때문에 환기가 어려운 일이 발생하지 않는다.
방음벽에 구멍이 뚫려있으므로 방음벽 양쪽의 압력차이가 작아 강풍에 의하여 방음벽이 쓰러지지 않으며, 고속주행 열차가 일으키는 주행풍이 방음벽에 누적적으로 미치는 악영향을 줄일 수 있다.
엔진같은 뜨거운 열이 나는 물체도 공랭식 열교환에 의해 환기를 잘 할 수 있어서 폭발의 위험 없이 소음을 차단할 수 있다.
도심을 통과하는 고속도로의 방음벽을 모든 곤충이 자유롭게 통과할 수 있으며, 심지어 작은 새도 통과할 수 있어 생태학적 차단으로 인한 환경문제가 발생하지 않는다.
실내공기를 교체하기 위한 환풍기, 에어컨과 같은 공기조화시스템의 실외기(응축기), 냉각탑이나 배출가스 처리시스템, 산업용 공조기나 산업용 열교환시스템에서와 같은 대형 열교환용 송풍팬이 사용되는 산업설비, 진공청소기, 헤어드라이어, 선풍기, 온풍기, 냉각팬 등과 같이 모터 구동에 따른 송풍 블레이드의 소음이나 모터의 작동소음이 생기는 가전생활용품에 적용하여 기기 고유의 송풍기능을 발휘하면서 그 작동소음을 줄일 수 있다.
물속에서 물을 통과시키면서 차음이 필요한 경우, 예컨대 배나 잠수함과 같은 수상, 수중 교통수단 또는 수중 폭발물이 일으키는 소음으로부터 어류와 같은 수중 생명체의 생태환경을 보호하고자 하는 경우에 본 발명에 따른 통수형 방음벽이 그 유용한 수단을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방음벽 원리를 설명하기 위한 공진챔버의 일반적 구조도로서 (a)는 목길이가 있는 경우이고 (b)는 목길이가 없는 경우를 도시한 것이다.
도 2는 식 2를 그래프로 그린 도면이다.
도 3은 시험에 사용된 방음벽 모듈을 구성하는 단위 흡음블록의 부분확대 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 단위 흡음블록을 구성하는 각 공진챔버의 종방향 단면도이다.
도 5는 방음이 일어나는 주파수영역을 도시한 도면이다.
도 6은 시험결과 확인된 방음이 일어나는 주파수의 영역을 도시한 도면이다.
도 7은 실시예에 대한 간이차음성능 측정시스템의 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른 방음벽 원리를 설명하기 위한 공진챔버의 일반적 구조도이다. 본 발명이 적용되기 위한 단위 흡음블록의 모양은 원통형이든 사각통형이든 상관없다. S는 공진챔버 입구의 면적이고, V는 공진챔버 내부의 부피이며, r은 공진챔버 입구의 반경, L은 공진챔버 목 부분의 길이이다.
공진챔버 부근을 통과하는 음속은 다음 수학식 1처럼 매질의 밀도와 탄성률의 비로 표시된다.
수학식 1
Figure PCTKR2013010664-appb-M000001
여기서
Figure PCTKR2013010664-appb-I000001
는 공기나 물같은 매질의 밀도이고, Beff는 공진챔버 안쪽 매질의 유효탄성률로서, 소리가 공진챔버를 통과할 때 다음 수학식 2처럼 표시된다. 도 2는 수학식 2를 그래프로 그린 것으로, 공진챔버를 배열하고 공진챔버 입구 쪽으로 소리를 보냈을 때 유효부피탄성률의 실수부가 음(陰)이 되는 주파수 영역을 표시한 도면이다.
수학식 2
Figure PCTKR2013010664-appb-M000002
여기서 B는 공진챔버 바깥 매질의 탄성률로서 공기중에서 대략 105 Pa이며, F 는 공진챔버의 배열방법에 따르는 기하학적 요소로서 시험적으로 결정되는 값인데(공진챔버의 부피)/(공기통로의 부피)에 비례한다. Γ는 감쇠요소로 공명이 잘 일어날수록 크기가 작다. ω0는 다음 수학식 3처럼 표시되는 공명진동수다.
