KR20180021605A - 파동 전파 속도 조절을 이용한 흡차음 구조물 및 흡차음 구조물의 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음파의 진행 경로 상에 배치하여 파동 전파속도를 조절하여 소음을 저감할 수 있는 흡차음 구조물과 그 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는, 음파의 진행 경로 상에 배치되고 평판 형태로 만들어진 백 패널; 상기 백 패널에 대해 간격을 두고 설치되고, 서로 간격을 두고 평행하게 배치되어 공명 공간을 형성하는 복수 개의 강체 파티션; 상기 강체 파티션들을 상기 백 패널에 고정하는 프레임을 포함하는 흡차음 구조물과 그 설계 방법을 제공한다.

Description

파동 전파 속도 조절을 이용한 흡차음 구조물 및 흡차음 구조물의 설계 방법{Sound absorbing and insulating structures by tailoring sound velocities, and method of designing the sound absorbing and insulating structures}

본 발명은 흡차음 구조물 및 흡차음 구조물의 설계 방법에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 음향 매질 내 전파하는 파동의 속도를 늦추어 제한된 형상 및 두께에서도 흡차음 성능이 크게 향상된 흡차음 구조물과 그 설계 방법에 관한 발명이다.

도 2에는 대한민국 등록특허 제10-1626093호에 개시된 흡음벽의 일례를 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 대한민국 등록특허 제10-1626093호에는 음파의 전파 방향에 실질적으로 수직한 방향으로 설치되는 흡음벽에서 일정 두께를 갖는 다공성 흡음재와 강체 벽을 교대로 설치하는 형태의 흡음벽에 관한 발명이 개시되어 있다. 이 발명에서는 임피던스 정합과 파동의 유효 전파거리 조절을 통해 높은 흡음 성능을 구현하는 것을 목적으로 한다.

그런데, 위 발명에서 파동의 유효 전파거리 조절을 위해서는 비교적 복잡한 형상의 파티션을 사용하게 되는 문제점이 있어 보다 간단한 형태로 제작이 가능한 흡음벽이나 차음벽과 그 설계 방법을 강구할 필요성이 제기되었다.

대한민국 등록특허 제10-1626093호

본 발명은 음파의 진행 경로 상에 배치하여 소음을 저감할 수 있는 흡차음 구조물과 그 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 음파의 진행 경로 상에 배치되고 평판 형태로 만들어진 백 패널;

상기 백 패널에 대해 간격을 두고 설치되고, 서로 간격을 두고 평행하게 배치되어 공명 공간을 형성하는 복수 개의 강체 파티션;

상기 강체 파티션들을 상기 백 패널에 고정하는 프레임을 포함하는 흡차음 구조물을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 강체 파티션들은 상기 고정 프레임으로부터의 길이가 서로 상이한 것일 수 있다.

여기서, 상기 강체 파티션들은 길이가 긴 것부터 길이가 짧은 것의 순으로 순차적으로 배열된 것일 수 있다.

여기서, 상기 강체 파티션과 상기 백 패널 사이의 공간이 흡음재로 채워질 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 강체로 만들어지고 관통공이 형성된 후면 패널;

상기 후면 패널에 간격을 두고 배치되고 강체로 만들어지며, 상기 후면 패널의 관통공과 연통된 관통공이 형성된 전면 패널; 및

상기 후면 패널 및 상기 전면 패널 사이에서 상기 관통공들을 연결하는 공간의 둘레에 배치된 복수의 공명기를 포함하고,

상기 공명기는 서로 평행하게 설치되어 공명 공간을 형성하는 복수의 강체 파티션들에 의해 형성된 흡차음 구조물을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 공명기를 구성하는 복수 개의 강체 파티션의 길이가 서로 상이한 것일 수 있다.

여기서, 상기 강체 파티션들은 길이가 긴 것부터 길이가 짧은 것의 순으로 순차적으로 배열된 것일 수 있다.

여기서, 상기 공명기를 구성하는 복수 개의 강체 파티션 중 하나 이상의 강체 파티션이 "L"자형으로 형성된 것일 수 있다.

