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KR102424415B1 - Sound absorbing apparatus - Google Patents

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KR102424415B1
KR102424415B1 KR1020200105571A KR20200105571A KR102424415B1 KR 102424415 B1 KR102424415 B1 KR 102424415B1 KR 1020200105571 A KR1020200105571 A KR 1020200105571A KR 20200105571 A KR20200105571 A KR 20200105571A KR 102424415 B1 KR102424415 B1 KR 102424415B1
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KR
South Korea
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resonator
unit cells
absorbing device
sound absorbing
incident
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KR1020200105571A
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KR20220023621A (en
Inventor
전원주
김지완
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한국과학기술원
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Publication date
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치는, 곡면 상에 배열된 복수의 단위 셀을 포함하는 흡음 장치로서, 상기 복수의 단위 셀 각각은, 입사되는 음파에 나란한 평면 상에서, 상기 입사되는 음파가 상기 단위 셀 중심에서의 법선과 이루는 입사각이 서로 다르게 배열되고, 내부에 공간을 가지며 상기 입사되는 음파를 향하는 방향으로 상기 공간을 외부와 연통시키는 홀이 형성된 한 쌍의 헬름홀츠 공명기를 포함한다.The sound absorbing device according to an embodiment of the present invention is a sound absorbing device including a plurality of unit cells arranged on a curved surface, wherein each of the plurality of unit cells, on a plane parallel to the incident sound wave, the incident sound wave is the It includes a pair of Helmholtz resonators having different incident angles from the normal at the center of the unit cell, having a space therein, and a hole communicating the space with the outside in a direction toward the incident sound wave.

Description

흡음 장치 {SOUND ABSORBING APPARATUS}Sound Absorption Device {SOUND ABSORBING APPARATUS}

본 발명은 흡음 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 곡면 상에 설치되는 흡음 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a sound absorbing device, and more particularly, to a sound absorbing device installed on a curved surface.

흡음은 가전제품에서 각종 기계 및 전력 설비에 이르기까지 소음 완화를 위해 중요한 기술이다. Sound absorption is an important technology for noise mitigation from home appliances to various machines and power facilities.

전통적으로 다공성 재료의 에너지 소산 특성을 이용하는 흡음 방법이 널리 사용되고 있으나, 다공성 재료를 이용하여 파장이 긴 저주파수 소리를 흡수하기 위해서는 두꺼운 재료의 사용이 불가피하다. Traditionally, a sound absorption method using the energy dissipation characteristics of a porous material is widely used, but in order to absorb a low-frequency sound with a long wavelength using a porous material, the use of a thick material is unavoidable.

최근, 두께가 파장에 비해 매우 얇으면서 소리를 완벽하게 흡수할 수 있는 음향 메타표면을 이용하는 흡음 기술이 활발히 연구되고 있다.Recently, a sound absorbing technology using an acoustic metasurface that can perfectly absorb sound while being very thin compared to the wavelength has been actively studied.

그러나, 기존 연구들은 대부분 평면 형태의 구조물을 고려한 것으로, 평면에 부착되는 흡음 구조물에 국한되는 한계가 있다. 따라서, 기존 연구들이 곡면 구조물에 적용될 시 높은 흡음률로 소음을 완벽하게 흡수하지 못한다.However, most of the existing studies have considered a planar structure, and there is a limit to being limited to a sound-absorbing structure attached to a flat surface. Therefore, when the existing studies are applied to curved structures, they cannot completely absorb noise with a high sound absorption coefficient.

따라서, 곡면 구조물에 적용이 가능하면서 높은 흡음률로 소음을 완벽하게 흡수할 수 있는 흡음 장치가 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for a sound absorbing device that can perfectly absorb noise with a high sound absorption rate while being applicable to curved structures.

한국 공개특허공보 제10-2019-0109893호(2019.09.27.)Korean Patent Publication No. 10-2019-0109893 (2019.09.27.)

본 발명의 일 측면은 곡면 상에 설치되어 소음을 완벽하게 흡수할 수 있는 흡음 장치를 제공하고자 한다.One aspect of the present invention is to provide a sound absorbing device that is installed on a curved surface to perfectly absorb noise.

본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치는, 곡면 상에 배열된 복수의 단위 셀을 포함하는 흡음 장치로서, 상기 복수의 단위 셀 각각은, 입사되는 음파에 나란한 평면 상에서, 상기 입사되는 음파가 상기 단위 셀 중심에서의 법선과 이루는 입사각이 서로 다르게 배열되고, 내부에 공간을 가지며 상기 입사되는 음파를 향하는 방향으로 상기 공간을 외부와 연통시키는 홀이 형성된 한 쌍의 헬름홀츠 공명기를 포함한다.The sound absorbing device according to an embodiment of the present invention is a sound absorbing device including a plurality of unit cells arranged on a curved surface, wherein each of the plurality of unit cells, on a plane parallel to the incident sound wave, the incident sound wave is the It includes a pair of Helmholtz resonators having different incident angles from the normal at the center of the unit cell, having a space therein, and a hole communicating the space with the outside in a direction toward the incident sound wave.

상기 한 쌍의 헬름홀츠 공명기는 상기 홀의 크기가 서로 다를 수 있다.The pair of Helmholtz resonators may have different sizes of the holes.