수학식 3
Figure PCTKR2013010664-appb-M000003
이 수학식 3에서 c는 음속으로 약 340m/sec, S는 공진챔버 입구의 면적, V는 공진챔버 내부의 부피, L'은 유효 목길이로서 대략 도 1의 목길이 L에 공진챔버 입구의 반경 r을 더한 값이다.
입구가 원형이 아닌 경우에는 다음 수학식 4처럼 입구를 원형으로 가정했을 때의 유효반경 reff을 취한다.
수학식 4
Figure PCTKR2013010664-appb-M000004
하지만 에돌이를 극대화하도록 만들어진 본 발명의 공진챔버는 몸체 가운데에 구멍이 뚫려있고 도 1(b)에 도시한 것처럼 목길이를 두지 않고 몸체와 흡음재로 구분한 경우 구멍의 직경이 D이고 깊이가 t일 때 유효목길이 L은 다음 수학식 5처럼 근사적으로 구해진다.
수학식 5
Figure PCTKR2013010664-appb-M000005
음재의 면적(S)은
Figure PCTKR2013010664-appb-I000002
,
Figure PCTKR2013010664-appb-I000003
이므로, 이들을 같게 두면
Figure PCTKR2013010664-appb-I000004
이고, 따라서 유효목길이는 다음 수학식 6처럼 근사식으로 구할 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2013010664-appb-M000006
L은 공명통의 목길이인데 목이 거의 없이 바로 체적으로 연결되는 에돌이형 공명통의 경우에는 목길이가 흡음재의 두께에 해당한다. 그런데 흡음재의 두께가 유효반경에 비하여 아주 작으면 무시할 수 있다.
Figure PCTKR2013010664-appb-I000005
을 공진진동수 ω0에 대입하면 다음 수학식 7의 관계를 얻는다.
수학식 7
Figure PCTKR2013010664-appb-M000007
한편, 물속에서는 음속이 4~5배 정도 빠르므로 공명진동수도 공기 중에 비해 4~5배 정도 고주파 영역에서 발생한다. 따라서, 공진챔버의 공명주파수는 주로 공진챔버의 부피로 조절되므로, 물속에서 공기 중과 동일한 주파수를 차단하려면, 수중 공진챔버의 부피는 공기 중에 비하여 16배~25배 정도 커야 한다. 공기 중에서 0.1L~10L의 부피를 가지고 차단하는 주파수를 물속에서 차단하려면 1.6L~250L의 부피를 가져야 한다.
전술한 수학식 2에서 감쇠요소가 특별히 크지 않을 때 공진챔버 안쪽 매질의 유효탄성률이 음(陰)이 되는 영역은 다음 수학식 8 및 수학식 9와 같다.
수학식 8
Figure PCTKR2013010664-appb-M000008
또는
수학식 9
Figure PCTKR2013010664-appb-M000009
즉, 공명주파수부터 그 위쪽의 주파수대역이 차단되는데, 차단되는 영역의 크기는, 기하학적 요소로서, 시험에 의해 결정되는데 F값이 클수록 방음영역이 커진다. 공기통로를 방음벽면에 비스듬히 뚫으면 수직으로 뚫은 것에 비하여 방음창의 두께가 얇아도 동일한 감쇠효과를 내지만, F값이 작아져 감쇠주파수 영역이 줄어든다.
도 3 및 도 4와 같은 직경 5cm 의 통기공을 갖는 방음벽 구성에서 차단되는 주파수대역은 (a)는 600Hz~1000Hz, (b)는 1000Hz~1600Hz, (c)는 1400Hz~2300Hz에 해당한다. 수학식 9의 영역이 수학식 1에 의해 소리의 속력이 허수가 되어 소리가 차단되는 영역이다.