여기서, 상기 공명기를 구성하는 복수 개의 강체 파티션, 상기 전면 패널 및 상기 후면 패널 사이의 공간이 흡음재로 채워진 것일 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 가청 주파수 범위의 음파가 진행하는 경로 상에 흡차음 구조물을 배치하고 음파의 진행 속도를 감소시켜 소음을 저감하는 흡차음 방법으로서,

음파의 주파수 범위를 측정하는 단계;

측정된 주파수 범위에서 공명현상이 발생하는 공명기의 크기를 결정하는 단계;

결정된 공명기의 크기에 해당하는 공명 공간을 형성하도록 복수 개의 강체 파티션의 크기와 간격을 결정하는 단계; 및

강체 패널 상에 결정된 크기의 강체 파티션들을 결정된 간격으로 배치하여 흡차음 구조물을 제작하는 단계를 포함하는 흡차음의 설계 방법을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 관통공이 없는 막힌 백 패널을 포함하는 흡차음 구조물로 설계할 것인지, 아니면 관통공들이 복수 개 형성된 2층의 패널 사이에 공명기를 포함하는 형태의 흡차음 구조물을 설계할 것인지를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

여기서, 공명기의 공명 공간의 형태를 평판 형태의 공간 또는 "L"자형 형태의 공간 중에서 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 음파의 진행 속도를 조절할 수 있어서 흡차음 구조물의 흡음 및/또는 차음 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1a은 강체 벽에 일정 두께를 갖는 다공성 흡음재가 부착된 형태의 흡음벽의 단면을 보여주는 도면.
도 1b는 도 1a에 도시된 흡음벽의 흡음 성능을 나타내는 흡음계수 그래프.
도 2는 대한민국 등록특허 제10-1626093호에 개시된 흡음벽의 일례를 보여주는 도면.
도 3은 주기적인 구멍이 뚫려 있고 간격을 두고 배치된 두 개의 강체 벽으로 이루어진 차음 패널의 구성을 보여주는 도면.
도 4는 도 3에 도시된 차음 패널의 차음 성능을 나타내는 투과 손실(transmission loss) 그래프.
도 5는 도 4의 피크에 해당하는 주파수에서 도 3에 도시된 차음 패널을 구성하는 단위 구조가 놓인 평면(xy평면)에서의 음압 분포를 보여주는 도면.
도 6은 도 5에 도시된 평면 형상에 수직한 방향에서 바라본 단위 구조의 단면 형상의 zx평면에서의 음압 분포를 보여주는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예1에 따른 흡차음 구조물의 구성을 보여주는 도면.
도 8은 도 1에 도시된 일반 다공성 흡음재(porous medium으로 표시됨)와 도 7에 도시된 본 발명의 실시예1의 흡차음 구조물(slow wave medium으로 표시됨) 내부의 주파수에 따른 파동 전파 속도를 비교한 그래프.
도 9는 도 1에 도시된 일반 다공성 흡음재와 도 7에 도시된 본 발명의 실시예1의 흡차음 구조물의 흡음 계수를 주파수에 따라 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예2에 따른 흡차음 구조물의 구성을 보여주는 도면.
도 11은 도 10에 도시된 실시예2의 흡차음 구조물의 각층에서의 음파 전파 속도와 도 1a에 도시된 흡음벽에서의 음파의 전파 속도를 비교하여 보여주는 그래프.
도 12는 도 10에 도시된 실시예2의 흡차음 구조물의 흡음 계수와 도 1a에 도시된 흡음벽에서의 흡음계수를 비교하여 보여주는 그래프.
도 13은 본 발명의 실시예3에 따른 흡차음 구조물의 단위 구조의 구성을 보여주는 사시도.
도 14는 도 13에 도시된 흡차음 구조물의 단위 구조에서 xy 평면에 나란한 평면으로 자른 단면도로서 내부의 공명기의 구성을 보여주는 도면.
도 15는 실시예3의 변형예인 "L"자형 공명기가 사용되는 예가 도시된 도면.
도 16은 도 14에 도시된 형태의 공명기에서 파티션들의 길이가 모두 같은 경우의 음파의 진행 속도의 변화를 주파수에 따라 나타낸 그래프.
도 17은 도 3에 도시된 2층 패널로 구성된 차음벽의 경우와, 도 14에 도시된 형태의 공명기에서 파티션들의 길이가 모두 같은 경우의 투과 손실(transmission loss, TL)을 비교한 그래프.
도 18은 도 15에 도시된 실시예3의 변형예의 흡차음 구조물에서의 음파의 속도를 보여주는 그래프.
도 19는 도 3에 도시된 2층 패널로 구성된 차음벽의 경우와, 도 15에 도시된 실시예3의 변형예의 흡차음 구조물의 투과 손실(transmission loss, TL)을 비교한 그래프.