상기 한 쌍의 헬름홀츠 공명기는 상기 홀의 크기가 상대적으로 작은 제 1 공명기와 상기 홀의 크기가 상대적으로 큰 제 2 공명기로 구성되고, 상기 복수의 단위 셀 간에는 상기 제 1 공명기 및 상기 제 2 공명기의 홀의 크기가 서로 다를 수 있다.The pair of Helmholtz resonators includes a first resonator having a relatively small hole size and a second resonator having a relatively large hole size, and between the plurality of unit cells, the size of the holes of the first resonator and the second resonator may be different from each other.

상기 평면 상에서, 상기 제 1 공명기 및 상기 제 2 공명기가 교번하여 배열될 수 있다.On the plane, the first resonator and the second resonator may be alternately arranged.

상기 복수의 단위 셀은 상기 입사각이 커질수록 상기 제 1 공명기 및 상기 제 2 공명기 간에 상기 홀의 크기의 차이가 커질 수 있다.In the plurality of unit cells, as the incident angle increases, a difference in the size of the hole between the first resonator and the second resonator may increase.

상기 한 쌍의 헬름홀츠 공명기는 상기 공간의 부피 및 상기 홀의 깊이가 동일할 수 있다.The pair of Helmholtz resonators may have the same volume of the space and the same depth of the hole.

상기 평면 상에서, 상기 복수의 단위 셀은 서로 중첩되지 않도록 일측으로 인접하게 배열될 수 있다.On the plane, the plurality of unit cells may be arranged adjacent to each other so as not to overlap each other.

상기 복수의 단위 셀 각각은, 상기 입사되는 음파를 향한 전방면이 평면 형상을 갖고, 인접한 단위 셀의 전방면 간에는 180도 미만의 각도가 형성될 수 있다.Each of the plurality of unit cells may have a planar front surface toward the incident sound wave, and an angle of less than 180 degrees may be formed between the front surfaces of adjacent unit cells.

상기 곡면은 상기 평면 상에서 곡률을 갖고, 상기 평면에 수직한 방향으로 곡률이 일정할 수 있다.The curved surface may have a curvature on the plane, and the curvature may be constant in a direction perpendicular to the plane.

상기 한 쌍의 헬름홀츠 공명기에서 반사되는 음파 간의 위상이 반대일 수 있다.The phases between the sound waves reflected from the pair of Helmholtz resonators may be opposite to each other.

상기 한 쌍의 헬름홀츠 공명기 각각은 동일한 크기의 사각 기둥 형상을 갖고, 상기 단위 셀은, 상기 사각 기둥 형상을 갖는 한 쌍의 헬름홀츠 공명기가 일 측면을 접하여 서로 나란하게 배열된 형태를 가질 수 있다.Each of the pair of Helmholtz resonators may have a quadrangular prism shape of the same size, and the unit cell may have a form in which a pair of Helmholtz resonators having the quadrangular prism shape are arranged in parallel with one another in contact with one side.

상기 한 쌍의 헬름홀츠 공명기 각각의 한변의 길이는 상기 입사되는 음파의 파장보다 작을 수 있다.A length of one side of each of the pair of Helmholtz resonators may be smaller than a wavelength of the incident sound wave.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 얇은 두께를 갖고 곡면 상에 설치될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it may have a thin thickness and be installed on a curved surface.

또한, 곡면 구조물에 설치되어 소음을 완벽하게 흡수할 수 있다.In addition, it can be installed on a curved structure to perfectly absorb noise.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치가 설치된 모습을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 단위 셀의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 단위 셀의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치에서 입사각에 따른 단위 셀의 형태와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 인접한 단위 셀 간의 결합 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치에서 단위 셀 간의 결합 관계의 다양한 형태를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 다양한 형태에 대한 흡음 성능을 비교한 그래프이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 설계 예시 및 성능을 설명하기 위한 도면이다.1 is a perspective view illustrating a state in which a sound absorbing device according to an embodiment of the present invention is installed.
2 is a cross-sectional view of a sound absorbing device according to an embodiment of the present invention.
3 is a perspective view of a unit cell of a sound absorbing device according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of a unit cell of a sound absorbing device according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing the relationship between the shape of the unit cell according to the angle of incidence in the sound absorbing device according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a coupling relationship between adjacent unit cells.
7 is a view showing various forms of the coupling relationship between the unit cells in the sound absorbing device according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph comparing the sound absorption performance of the various types of FIG.
9 to 12 are diagrams for explaining a design example and performance of a sound absorbing device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described below. And the same reference numerals in the present specification and drawings indicate the same components.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar components throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily indicated for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to the illustrated bar.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, it includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "indirectly connected" with another member interposed therebetween. In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치가 설치된 모습을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 단면도이다.1 is a perspective view illustrating a state in which a sound absorbing device according to an embodiment of the present invention is installed, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the sound absorbing device according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 곡면 상에 배열된 복수의 단위 셀(U)을 포함한다. 전체적으로 곡면을 덮는 얇은 두께의 패널(panel) 형태를 가지며, 곡면을 갖는 구조물(T)의 표면(곡면)에 부착되어 소음을 완벽하게 흡수하는 음향 메타 표면(Metasurface)으로 기능할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 입사되는 음파의 1/24의 두께를 가질 수 있다.1 and 2, the sound absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of unit cells (U) arranged on a curved surface. It has a panel shape of a thin thickness that covers the entire curved surface, and is attached to the surface (curved surface) of the structure T having a curved surface and can function as an acoustic metasurface that perfectly absorbs noise. The sound absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention may have a thickness of 1/24 of an incident sound wave.