한편, 소리가 평면파일 경우 진폭은 수학식 10처럼 지수적으로 감쇠한다.
수학식 10
Figure PCTKR2013010664-appb-M000010
공진챔버의 중앙에 공기가 통과하는 통기통로를 뚫을 경우 이 통기통로를 통과하는 소리가 에돌이 현상을 일으켜야 공진챔버로 흡수된다. 즉, 다음 수학식 11과 같이 통기통로에 접근하는(통과하는) 소리의 파장(λ)이 그 통기통로의 직경(D)보다 크다는 조건, 즉 소리의 주파수(f)가 구멍의 에돌이주파수(fD)보다 작다는 에돌이조건을 만족해야 소리가 차단된다.
수학식 11
Figure PCTKR2013010664-appb-M000011
여기서 f는 소리의 주파수이고, fD는 에돌이주파수이며, c는 음속, D는 통기통로의 유효직경이다. 물속인 경우에는 c에 수중음속을 대입해야 하는데 물속에서는 음속이 대기 중보다 4~5배 정도 빠르므로 동일한 에돌이주파수를 만들려면 구멍의 직경도 이보다 4~5배 정도 커도 충분하다.
에돌이주파수(fD)는
Figure PCTKR2013010664-appb-I000006
로 주어진다. 통기통로의 직경(D)이 5cm인 경우 공기 중에서 에돌이주파수는 약 6,800Hz이하이다.
에돌이가 강할수록 소리가 통기통로 주변에 마련된 공진챔버로 퍼져 들어가고 에돌이가 작을수록 퍼지지 않고 직진한다. 예를 들어 통기통로의 직경이 5cm인 경우 에돌이주파수(fD)는 fD=c/D=6,800Hz 이지만, 20dB 이상의 차음효과를 내는 강력한 에돌이효과는 이 실험에서 사용된 에돌이형 공명기의 경우에 이 값의 약 1/3인 2,300Hz 이하의 주파수에서 효과적으로 나타났다.
공진챔버의 공명주파수와 에돌이주파수가 겹치는 영역이 소리가 차단되는 영역이다. 도 5는 방음이 일어나는 주파수의 영역을 도시한 도면으로서, 도 5에서 짙게 해칭된 부분이 소리가 차단되는 주파수 영역이다. (a)는 공명주파수로부터 탄성률이 음수가 되는 주파수 영역이 에돌이 주파수보다 낮아서 전체가 방음이 되는 경우이고, (b)는 공명주파수는 에돌이 주파수보다 낮으나 탄성률이 음이 되는 영역은 에돌이 주파수보다 높아 방음역역이 축소된 경우이며, (c)는 공명 주파수 영역이 에돌이 주파수 영역보다 높아 방음이 전혀 안 되는 경우이다.
공진챔버 부피를 크게 하여야 저주파를 막을 수 있으며 통기통로의 직경을 작게 하여야 에돌이주파수를 올릴 수 있다. 그러나 통기통로의 직경이 작으면 통기효과가 떨어지므로 방음성을 개선하고자 하는 대상물이 무엇인가에 따라 그 통기성의 요구 및 방음성의 요구 양자의 요구특성을 고려하여, 통기통로의 직경 및 공진챔버 부피의 상대적인 제원을 적절하게 설정할 수 있다.
본 발명에서 공진챔버의 재료는 아크릴, PVC, 유리, 나무, 금속, 콘크리트 등 소리가 통과하지 않는 것이면 무엇이든 다 가능하다. 공진챔버와 공기통로는 흡음재에 의하여 분리된다.
수학식 12
Figure PCTKR2013010664-appb-M000012
흡음재의 임피던스는 흡음재 양쪽의 압력 차이(P)를 흡음재 면적(A)으로 나눈 값이다. 흡음재는 시중에서 유통되는 다양한 다공성의 소재이다.