본 발명은 소음 저감을 위해 설계된 흡차음 구조물과 그 설계 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 주로 고려하는 음향 매질은 공기, 강체, 그리고 다공성 흡음재이다.

음향학적으로 '강체'란 음향 임피던스가 매우 커서 이론적으로 음향 파동이 투과할 수 없는 물질을 의미하며, 본 발명에서 이용되는 강체 파티션으로는 금속판 혹은 아크릴판 등이 사용될 수 있다. 다공성 흡음재는 흡차음을 위해 사용되는 대표적인 물질로 자체의 고유한 특성과 미소구조 형상으로 인하여 입사하는 음파 에너지를 소산시킨다. 본 발명에서 다공성 흡음재의 소재로는 폴리우레탄 폼, 폴리에틸렌 폼과 같은 물질이 사용될 수 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 흡음 또는 차음 문제에서는 음파가 흡차음 구조물에 입사하였을 때 반사되는 음향 에너지 혹은 투과되는 음향 에너지를 줄이는 것을 목표로 한다. 흡음 또는 차음 성능은 고려하는 주파수 대역에서 각 주파수에 따른 반사, 투과 에너지의 양을 측정하여 특정한 계수로 정의하는데 흡음 문제의 경우 흡음 계수(absorption coefficient)를 주로 사용하고, 차음 문제의 경우 전달 계수(transmission coefficient) 또는 투과 손실(transmission loss) 등이 주로 고려될 수 있다. 본 발명에서는 차음 문제를 다룰 때 투과 손실로 그 성능을 입증하기로 한다.

흡음 문제에서 흡음 계수의 값이 크다는 것은 반사되는 에너지가 적어 그 흡음 성능이 좋다는 것을 의미하고, 차음 문제에서는 마찬가지로 투과 손실 값이 클 때 투과하는 에너지가 적어 그 성능이 좋다는 것을 의미한다.

실시예1과 실시예2는 흡음 문제로 접근한 결과물이고, 실시예3과 그 변형예는 차음 문제로 접근한 결과물이다. 다만, 본 발명의 실시예들은 흡음 성능과 차음 성능이 어느 정도 혼재되어 있으므로 흡차음 구조물로 통일하여 지칭하기로 한다.

본 발명에서는 공기 그리고 다공성 흡음재에서 전파하는 파동 전파 속도를 조절하기 위해 강체로 구성된 구조물을 삽입, 배열한다.

본 발명에 이르는 과정에서 소음 저감을 위해 사용되는 흡차음재가 효과적인 성능을 발휘하는 주파수는 주로 설치되는 흡차음재의 특성 길이와 입사하는 파동의 파장과의 관계에 의해 결정된다는 것을 알게 되었다. 본 발명은 다공성 흡음재를 이용한 흡음패널(실시예1 및 실시예2)과, 통기 및 방열을 위해 주기성을 갖는 구멍이 뚫려 있는 두 개의 패널(또는 레이어)로 이루어진 차음 패널(실시예3 및 그 변형예)을 포함한다. 다공성 흡음재의 경우 그 흡음 특성이 설치된 흡음재의 두께에 크게 영향을 받아 낮은 주파수 대역까지 그 흡음 성능을 보장하려면 두께가 매우 두꺼운 흡음재를 설치하여야 한다. 주기적인 통기용 구멍이 뚫려 있는 차음 패널의 경우 구멍 사이의 간격(주기)이 작용하는 주파수에 큰 영향을 미쳐 적절한 통기성을 유지하면서 목적 주파수를 더 낮은 주파수로 조절하기가 용이하지 않다.