본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 입사되는 음파(W)에 나란한 평면(x-y 평면) 상에서 곡률을 갖고, 전술한 평면(x-y 평면)에 수직한 방향으로(z축 방향으로) 곡률이 일정한 곡면 상에 복수의 단위 셀(U)이 배열된 형태를 가질 수 있다. 여기서, 입사되는 음파에 나란한 평면이란, 입사되는 음파의 파수 벡터(wave vector, 파동의 진행을 묘사하는 벡터)를 포함하는 면을 의미한다. The sound absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention has a curvature on a plane (x-y plane) parallel to the incident sound wave W, and in a direction perpendicular to the aforementioned plane (x-y plane) (in the z-axis direction) A plurality of unit cells U may be arranged on a curved surface having a constant curvature. Here, the plane parallel to the incident sound wave means a plane including a wave vector (a vector describing the propagation of the wave) of the incident sound wave.

이 때, x-y 평면 상에서, 복수의 단위 셀(U)은 서로 중첩되지 않도록 일측으로 인접하게 배열될 수 있다. 즉, x-y 평면의 곡면을 따라 단위 셀(U)들은 국부적으로 다른 입사각을 갖는 반면에, z축을 따라서는 입사각이 동일하게 유지된다. 따라서, z축에 대해 한 층의 흡음 구조를 설계한 뒤 동일한 구조를 z축 방향으로 반복 배열하여 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 구성할 수 있다. In this case, on the x-y plane, the plurality of unit cells U may be arranged adjacent to each other so as not to overlap each other. That is, the unit cells U have different incident angles locally along the curved surface of the x-y plane, while the incident angles remain the same along the z-axis. Therefore, after designing a sound-absorbing structure of one layer with respect to the z-axis, the same structure may be repeatedly arranged in the z-axis direction to configure the sound-absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)는, x-y 평면 상에서, 각 단위 셀(U)에 대한 음파(W)의 입사각(θ)이 서로 다르게 배열될 수 있다. 이 때, 입사각(θ)은 각 단위 셀(U)의 중심을 기준으로 x-y 평면 상에서 정의되는데, 입사되는 음파(W)가 각 단위 셀(U)의 중심에서의 법선(N, 도 4 참조)과 이루는 각도를 입사각으로 정의한다. 여기서 각도를 반시계 방향을 +, 시계 방향을 -로 정의하면, 각 단위 셀(U)의 입사각(θ)은 -90°< θ < 90°범위일 수 있다.In the sound absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention, the incident angle θ of the sound wave W with respect to each unit cell U may be arranged differently on the x-y plane. At this time, the incident angle θ is defined on the x-y plane with respect to the center of each unit cell U, and the incident sound wave W is a normal line at the center of each unit cell U (N, see FIG. 4 ). The angle formed by and is defined as the angle of incidence. Here, when the counterclockwise direction is defined as + and the clockwise direction is defined as -, the incident angle θ of each unit cell U may be in the range of -90°<θ<90°.

흡음 장치(100)를 구성하는 단위 셀(U)들은 입사되는 음파(W)를 향하는 방향으로 홀이 형성될 수 있으며, 홀은 단위 셀(U)의 외부와 내부 공간을 연통시키도록 단위 셀(U)의 전방면을 관통할 수 있다. 즉, 단위 셀(U)은 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)와 같은 역할을 수행할 수 있는데, 이하 단위 셀(U)의 상세한 구조를 설명한다. The unit cells (U) constituting the sound absorbing device 100 may have a hole formed in a direction toward the incident sound wave (W), and the hole is a unit cell (U) to communicate the external and internal space of the unit cell (U). It can penetrate the front surface of U). That is, the unit cell U may perform the same role as a Helmholtz resonator. Hereinafter, a detailed structure of the unit cell U will be described.

한편, 본 명세서에서는 입사되는 음파를 향하는 방향을 전방, 그 반대 방향을 후방으로 정의한다.Meanwhile, in this specification, the direction toward the incident sound wave is defined as the front, and the opposite direction is defined as the rear.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 단위 셀의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 단위 셀의 단면도이다.Figure 3 is a perspective view of a unit cell of the sound absorbing device according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a cross-sectional view of the unit cell of the sound absorbing device according to an embodiment of the present invention.

도 3 및 도 4를 참조하면, 단위 셀(U) 각각은 한 쌍의 헬름홀츠 공명기(110, 120)를 포함할 수 있다.3 and 4 , each of the unit cells U may include a pair of Helmholtz resonators 110 and 120 .