공진챔버의 부피를 유지시키며 흡음재의 임피던스를 음파의 임피던스와 일치시키면 가장 높은 주파수에서 공명이 일어난다. 흡음재의 임피던스를 음파의 임피던스와 다르게 하면 일부 음파가 반사되어 흡음률은 다소 떨어지나, 수학식 3에서 S가 크거나 작아지는 효과를 내, 공진주파수를 변화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 방음벽구조에서 사용될 수 있는 흡음재는 시중에서 유통되는 다양한 다공성 소재이다. 예를 들어, 공기청정기 에어필터는 먼지와 같은 미립자는 거르고 청정공기만을 통과시키기기 위한 미립자 공기필터로서, KS A 0010에 따르면 공기청정기 에어필터는 지정된 정면속도에서 최대투과입자크기(전형적으로 0.3 )에 대해 최소 90%의 집진효율을 가진 필터로 정의되고 있다. 후술하는 본 발명의 시험에서는 시중에서 널리 사용되고 있는 이러한 공기청정기 에어필터의 대표적인 예인 자동차용 에어필터를 사용하여 시험하였으며, 이와 균등한 성능을 발휘할 수 있는 것으로는 오페라 극장용 흡음천, 10mm 이하의 작은 구멍이 뚫린 폴리에스테르, 폴리우레탄, 종이, 부직포뿐만 아니라, 10mm 이하의 작은 구멍이 뚫린 금속판재, 유리 등과 같은 재료가 본 발명에 따른 방음벽 구조의 흡음재로 사용될 수 있다. 소리의 음파는 에돌이효과로 이러한 흡읍재에 뚫린 미세 구멍을 통과하여 공진챔버 내로 들어가 공명을 일으켜 소멸된다. 본 발명에 따른 방음벽 구조에 사용되는 흡읍재는 단순히 소리가 돌아 나오며 서로 상쇄되어 방음하는 재료와는 차별된다.
도 6은 본 발명의 실제 시험에서 얻은 주파수별 투과손실을 도시한 것이다. 이 그래프를 읽음에 있어서 예컨대 흡음재의 유효직경이 5cm인 그래프의 경우 공진챔버가 3개이면 피크가 3개 나타나야 하지만, 가장 고주파 피크는 실제 나타나는 에돌이 주파수 2,300Hz보다 높아 탈락하고 나머지 2개만 나타난 것이다. 일반적으로 고주파는 산란이 쉽게 일어나므로 차단이 쉽고, 저주파는 상대적으로 산란이 적게 일어나 차단이 어렵다.
(실시예 1)
본 발명에 따른 방음벽 구조체를 후술하는 제원으로 만들어 대전광역시 유성구 장동 171에 소재하는 한국기계연구원에서 그 차음성능을 시험하였다(시험접수번호 : 시스템 350-1-12101)
측정방법은 한국기계연구원에 마련된 간이차음성능시스템을 이용한 시험으로, 차음성능시험규격(ISO 140-3:1995, ASTM E 90-09:2009와 KS F 2808:2001)에 준하여 미니챔버에서 실시된 간이차음성능을 계측하였으며, 시험에 사용된 간이차음성능측정시스템의 개요도는 도 7과 같다.
측정조건은 다음과 같다.
(측정조건)
- 통기동로 유효직경 : 5cm
- 시편면적 W 450 mm × H 600 mm
- 미니챔버용적
음원실(音源室) 체적 : 2.808 m3
수음실(受音室) 체적 : 3.252 m3
시험일자 : 2012. 12. 11
온도 : 27.0 ℃
상대습도 : 47.0 % R.H.
(음원의 종류 및 측정위치)
2개의 스피커를 음원으로 사용하여 동시에 백색잡음(White noise)를 가진하였으며, 총 12지점(음원실 6 지점, 수음실 6 지점)의 측정위치에서 음압을 측정하였다.
(시편의 구성)
도 3은 시험에 사용된 방음벽 모듈을 구성하는 단위 흡음블록의 부분확대 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 단위 흡음블록을 구성하는 각 공진챔버의 종방향 단면도이다.