따라서 본 발명에서는 한정된 두께 및 공간을 유지하면서도 더 낮은 주파수에서 목적하는 흡차음 성능을 얻을 수 있는 방안으로 음향 파동의 속도를 조절하는 방법을 적용한다.

즉, 본 발명에서는 음향 매질 내 전파하는 파동 속도를 조절하여 이를 원래 주어진 구조물의 흡차음 성능을 향상시키는 데 이용한다. 매질 내 파동 전파 속도 조절을 통하여 얻어지는 효과를 설명하기 이전에 본 발명에서 고려하는 두 가지 문제인 다공성 흡음재를 이용한 흡음 문제와 구멍이 뚫린 이중 패널을 이용한 차음 문제에서 나타나는 물리적 현상에 관하여 먼저 설명한다. 도 1a, 도 1b를 제외하고는 아래의 내용은 공지기술이 아니며 본 발명의 발명 과정에서 파악하게 된 현상이다.

도 1a에는 강체 벽에 일정 두께를 갖는 다공성 흡음재가 부착된 형태의 흡음벽의 단면을 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 1b에는 도 1a에 도시된 흡음벽의 흡음 성능을 나타내는 흡음계수 그래프가 도시되어 있다.

도 1b에 도시된 것과 같이, 도 1a에 도시된 흡음벽은 특정 주파수 대역에서 다른 주파수보다 그 흡음 성능이 높아지는 현상이 발견된다. 이는 다공성 흡음재의 두께가 입사하는 파장의 1/4의 홀수 배와 비슷하게 되는 경우(H

(2n-1)λ/4, n = 1,2,3, …)에 발생하는 공진 현상에 기인하는 것으로 파악된다.

도 3에는 주기적인 구멍이 뚫려 있고 간격을 두고 배치된 두 개의 강체 벽으로 이루어진 차음 패널의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 4에는 도 3에 도시된 차음 패널의 차음 성능을 나타내는 투과 손실(transmission loss) 그래프가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 것과 같이, 도 3에 도시된 차음 패널은 특정 주파수(그래프에 화살표로 표시)에서 투과 손실이 극대화되는 피크(peak)가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

도 5에는 도 4의 피크에 해당하는 주파수에서 도 3에 도시된 차음 패널을 구성하는 단위 구조가 놓인 평면(xy평면)에서의 음압 분포를 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 6에는 도 5에 도시된 평면 형상에 수직한 방향에서 바라본 단위 구조의 단면 형상의 zx평면에서의 음압 분포를 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 도 4의 피크에 해당하는 주파수에서 음향 레이어에 뚫려 있는 구멍을 중심으로 두 개의 레이어 사이 공간에서 단위 구조의 모서리까지 파장의 1/4에 해당하는 공진 모드가 발생한다는 것이다.

따라서 정리하자면 다공성 흡음재에서 흡음 성능은 흡음재의 두께 혹은 패널의 평면상으로의 특성 길이에 비례하는 1/4 공진 모드에 크게 영향 받는다는 사실을 확인하였다. 이를 통해 흡음재의 두께를 증가시키면 공진 현상이 발생하는 주파수 또한 더 낮은 주파수로 이동시킬 수 있다.

두 개의 레이어로 이루어진 차음 패널의 경우에도 차음 패널에서 단위 구조의 크기를 증가시키거나 단위구조의 크기를 유지하면서 구멍의 크기를 작게 조절하게 되면 이 공진 현상이 발생하는 주파수 또한 더 낮은 주파수로 이동시킬 수 있음을 생각해 볼 수 있다.

그러나 일반적으로 공학적인 설계를 요구하는 상황에서 설치할 수 있는 흡음재의 두께 혹은 차음 패널과 같은 형상의 단위구조의 크기 혹은 구멍의 크기가 제한되어 있고 따라서 원래의 규격을 유지하면서 높은 흡차음 성능을 발휘할 수 있는 주파수를 조절하는 방안이 필요하다.