헬름홀츠 공명기 각각은, 내부에 소정 부피를 갖는 공간(S)을 가지며 입사되는 음파를 향하는 방향(전방)으로 공간(S)을 외부와 연통시키는 홀(115, 125)이 형성된다. 또한, 홀(115, 125)은 각각 서로 다른 크기를 갖는데, 예를 들어, r1, r2의 반지름을 가질 수 있다. 또한, 홀(115, 125)은 헬름홀츠 공명기의 외부와 내부의 공간(S)을 관통시키도록 연장되는 홀의 깊이(l)를 갖는다. 본 명세서에서는 단위 셀(U)를 구성하는 홀의 크기가 서로 다른 한 쌍의 헬름홀츠 공명기를 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120)로 정의하는데, 홀의 크기가 상대적으로 작은(예컨대, 홀의 반지름이 r1) 헬름홀츠 공명기를 제 1 공명기, 홀의 크기가 상대적으로 큰(예컨대, 홀의 반지름이 r2) 헬름홀츠 공명기를 제 2 공명기로 정의한다. 즉, r1 < r2 이다.Each of the Helmholtz resonators has a space S having a predetermined volume therein, and holes 115 and 125 for communicating the space S with the outside in the direction (front) toward the incident sound wave are formed. Also, the holes 115 and 125 have different sizes, for example, r 1 and r 2 may have radii. In addition, the holes 115 and 125 have a depth l of the hole extending to penetrate the space S outside and inside the Helmholtz resonator. In the present specification, a pair of Helmholtz resonators having different sizes of holes constituting the unit cell U are defined as the first resonator 110 and the second resonator 120, and the size of the hole is relatively small (eg, the radius of the hole). The r 1 ) Helmholtz resonator is defined as a first resonator, and a Helmholtz resonator having a relatively large hole size (eg, a hole radius r 2 ) is defined as a second resonator. That is, r 1 < r 2 .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120)는 공간(S)의 부피, 홀의 깊이(l)는 서로 동일할 수 있다. 따라서, 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)는 홀의 크기가 서로 다름에 따라 서로 다른 흡음 주파수를 갖게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)의 홀의 크기, 예를 들어 임의의 입사각(θ)이 주어질 때, 홀의 반지름 만을 조절하여, 목표 주파수에서 각 공명기에서 반대 위상의 음파가 반사되게 할 수 있다. 이에 따라, 단위 셀(U)에서 완벽한 흡음 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first resonator 110 and the second resonator 120 may have the same volume of the space S and the depth l of the hole. Accordingly, the first resonator 110 and the second resonator 120 have different sound absorption frequencies as the size of the hole is different from each other. According to an embodiment of the present invention, when the size of the holes of the first resonator 110 and the second resonator 120, for example, an arbitrary angle of incidence (θ) is given, only the radius of the hole is adjusted by adjusting each resonator at the target frequency. can cause sound waves of opposite phases to be reflected. Accordingly, it is possible to exhibit a perfect sound absorption effect in the unit cell (U).

도 3 및 도 4를 참조하면, 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)는 사각 기둥 형상을 가질 수 있다. 다만 이는 예시적인 형상이며, 사각 기둥 외에도 원기둥, 다각 기둥 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 단위 셀(U)을 구성하는 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)가 각각 동일한 크기의 사각 기둥 형상을 갖는 형태를 예시적으로 설명한다.3 and 4 , the first resonator 110 and the second resonator 120 may have a rectangular column shape. However, this is an exemplary shape, and may have various shapes such as a cylindrical column and a polygonal column in addition to a square column. However, the sound absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention exemplifies a form in which the first resonator 110 and the second resonator 120 constituting the unit cell U have a rectangular pole shape of the same size, respectively. explain negatively.

도 3 및 도 4를 참조하면, 단위 셀(U)은, 사각 기둥(예를 들어, 직사각 기둥) 형상을 갖는 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)가 일 측면을 접하여 서로 나란하게 배열된 구조를 가질 수 있다. 따라서, 단위 셀(U)의 전방면이 평면 형상을 가질 수 있다.Referring to FIGS. 3 and 4 , the unit cell U has a first resonator 110 and a second resonator 120 having a rectangular pole (eg, a rectangular pole) shape so that one side is in contact with each other and parallel to each other. It may have an arranged structure. Accordingly, the front surface of the unit cell U may have a planar shape.