도 3 및 도 4에 의해 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 방음벽(100)는 수평방향(축A 방향)으로 배열된 통기통로(10) 둘레에 축(A) 방향으로 각각 부피가 다른 3개의 공진챔버(r1)(r2)(r3)가 축A 방향으로 연속하여 중첩 배치된 형태의 단위 흡음블록(20)을 가로 3단×높이 4단으로 쌓아 두께가 단위 흡음블록(20)의 축방향 길이(L=12cm)와 같으며, 전체적으로 면적(W450 mm × H600 mm)의 벽면체를 구성한 것이다.
시험편 제작에 사용된 각 공진챔버는 편의상 아크릴로 제작되었으며, 각 단위 흡음블록(20)의 가로(w)×세로(L)×높이(h) = 15cm ×12cm ×15cm 로서, 전체 방음벽(100)의 가로×세로×높이 = 45cm ×12cm ×60cm이다.
단위 흡음블록(20) 중앙에 축(A)방향으로 원통형으로 뚫린 부분이 다공성 흡음재(30)에 의해 구획되는 통기통로(10)로서, 이 통기통로(10)는 그 시단(始端)과 종단(終端)이 서로 유체연통하는 개구부이어서, 이 시종단을 통해 공기나 물이 자유롭게 통과한다. 각 공진챔버(r1, r2, r3)와 통기통로(10)는 다공성 흠읍재(30)에 의해 통음(通音) 가능하게 분리되는데 본 실시예에서 흡음재(30)는 시중에서 유통되는 자동차 공기청정기용 필터 (두원한라캐빈 활성탄 카본 에어필터)를 사용하였으며 통기통로(10)의 유효직경(D)은 5cm이다.
도 4 (a)(b)(c)는 각각 방음벽 구조를 이루는 단위 흡음블록에 있어서, 격벽(p1)(p2)에 의해 분활됨으로써 내부 부피를 서로 달리하는 3개의 축(A)방향 공진챔버(r1)(r2)(r3)를 도시한 종방향 단면도이다.
도 4의 (a)는 격벽이 사용되지 않음으로써 흠읍재(30)의 바깥 둘레에 구성되는 공진챔버(r1) 공간이 분할되지 않은 단일공간인 것을 알 수 있으며, 도 4의 (b)는 흠음재(30)의 외주면과 공진챔버(r2)의 상하벽 사이에 수직방향으로 놓여지는 수직격벽(p1)에 의해 공진챔버 내부공간이 좌우 2등분으로 분할된 것으로 도 4의 (a)에 도시한 단일공간 공진챔버(r1) 체적에 비해 각 체적이 1/2씩인 것을 알 수 있다. 도 4의 (c)는 흠음재(30)의 외주면과 공진챔버(r3)의 좌우벽 및 상하벽 사이에 수평방향 및 수직방향으로 놓여지는 수직격벽(p1)과 수평격벽(p2)에 의해 공진챔버(r3)의 내부공간이 상하좌우 4등분으로 분할된 것으로 도 4의 (a)에 도시한 단일공간 공진챔버(r1)의 체적에 비해 체적이 각각 1/4씩인 것을 알 수 있다.
본 발명은 이처럼 통기하고자 하는 공기의 진행방향((축(A)방향))에 따라 그 통기통로(10)와 공진챔버 간의 경계를 규정하는 다공성 흡읍재(30)의 외부 둘레에 서로 체적을 달리하는 복수개의 공진챔버(r1, r2, r3)를 배치함으로써 전체적으로 소리의 차음 주파수 대역을 넓힌 것이다. 공진챔버의 부피가 클수록 저주파 영역의 소리가 흡수되어 소멸되고, 공진챔버의 부피가 작을수록 고주파 영역의 소리가 흡수되어 소멸된다. 따라서 분할없이 단일 체적공간인 도 4(a)의 공진챔버(r1)인 경우 흡수 타겟주파수 대역은 저주파인 600Hz~1000Hz이고, 1/2체적 공간으로 분할된 도 4(b)의 공진챔버(r2)의 경우의 흡수 타겟주파수 대역은 중간대역인 1000Hz~1600Hz이며, 1/4체적 공간으로 분할된 도 4(c)의 공진챔버(r3)의 경우에는 가장 공진챔버의 체적이 작은 구성으로서 흡수 타겟주파수 대역은 고주파 대역인 1400Hz ~2300Hz에 해당한다.