본 발명에서는 음향 파동의 속도를 조절하여 이 한계를 극복하는 방안을 제시하는데 구체적으로는 낮은 파동 전파 속도를 갖도록 구조물을 설계하는 방안을 보인다. 음향 파동의 속도를 낮춤으로 인하여 다공성 흡음재 내부, 이중 패널 내부 공간에서 파동의 이동 거리가 원래 주어진 거리에서보다 훨씬 더 긴 거리를 이동하는 것과 같은 현상을 보이게 되며 이 낮은 파동 전파 속도에서 나타나는 현상을 이용함과 동시에 다양한 공진 모드를 발생시켜 여러 가지 주파수에서의 흡차음 성능 또한 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는 고려하는 흡차음 구조물에서는 음향 매질에 복수의 공명기(resonator)를 갖는 음향 도파관(acoustic waveguide) 구조를 형성하여 파동 속도를 조절한다. 아래 실시예에서는 단순한 형상을 위하여 강체 파티션(rigid partition)을 주로 이용하지만 기타 다른 구조물을 이용해서도 그 형상을 제작할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 보다 구체적으로 설명한다.

<실시예1>

도 7에는 본 발명의 실시예1에 따른 흡차음 구조물의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 7에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예1에 따른 흡차음 구조물은 강체 벽, 상기 강체 벽에 접하여 연속적으로 설치된 단위 셀을 포함한다.

상기 단위 셀은 상기 강체 벽과 나란하게 배치된 복수의 강체 패널 및 상기 강체 패널들을 상기 강체 벽에 고정하는 프레임을 포함한다.

상기 강체 벽, 강체 패널 및 프레임 사이의 공간은 모두 다공성 흡음재가 채워질 수 있다.

이러한 구조의 흡차음 구조물은 다공성 흡음층에 파동 속도 조절을 위한 구조물을 삽입한 형태로 볼 수 있다. 즉, 다공성 흡음층 내부의 파동 전파 속도 조절을 위한 구조물은 도 7과 같이 단위 셀(unit cell)(도 7에서 확대된 부분)이 특정 주기(d)로 반복되어 배치된 형태이다. 도 7에서 단위 셀이 확대한 형상을 참조할 때, 이 각각의 단위 셀 내부에서 340번으로 표기된 부분이 음향 도파관의 역할을 하게 되며 350으로 표기된 부분인 길이 bi를 갖는 강체 파티션(330)들 사이의 내부 공간에서 특정 주파수를 가지는 음파의 공명이 발생하게 된다. 이 공간을 도파관의 옆에 위치한다는 점에서 사이드 공명 공간(350)으로 지칭한다. 음향 도파관 및 사이드 공명 공간(350)내부는 다공성 흡음물질로 채워질 수 있다. 이때 해당 흡음층 내부를 전파하는 파동은 음향 도파관과 그 사이드 공명 공간(350)을 전파하는 음향 파동의 상호작용에 의하여 특정 주파수 영역까지 파동 전파 속도가 감소하는 현상을 보인다.

도 8에는 도 1에 도시된 일반 다공성 흡음재(porous medium으로 표시됨)와 도 7에 도시된 본 발명의 실시예1의 흡차음 구조물(slow wave medium으로 표시됨) 내부의 주파수에 따른 파동 전파 속도를 비교한 그래프가 도시되어 있고, 도 9에는 도 1에 도시된 일반 다공성 흡음재와 도 7에 도시된 본 발명의 실시예1의 흡차음 구조물의 흡음계수를 주파수에 따라 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 8에 도시된 것과 같이, 도 1에 도시된 일반 다공성 흡음재에 비하여 본 발명의 실시예1의 흡차음 구조물에서 그 파동 전파 속도(c_e)가 현저하게 감소되었음을 확인할 수 있다. 도 8에서 c₀는 공기 중의 음속을 의미한다.