보다 상세히, 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)는 a*d*b의 사각기둥 부피를 갖는 공간(S), 홀의 깊이는 l일 수 있다. 즉, 홀의 반지름을 제외하고 동일한 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 단위 셀(U)은 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)를 합친 사각 기둥 형태(D1*D2*H)를 가질 수 있고, 전방면에는 두 개의 홀(115, 125)이 배열될 수 있다.In more detail, the first resonator 110 and the second resonator 120 may be a space (S) having a square prism volume of a*d*b, and the depth of the hole may be l. That is, it may have the same structure except for the radius of the hole. Accordingly, the unit cell U may have a quadrangular prism shape (D 1 *D 2 *H) that combines the first resonator 110 and the second resonator 120, and has two holes 115, 125) can be arranged.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 단위 셀(U) 서로 간에는 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120)의 홀의 크기가 서로 다를 수 있다. 즉, 일 단위 셀을 구성하는 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120)의 홀(115, 125)의 반지름이 각각 r1, r2 이면, 다른 단위 셀을 구성하는 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120)의 홀(115, 125)의 반지름이 각각 r1, r2 와는 다른 r1', r2' 일 수 있다. 다시 말해, 단위 셀(U) 각각을 구성하는 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120) 서로 간 홀의 크기가 각각 r1 및 r2 로 서로 다르고, 복수의 단위 셀(U)들 서로 간 제 1 공명기(110)의 홀(115)의 크기(r1) 및 제 2 공명기(120)의 홀의 크기(r2)가 서로 다를 수 있다. Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the sizes of the holes of the first resonator 110 and the second resonator 120 may be different between the plurality of unit cells U. That is, if the radii of the holes 115 and 125 of the first resonator 110 and the second resonator 120 constituting one unit cell are r 1 , r 2 , respectively, the first resonator 110 constituting another unit cell ) and the radius of the holes 115 and 125 of the second resonator 120 , respectively, r 1 , r 2 , r 1 ', r 2 ' may be different from those of r 1 ', r 2 '. In other words, the size of the holes between the first resonator 110 and the second resonator 120 constituting each of the unit cells U are different from each other by r 1 and r 2 , respectively, and the plurality of unit cells U are interposed between each other. The size r 1 of the hole 115 of the first resonator 110 and the size r 2 of the hole of the second resonator 120 may be different from each other.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120) 각각의 한변의 길이는 입사되는 음파(W)의 파장보다 작을 수 있다. 예를 들어, D1 = λ/10, D2 = λ/18, H = λ/24, a = λ/22, b = λ/34, d = λ/22, l = λ/86 일 수 있다(도 4 참조, λ: 음파의 파장). 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120) 각각의 한변의 길이는 입사되는 음파(W)의 파장보다 매우 작은 크기를 가질 수 있다.Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the length of each side of the first resonator 110 and the second resonator 120 may be smaller than the wavelength of the incident sound wave (W). For example, D 1 = λ/10, D 2 = λ/18, H = λ/24, a = λ/22, b = λ/34, d = λ/22, l = λ/86 (See FIG. 4, λ: wavelength of sound wave). That is, according to an embodiment of the present invention, the length of one side of each of the first resonator 110 and the second resonator 120 may have a size much smaller than the wavelength of the incident sound wave (W).

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치에서 입사각에 따른 단위 셀의 형태와의 관계를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the relationship between the shape of the unit cell according to the angle of incidence in the sound absorbing device according to an embodiment of the present invention.

도 5는 목표 주파수가 1000 Hz인 경우, 완벽 흡음(99% 이상)이 이루어지는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)가 0°≤θ < 90°의 입사각 θ 가 10° 간격으로 바뀔 때 각 입사각에 대한 단위 셀(U) 내 제 1, 2 공명기(110, 120)의 홀 반지름(r1, r2) 설계 결과이다. 여기서, D1 = λ/10, D2 = λ/18, H = λ/24, a = λ/22, b = λ/34, d = λ/22, l = λ/86 로 설계하였다.5 shows that when the target frequency is 1000 Hz, the sound absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention in which perfect sound absorption (99% or more) is made is changed at an angle of incidence θ of 0°≤θ < 90° at intervals of 10° When the hole radius (r 1 , r 2 ) of the first and second resonators 110 and 120 in the unit cell U for each incident angle is a design result. Here, D 1 = λ/10, D 2 = λ/18, H = λ/24, a = λ/22, b = λ/34, d = λ/22, and l = λ/86 were designed.

도 5를 참조하면, 입사각(θ)에 따라 단위 셀(U) 내 제 1, 2 공명기(110, 120)의 홀 반지름(r1, r2)이 달라지며, 단위 셀(U)의 입사각(θ)이 커질수록 단위 셀(U) 내 제 1 공명기 및 제 2 공명기 간에 홀의 크기의 차이가 커짐을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 단위 셀(U)은 입사각(θ)이 커질수록 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120) 간에 홀의 크기의 차이가 커질 수 있다.Referring to FIG. 5 , the hole radii r 1 , r 2 of the first and second resonators 110 and 120 in the unit cell U vary according to the incident angle θ, and the incident angle of the unit cell U varies ( As θ) increases, it can be seen that the difference in the size of the hole between the first resonator and the second resonator in the unit cell U increases. That is, according to an embodiment of the present invention, as the incident angle θ of the plurality of unit cells U increases, the difference in the size of the holes between the first resonator 110 and the second resonator 120 may increase.

도 6은 인접한 단위 셀 간의 결합 관계를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치에서 단위 셀 간의 결합 관계의 다양한 형태를 도시한 도면이다. 또한, 도 8은 도 7의 다양한 형태에 대한 흡음 성능을 비교한 그래프이다.6 is a diagram illustrating a coupling relationship between adjacent unit cells, and FIG. 7 is a view illustrating various types of coupling relationships between unit cells in a sound absorbing device according to an embodiment of the present invention. In addition, FIG. 8 is a graph comparing the sound absorption performance of the various types of FIG. 7 .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전방면이 평면 형태인 복수의 단위 셀(U)들이 곡면 상에 배열되기 때문에, 인접한 단위 셀(U1, U2)의 전방면(MS1, MS2) 간에는 결합각(θj)을 형성할 수 있다. 평면을 따라 복수의 단위 셀을 배열하는 경우에는 단위 셀 간의 결합각이 180°로 평평하며, 각 단위 셀의 국부적인 입사각이 모두 동일하게 된다. 그러나 이와는 달리, 도 6 및 도 7을 참조하면, 곡면을 따라 복수의 단위 셀을 배열하면 인접한 단위 셀 간에 서로 다른 결합각(θj)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인접한 단위 셀 간에 결합각(θj)은 180°미만일 수 있다. 설명의 편의를 위해, 도 6에서 인접한 단위 셀을 각각 제 1 단위 셀(U1) 및 제 2 단위 셀(U2)라 하고, θ1 와 θ2는 각각 제 1, 2 단위 셀의 입사각이라 하면, 결합각(θj)은 180°-(θ1 - θ2)로 설정될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, since a plurality of unit cells U having a flat front surface are arranged on a curved surface, a bonding angle ( θ j ) can be formed. When a plurality of unit cells are arranged along a plane, the bonding angle between the unit cells is flat at 180°, and the local incident angles of each unit cell are all the same. However, unlike this, referring to FIGS. 6 and 7 , when a plurality of unit cells are arranged along a curved surface, different bonding angles θ j are formed between adjacent unit cells. According to an embodiment of the present invention, the bonding angle θ j between adjacent unit cells may be less than 180°. For convenience of explanation, in FIG. 6, adjacent unit cells are referred to as a first unit cell U1 and a second unit cell U2, respectively, and θ 1 and θ 2 are the incident angles of the first and second unit cells, respectively. The bonding angle θ j may be set to 180°-(θ 1 -θ 2 ).