(실시예 2)
전술한 실시예 1의 통기통로(10)의 직경(D)이 5cm인 것에 반하여, 실시예 2는 통기통로(10)의 유효직경(D)을 2cm로 구성하는 것을 제외하고는 그 나머지 구성이 전술한 실시예 1의 구성과 같다.
다음 표 1은 전술한 실시예 1 및 실시예 2에 대한 시험결과를 정리한 표이며 도 6은 그 전송 손실음압을 그린 그래프이다.
표 1
1/3 옥타브밴드 중심 주파수 전송 음압손실(dB)
실시예 1 실시예 2
400 11.8 34.2
500 10.9 32.0
630 18.0 28.7
800 29.5 34.6
1000 32.8 33.7
1250 29.6 26.0
1600 35.8 35.1
2000 26.3 34.7
2500 14.3 28.0
3150 18.2 34.3
4000 18.4 39.2
5000 20.9 27.9
평균 22.2 32.4
전술한 바 있듯이, 사람이 들을 수 있는 주파수 영역은 20Hz-20KHz이지만 기계음은 대부분 고주파로써 500Hz 이상이며 5KHz 이상의 고주파는 쉽게 산란되어 멀리 가지 못하는 것을 고려하는 한편 대부분의 방음창이나 방음벽이 500Hz~5000Hz 범위를 막으면 충분한 것을 고려할 때, 위 표 1에서 알 수 있듯이, 400Hz ~ 5000Hz 범위에 걸쳐 양 실시예 모두 전체적으로 평균 20dB이상의 음압 투과손실이 있는 것을 알 수 있는 외에, 특히 실시예 1과 같은 구성의 방음벽의 경우, 산업적으로 경쟁력이 있는 차음효과(20dB이상)를 꾀할 수 있는 유효 차단주파수 대역이 700Hz ~ 2300Hz인 것을 알 수 있고, 실시예 2와 같은 구성의 방음벽으로는 400Hz ~ 5000Hz 전 차단 타겟주파수 대역에 걸쳐 충분히 산업적으로 유용성(경쟁력)이 있는 차음효과(20dB이상) 달성할 수 있는 것을 알 수 있다.
한편 전술한 실시예로서 통기통로(10)의 유효직경(D)을 2cm 와 5cm 인 두 경우를 제시하여 시험하였지만, 이 실시예 외에도 통기통로의 유효직경(D)이 20cm인 경우까지 유용한 차음성능을 얻을 수 있는 것으로 확인되었다. 공기통로 직경이 5cm보다 큰 경우에도 방음이 되려면 도 5의 에돌이 조건과 음의 탄성률 조건을 동시에 만족해야 한다. 예컨대 직경이 10cm인 경우 에돌이 조건은
Figure PCTKR2013010664-appb-I000007
인데 20dB 이상의 차음효과를 내는 에돌이 주파수는 에돌이형 공명기인 경우 이 값의 약1/3인 1.1KHz정도다. 따라서 1.1KHz 이하의 주파수영역만 20dB 이상의 차음이 가능하다. 공명통의 부피는 에돌이 주파수 이하에서 공명이 일어날 수 있도록 크게 하여야 한다. 이와 마찬가지로 직경이 50cm인 경우에는
Figure PCTKR2013010664-appb-I000008
로서 이 값의 1/3인 230Hz이하만 20dB 이상의 차음효과를 낼 수 있다. 물속에서는 음속이 공기 중에 비하여 4~5배 정도 빠르므로 에돌이 주파수가 이보다 4~5배 높아진다.