도 1a에 도시된 일반 다공성 흡음재에서는 앞서 언급한 공진 현상에 의한 피크 주파수가 약 3500 Hz에서 나타난다. 이와 달리 느린 파동 전파 속도를 갖는 본 발명의 실시예1의 흡차음 구조물에서는 도 9의 굵은 선으로 나타난 것과 같은 성능을 갖게 되는데, 1000Hz 미만의 주파수에서 그 첫 번째 공진 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 도 9에서 α는 흡음 계수(absorption coefficient)를 나타낸다.

<실시예2>

이하에서는 실시예1을 개량하여 넓은 주파수 대역에서 흡음 성능이 향상된 흡차음 구조물을 실시예2로 설명한다.

도 10에는 본 발명의 실시예2에 따른 흡차음 구조물의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 10에 도시된 실시예2의 흡차음 구조물(400)을 앞의 실시예1의 흡차음 구조물(300)과 비교하면, 실시예2에서는 강체 파티션(430)의 길이가 일정하지 않아서 사이드 공명 공간(450)의 크기가 달라진다는 점이 구별된다. 이는 주파수에 따른 파동 전파 속도는 사이드 공명 공간의 공진 주파수에 따라 변화하는데 설계된 형상에서 사이드 공명 공간의 공진 주파수는 강체 파티션(430)의 길이에 따라 결정된다는 점을 고려한 구성이다. 즉, 사이드 공명 공간의 크기에 따라 공명으로 인해 전파 속도가 감소하는 음파의 주파수가 달라진다는 점을 고려하여 공명 공간(450)의 크기가 가장 외곽에 위치하는 것이 가장 작고 단계적으로 공명 공간의 크기가 커지도록 강체 파티션(430)의 길이를 조절하여 설치하였다. 반대로 최외각의 파티션이 가장 길이가 긴 것이 배치되도록 구성할 수도 있으나, 이 경우에는 음파가 제일 안쪽의 공명 공간까지 진입하는 것이 가장 긴 파티션에 의해 방해되는 단점이 있을 수 있다.

도 11에는 도 10에 도시된 실시예2의 흡차음 구조물의 각층에서의 음파 전파 속도와 도 1a에 도시된 일반 다공성 흡음재로 이루어진 흡음벽에서의 음파의 전파 속도를 비교하여 보여주는 그래프가 도시되어 있고, 도 12에는 도 10에 도시된 실시예2의 흡차음 구조물의 흡음 계수와 도 1a에 도시된 흡음벽에서의 흡음계수를 비교하여 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

도 11에 도시된 것과 같이, 도 10에 도시된 실시예2의 흡차음 구조물은 파동 전파 속도가 다른 여러 층으로 구성되게 되며 각 층에서의 파동 전파 속도가 도 11에 나타난 바와 같이 기존 다공성 매질에서의 파동 전파속도보다는 낮은 다양한 값을 갖게 된다. 도 11에 도시된 전파속도 들 중 가장 위의 그래프는 기존의 다공성 매질에서의 파동 전파속도를 나타낸다. 도 11에 도시된 전파속도들 중 가장 아래에서부터 위로 6개의 그래프들은 도 10에 도시된 실시예2의 흡차음 구조물의 가장 아래에서부터 위의 방향으로 각 사이드 공명 공간을 포함한 도파관을 유효 물질층(effective medium layer)로 가정하였을 때 각 층에서의 주파수에 따른 파동 전파속도에 해당한다.

느린 파동 전파 속도와 더불어 다양한 공진 모드가 발생하게 되면서 도 12에 도시된 것과 같이 넓은 주파수 대역에서 그 흡음 계수(α)가 커진 것을 확인 할 수 있고, 그만큼 흡음성능이 향상된 것을 알 수 있다.

실시예2에서 달리 설명되지 않은 백 패널(410)과 고정 프레임(420)은 실시예1과 실질적으로 동일하고, 음향 도파로(440)의 위치도 실시예1과 실질적으로 동일하나 그 폭은 강체 파티션의 길이가 변화하므로 실시예1과 완전히 동일하지는 않다.