한편, 전술하였듯이, 단위 셀(U)은 상대적으로 작은 홀 크기를 갖는 제 1 공명기(110) 및 제 1 공명기에 비해 큰 홀 크기를 갖는 제 2 공명기(120)로 구성되는데, 인접한 단위 셀(U) 간에 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120)의 배열에 따라 흡음 효과가 달라질 수 있다Meanwhile, as described above, the unit cell U is composed of a first resonator 110 having a relatively small hole size and a second resonator 120 having a larger hole size than the first resonator, and adjacent unit cells U ) between the first resonator 110 and the second resonator 120 according to the arrangement of the sound absorption effect may vary

도 7을 참조하면, 단위 셀(U) 내 제 1, 2 공명기(110, 120)의 배열 순서에 따라 인접한 제 1, 2 단위 셀(U1, U2) 간 세 가지 배열이 가능하다, 즉, 도 7의 (A)과 같은 (제 1 공명기, 제 2 공명기, 제 1' 공명기, 제 2' 공명기), 도 7의 (B)와 같은 (제 1 공명기, 제 2 공명기, 제 2' 공명기, 제 1' 공명기), 도 7의 (C)와 같은 (제 2 공명기, 제 1 공명기, 제 1' 공명기, 제 2' 공명기)의 배열이 가능하다. 전술하였듯이, 제 1, 2 단위 셀(U1, U2)은 서로 입사각이 다르므로, 제 1 공명기와 제 1' 공명기(또는 제 2 공명기와 제 2' 공명기)는 홀의 크기가 서로 다르다.Referring to FIG. 7 , three arrangements are possible between adjacent first and second unit cells U1 and U2 according to the arrangement order of the first and second resonators 110 and 120 in the unit cell U, that is, FIG. As in (A) of Figure 7 (first resonator, second resonator, first 'resonator, second' resonator), as in Figure 7 (B) (first resonator, second resonator, second 'resonator, second resonator) 1' resonator), as shown in FIG. 7C (second resonator, first resonator, first' resonator, second' resonator) arrangement is possible. As described above, since the first and second unit cells U1 and U2 have different incident angles, the first resonator and the first' resonator (or the second resonator and the second' resonator) have different hole sizes.

도 8에서는 도 7에 도시한 세 가지의 인접 단위 셀 내 제 1, 2 공명기(110, 120)의 배열에 대해 θ1과 θ2의 입사각 조합에 따른 1000 Hz에서의 흡음 계수를 계산하여 θ1 -θ2 평면 위에 도시하였다. In FIG. 8, for the arrangement of the first and second resonators 110 and 120 in the three adjacent unit cells shown in FIG. 7, the sound absorption coefficient at 1000 Hz according to the combination of the incident angles of θ 1 and θ 2 is calculated and θ1 - It is shown on the θ2 plane.

도 8을 참조하면, 인접 단위 셀 내 공명기의 배열이 (제 1 공명기, 제 2 공명기, 제 1' 공명기, 제 2' 공명기)인 경우에는 모든 입사각 조합에 대해 완벽 흡음이 달성된다. 반면에, 나머지 배열 (제 1 공명기, 제 2 공명기, 제 2' 공명기, 제 1' 공명기), (제 2 공명기, 제 1 공명기, 제 1' 공명기, 제 2' 공명기)의 경우 인접한 두 단위 셀의 입사각 차이가 커짐에 따라 일부 입사각 조합에서 0.99보다 작은 흡음 계수를 보인다. 즉, 인접한 두 단위 셀 간의 결합각(θj)이 90°에 가까울수록 흡음 성능은 떨어진다. 그러나, 인접한 단위 셀(U1, U2)의 공명기 배열이 제 1 공명기, 제 2 공명기, 제 1' 공명기, 제 2' 공명기)인 경우, 즉, 인접한 단위 셀(U1, U2) 간에 제 1 공명기(110)와 제 2 공명기(120)가 교번 배열을 하게 되면 인접한 단위 셀(U1, U2) 간의 결합각(θj) 크기와 관계없이 모든 결합각에 대해 완벽 흡음을 달성함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)는, x-y 평면 상에서, 일측 방향으로 제 1 공명기(110) 및 제 2 공명기(120)가 교번하여 배열될 수 있다.Referring to FIG. 8, when the arrangement of the resonators in the adjacent unit cell is (the first resonator, the second resonator, the first 'resonator, the second' resonator), perfect sound absorption is achieved for all incident angle combinations. On the other hand, for the rest of the arrangement (first resonator, second resonator, second' resonator, first' resonator), (second resonator, first resonator, first 'resonator, second' resonator), two adjacent unit cells As the incidence angle difference of , the sound absorption coefficient is smaller than 0.99 in some combinations of incidence angles. That is, the closer the bonding angle (θ j ) between two adjacent unit cells to 90°, the lower the sound absorption performance. However, when the resonator arrangement of the adjacent unit cells U1, U2 is a first resonator, a second resonator, a first 'resonator, a second' resonator), that is, a first resonator ( When 110) and the second resonator 120 are alternately arranged, it can be confirmed that perfect sound absorption is achieved for all bonding angles regardless of the bonding angle θ j between the adjacent unit cells U1 and U2 . Accordingly, in the sound absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention, the first resonator 110 and the second resonator 120 may be alternately arranged in one direction on the xy plane.