한편, 전술한 두 실시예에서는 흡음재(30)가 단위 흡음블록(20)의 중앙부에 놓이는 구성을 예시하였지만 반드시 중앙에 위치할 필요는 없으며, 또한 흡음재(30)에 의해 구성되는 통기통로(10)의 형상도 반드시 원통형일 필요는 없고 사각통형과 같은 다양한 형상의 관형(管形)이어도 된다. 시험예에서 공진챔버의 재질은 아크릴이었지만 유리나 나무, 플라스틱, 금속, 콘크리트 등 소리를 차단할 수 있는 재질은 모두 쓸 수 있다.
전술한 두 실시예에서 단위 흡음블록(20)을 구성함에 있어서 흡음재(30)의 둘레에 수평방향(축(A)방향)으로 중첩하는 복수개의 공진챔버(r1, r2, r3) 내의 격벽(p1, p2)에 의해 분할되는 부등체적(不等體積)의 구성을 상대적으로 1, 1/2, 1/4 체적의 순서로 구성하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 차단해야하는 주파수 대역이 크게 2곳에 떨어져 위치하면 2개의 공진챔버를 중첩시켜 차단하고, 크게 3곳에 떨어져 위치하면 3개의 공진챔버를 중첩시켜 차단하며, 차단하고자 하는 주파수 대역을 어느 특정 대역만으로 하여도 원하는 정도의 소음효과를 얻을 수 있는 경우에는 부피가 다른 공진챔버를 중첩하지 않고 단일 챔버만으로 구성할 수도 있다.
한편 본 발명에서 통기통로(10)를 직선으로, 즉 단위 흡음블록(20)의 축(A)이 방음벽에 대하여 직각되게 구성하였으나 반드시 이러한 직각의 직선형 통기통로(10)에 국한되는 것은 아니며, 곡선 또는 경사진 통기통로로도 구성할 수도 있는데, 곡선이나 경사진 통기통로의 경우에는 통기성은 다소 훼손될 수 있지만 예시한 실시예의 경우보다 훨씬 더 얇은 두께의 방음벽 구조체를 구성할 수 있는 장점이 있다.
또한 전술한 본 발명에 따른 방음벽으로 전체적으로 사각벽면 형상의 것을 제시하였으나, 이에 국한되지 않고 원통형(원반형)의 것도 가능하고, 타원형의 것도 가능하며, 다각형 형상의 것도 가능함은 물론이다. 이는 본 발명에 따른 방음벽이 방음(차음) 효과를 얻고자 하는 대상물이 무엇인가에 따라, 다양한 형상으로 구성될 수 있는 것으로 이해되어야 하는 것을 의미한다.
또한 전술한 본 발명에 따른 방음벽(100)에 사용된 각 단위 흡음블록(20)은 그 단위 흡음블록 간의 체적이 서로 동일한 것으로 예시적으로 12개 모아서 적층하여 구성하였으나, 본 발명에 따른 방음벽은 경우에 따라 단위 흡음블록(20) 하나만으로도 구성될 수 있는 것으로 이해되어야 하고, 단위 흡음블록(20) 상호간의 체적이 서로 다른 것을 모아서 하나의 방음벽(100)를 구성할 수도 있으며, 나아가 한 방음벽면을 구성하는 각 단위 흡음블록(20) 내의 통기통로(10)의 유효직경(D)을 방음벽면의 전체적인 통기성을 훼손하지 않는 범위에서(요청되는 통기성능을 확보하는 범위 내에서) 서로 다르게 이종(異種)의 직경으로 복합 구성할 수도 있으며, 통기통로(10)의 배열 또는 단위 흡음블록(20)의 배열을 격자상의 배열로 하는 외에 방사상 배열, 벌집모양의 하니콤 배열 등 다양한 배열로 구성하는 경우도 본 발명의 범위 내인 것으로 이해되어야 한다.