이하, 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)를 곡면이 아닌 평면 상에 배열되는 평면 형태의 흡음 장치와 비교하여 흡음 성능을 비교한다.Hereinafter, the sound absorbing performance of the sound absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention described above is compared with a flat sound absorbing device arranged on a plane rather than a curved surface.

도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치의 설계 예시 및 성능을 설명하기 위한 도면이다.9 to 12 are diagrams for explaining a design example and performance of a sound absorbing device according to an embodiment of the present invention.

도 9에서는, 10개의 단위 셀(Ui)로 구성된 반경 R = 119mm의 일부 원형(또는 호형) 흡음 장치(100)의 모습을 도시하였다(i=1, 2, 3,??, 10). 도 9에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)는, 각 단위 셀(Ui)에 대하여 각각 다른 입사각(θi)을 갖는다. 여기서, 각 단위 셀(Ui)은 각 입사각(θi)에 따라 완벽 흡음을 달성하도록 설계되며, 곡면을 따라 제 1, 2 공명기(110, 120, 도 7 등 참조)의 배열 순서는 교번하여 배열된다. 도 10은 10개의 단위 셀(Ui)에 대하여 각각의 입사각(θi)을 나타낸 그래프이다. (i=1, 2, 3,??, 10)In FIG. 9 , it shows the appearance of some circular (or arc-shaped) sound absorbing device 100 with a radius of R = 119mm composed of 10 unit cells (U i ) (i=1, 2, 3,??, 10). The sound absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 9 has different incident angles (θ i ) with respect to each unit cell (U i ). Here, each unit cell (U i ) is designed to achieve perfect sound absorption according to each incident angle (θ i ), and the arrangement order of the first and second resonators (110, 120, see FIG. 7, etc.) along the curved surface is alternated. are arranged 10 is a graph showing each incident angle (θ i ) with respect to 10 unit cells (U i ). (i=1, 2, 3,??, 10)

도 11에서는, 도 9에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)가 완벽 흡음을 달성하도록 설계된, 10개의 단위 셀(Ui) 각각을 구성하는 제 1, 2 공명기의 홀 반지름(r1, r2) 쌍을 r1- r2 평면 위에 도시(2)하였다. 도 11에서는, 비교를 위해, 평면 상에서 완벽한 흡음이 가능하도록 (r1, r2)가 설계된 단위 셀을 복수 개로 곡면 상에 배열한 흡음 장치(이하, 입사각 미고려 흡음 장치)의 경우(1)도 함께 표시하였다. 입사각 미고려 흡음 장치(1)의 경우에는 곡면을 따라 다른 입사각 조건을 고려하지 않기 때문에 10개의 단위 셀이 모두 동일한 홀 반지름(r1, r2)을 갖는다.In FIG. 11, the sound absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 9 is designed to achieve perfect sound absorption, 10 unit cells (U i ) Hall radius of the first and second resonators constituting each The (r 1 , r 2 ) pair is plotted (2) on the r 1 -r 2 plane. In Figure 11, for comparison, (r 1 , r 2 ) to allow perfect sound absorption on a plane (r 1 , r 2 ) In the case of a sound absorbing device (hereinafter, a sound absorbing device not considering the incident angle) arranged on a curved surface in a plurality of designed unit cells (1) also indicated. In the case of the sound absorbing device 1 without considering the incident angle, all ten unit cells have the same hole radius (r 1 , r 2 ) because different incident angle conditions along the curved surface are not considered.

도 12에서는, 도 9에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)의 완벽 흡음 성능을 수치 시뮬레이션을 통해 계산한 결과를 나타내었다. 도 12에서는 도 11과 같이 입사각 미고려 흡음 장치와의 비교를 위해, 입사각 미고려 흡음 장치의 흡음 성능의 결과(1)를 함께 나타냈다. 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 장치(100)는 목표 주파수 1000Hz 에서 0.99의 흡음률(α)을 나타냄(2)을 확인할 수 있다.In FIG. 12 , the results obtained by calculating the perfect sound absorption performance of the sound absorbing device 100 according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 9 through numerical simulation are shown. In FIG. 12, for comparison with the sound absorbing device not considering the incident angle as shown in FIG. 11, the result (1) of the sound absorbing performance of the sound absorbing device without considering the incident angle is also shown. Referring to FIG. 12 , it can be seen that the sound absorption device 100 according to an embodiment of the present invention exhibits a sound absorption coefficient α of 0.99 at a target frequency of 1000 Hz (2).