또한 방음벽(100) 전체의 입체적인 형상이 판형(板形)의 벽면형상이 아니라 예컨대 럭비공과 같은 비(非) 판형으로 구성할 수도 있는데, 이는 예컨대 진공청소기나 헤어드라이어처럼 방음 내지 차음하고자 하는 물체의 기본 몸통이 부정형인 경우에 이러한 부정형 몸체 형상에 부합하는 다양한 형태로 구성하는 경우에도 적용할 수 있는 점에서 의미가 있다.
또한 본 발명은 각 단위 흡음블록(20)의 구성에 있어서 흡음재(30)를, 그 주변에 형성되는 공진챔버로부터 분리 결합될 수 있게 조립식(착탈식)으로 구성할 수도 있는데, 이런 조립식 구성은 경시적(經時的)으로 흡음재(30)에 형성된 에돌이흡음을 위한 미세 통기공이 먼지 등에 의해 막힘으로써 차음성능이 떨어지는 경우 그 흡읍재(30)만을 분리하여 세척한 후 재장착하여 사용하거나 또는 새로운 흡읍재로 교체하여 사용할 수 있는 이점이 있다. 또한 전술한 바 있듯이 임피던스(흡음재 양쪽의 압력 차이와 면적의 비) 변화형 흡음재는 공진주파수를 변화시키기 위해 사용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 축(A), 유효직경(D) 및 축 방향 길이(L)을 가지고 시단(始端) 종단(終端)이 서로 유체연동가능하게 개구되어 공기가 자유롭게 통과하는 통기통로(10)를 이루며, 표면에 다수개의 미세 관통공이 형성된 관형(寬刑) 흡음재(30); 및
    상기 관형 흡음재(30)의 외부 둘레에, 그 흡음재의 축(A)방향 길이를 따라 형성되는 적어도 하나의 공진챔버;를 갖는 것을 특징으로 하는, 통기통로 둘레에 공진챔버를 갖는 통기형 방음벽
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 통기통로(10)의 유효직경(D)은 그 통기통로에 접근하는 소리의 파장(λ)보다 작음으로써 소리의 주파수(f)가 통기통로의 에돌이주파수(fD)(fD = C/D, C : 음속, D는 통기통로의 유효직경)보다 작은 것을 특징으로 하는, 통기통로 둘레에 공진챔버를 갖는 통기형 방음벽
  3. 청구항 1 또는 2에서,
    상기 통기통로(10)의 유효직경(D)은 2cm ~ 20cm인 것을 특징으로 하는, 통기통로 둘레에 공진챔버를 갖는 통기형 방음벽
  4. 청구항 1 또는 2에서,
    상기 관형 흡음재(30)는 그 임피던스를 조절하여 공명진동수를 조절하는 것을 특징으로 하는, 통기통로 둘레에 공진챔버를 갖는 통기형 방음벽
  5. 청구항 1 또는 2에서,
    상기 공진챔버(10)의 부피는 0.1L ~10L인 것을 특징으로 하는, 통기통로 둘레에 공진챔버를 갖는 통기형 방음벽
  6. 축(A), 유효직경(D) 및 축방향 길이(L)을 가지고 시단(始端) 종단(終端)이 서로 유체연동가능하게 개구되어 물이 자유롭게 통과하는 통수통로(10)를 이루며,
    상기 관형 통수통로(10)의 외부 둘레에, 그 축(A)방향 길이를 따라 형성되는 적어도 하나의 공진챔버를 갖는 통수형 방음벽
  7. 청구항 6에서,
    상기 통수통로(10)의 유효직경(D)은 5cm ~ 100cm인 것을 특징으로 하는, 통수통로 둘레에 공진챔버를 갖는 통수형 방음벽
  8. 청구항 6 또는 7에서,
    상기 공진챔버의 부피는 1.6L ~ 250L인 것을 특징으로 하는, 통수통로 둘레에 공진챔버를 갖는 통수형 방음벽
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