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and it is possible to carry out various modifications within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings. It goes without saying that it falls within the scope of the invention.

100 흡음 장치
110 제 1 공명기
120 제 2 공명기
115, 125 홀
U 단위 셀100 sound absorber
110 first resonator
120 second resonator
115 and 125 holes
U unit cell

Claims (12)

곡면 상에 배열된 복수의 단위 셀을 포함하는 흡음 장치로서,
상기 복수의 단위 셀 각각은,
입사되는 음파에 나란한 평면 상에서, 상기 입사되는 음파가 상기 단위 셀 중심에서의 법선과 이루는 입사각이 서로 다르게 배열되고,
내부에 공간을 가지며 상기 입사되는 음파를 향하는 방향으로 상기 공간을 외부와 연통시키는 홀이 형성된 한 쌍의 헬름홀츠 공명기를 포함하고,
상기 한 쌍의 헬름홀츠 공명기는, 상기 홀의 크기가 상대적으로 작은 제 1 공명기 및 상기 홀의 크기가 상대적으로 큰 제 2 공명기로 구성되고,
상기 복수의 단위 셀 간에는 각각의 상기 제 1 공명기 및 상기 제 2 공명기의 홀의 크기가 서로 다르고,
상기 평면 상에서, 상기 복수의 단위 셀은 서로 중첩되지 않도록 일측으로 인접하게 배열되되, 상기 복수의 단위 셀의 상기 제 1 공명기 및 상기 제 2 공명기가 교번하여 배열되며,
특정 주파수에서 상기 한 쌍의 헬름홀츠 공명기 각각에서 반사되는 음파 간의 위상이 서로 반대인, 흡음 장치.A sound absorbing device comprising a plurality of unit cells arranged on a curved surface,
Each of the plurality of unit cells,
On a plane parallel to the incident sound wave, the incident angle between the incident sound wave and the normal at the center of the unit cell is arranged differently from each other,
A pair of Helmholtz resonators having a space therein and having a hole communicating the space with the outside in a direction toward the incident sound wave,
The pair of Helmholtz resonators is composed of a first resonator having a relatively small hole size and a second resonator having a relatively large hole size,
The sizes of the holes of each of the first resonator and the second resonator are different between the plurality of unit cells,
On the plane, the plurality of unit cells are arranged adjacent to each other so as not to overlap each other, and the first resonators and the second resonators of the plurality of unit cells are alternately arranged,
A sound absorbing device, wherein the phases between sound waves reflected from each of the pair of Helmholtz resonators at a specific frequency are opposite to each other. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 단위 셀은
상기 입사각이 커질수록 상기 제 1 공명기 및 상기 제 2 공명기 간에 상기 홀의 크기의 차이가 커지는, 흡음 장치.The method of claim 1,
The plurality of unit cells
As the angle of incidence increases, the difference in the size of the hole between the first resonator and the second resonator increases. 제 1 항에 있어서,
상기 한 쌍의 헬름홀츠 공명기는 상기 공간의 부피 및 상기 홀의 깊이가 동일한, 흡음 장치.The method of claim 1,
The pair of Helmholtz resonators, the volume of the space and the depth of the hole are the same, sound absorbing device. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 단위 셀 각각은, 상기 입사되는 음파를 향한 전방면이 평면 형상을 갖고,
인접한 단위 셀의 전방면 간에는 180도 미만의 각도가 형성되는, 흡음 장치.The method of claim 1,
Each of the plurality of unit cells has a flat front surface toward the incident sound wave,
A sound absorbing device, wherein an angle of less than 180 degrees is formed between the front faces of adjacent unit cells. 제 1 항에 있어서,
상기 곡면은
상기 평면 상에서 곡률을 갖고, 상기 평면에 수직한 방향으로 곡률이 일정한, 흡음 장치.The method of claim 1,
The curved surface is
A sound absorbing device having a curvature on the plane and a constant curvature in a direction perpendicular to the plane. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 한 쌍의 헬름홀츠 공명기 각각은 동일한 크기의 사각 기둥 형상을 갖고,
상기 단위 셀은, 상기 사각 기둥 형상을 갖는 한 쌍의 헬름홀츠 공명기가 일 측면을 접하여 서로 나란하게 배열된 형태를 갖는, 흡음 장치.The method of claim 1,
Each of the pair of Helmholtz resonators has a rectangular prism shape of the same size,
The unit cell, a pair of Helmholtz resonators having the shape of a quadrangular column has a form in which one side is in contact with each other and arranged side by side, the sound absorbing device. 제 11 항에 있어서,
상기 한 쌍의 헬름홀츠 공명기 각각의 한변의 길이는 상기 입사되는 음파의 파장보다 작은, 흡음 장치.12. The method of claim 11,
The length of one side of each of the pair of Helmholtz resonators is smaller than the wavelength of the incident sound wave, the sound absorbing device.
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