<실시예3>

도 13에는 본 발명의 실시예3에 따른 흡차음 구조물의 단위 구조의 구성을 보여주는 사시도가 도시되어 있고, 도 14에는 도 13에 도시된 흡차음 구조물의 단위 구조에서 xy 평면에 나란한 평면으로 자른 단면도로서 내부의 공명기(560)의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있으며, 도 15에는 도 14에 도시된 구성의 변형예를 보여주는 단면도가 도시되어 있다.

도 13 및 도 14에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예3에 따른 흡차음 구조물은 전면 패널(520), 후면 패널(510) 및 복수의 공명기(560)를 구비한다.

상기 전면 패널(520) 및 후면 패널(510)은 소정의 면적을 가지는 판상의 부재로 서로 간격을 두고 배치되고, 각각 관통공이 형성되어 있다. 상기 관통공은 상기 전면 패널(520)과 후면 패널(510)에서 각각 실질적으로 같은 위치에 실질적으로 같은 크기로 형성된다. 각각의 패널은 모두 강체로 만들어진다.

상기 공명기(560)는 상기 전면 패널(520) 및 후면 패널(510) 사이에 위치하는 것으로 각각 상기 전면 패널(520) 및 후면 패널(510)에 단부가 접하는 판상의 부재들로 이루어지고, 총 4개의 공명기(560)가 하나의 단위 구조에 설치된다.

도 14에 도시된 것과 같이, 각각의 공명기(560)는 복수 개의 강체 파티션(530)이 길이를 달리하여 배치되고, 길이가 다른 파티션들이 서로 평행하게 배치된다. 각각의 공명기(560)는 xy 평면상에서 공진 현상을 유도하는 역할을 하게 되고, 관통공에 인접한 화살표로 표시된 부분이 공명기(560)의 입구가 된다. 각각의 파티션들은 최외각으로부터 내부로 들어갈수록 파티션의 길이가 짧아지는 방식으로 배치될 수 있다. 반대로 최외각의 파티션이 가장 길이가 짧은 것이 배치되도록 구성할 수도 있으나, 이 경우에는 음파가 최외각의 사이드 공명 공간(550)까지 진입하는 것이 가장 긴 파티션에 의해 방해되는 단점이 있을 수 있다.

각 공명기(560) 내부에 배치된 강체 파티션(530)은 복수의 사이드 공명 공간(550)을 갖는 음향 도파관 형태가 된다. 상기 사이드 공명 공간(550)들은 특정 주파수의 음파에 대해 공명 현상을 유도하여 공명기(560) 내부 음향 파동의 전파 속도를 조절할 수 있게 된다. 위의 실시예1 또는 실시예2의 흡차음 구조물과 마찬가지로 이러한 단위 구조를 바탕으로 하여 강체 파티션(530)의 길이를 조절하고 개수를 조절하여 여러 가지 형태의 구조물을 설계할 수 있으며, 전면 패널(520), 후면 패널(510) 및 강체 파티션(530) 사이의 공간에 공기 대신 흡음재 등을 채워 넣을 수도 있다.

<실시예3의 변형예>

도 15에는 실시예3의 변형예인 "L"자형 공명기(660)가 사용되는 예가 도시되어 있다.

도 15에 도시된 것과 같이, 공명기(660)가 두 개 설치되는 형태의 변형예에 의하여서도 차음 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 도 15에 도시된 변형예에서는 하나의 공명기(660)에 설치되는 각각의 강체 파티션(630)이 "L"자형으로 만들어진다.

또는 도 14에 도시된 네 개의 공명기(560) 중 두 개와 도 15에 도시된 두 개의 공명기(660) 중 하나를 조합하는 형태도 가능하다.

도 16 내지 도 19는 본 발명의 실시예3의 변형예의 흡차음 구조물의 성능을 3000Hz까지의 주파수 범위에서 테스트한 결과를 나타낸 것이다.

보다 구체적으로, 도 16에는 도 14에 도시된 형태의 공명기(560)에서 파티션들의 길이가 모두 같은 경우의 음파의 진행 속도의 변화를 주파수에 따라 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 17에는 도 3에 도시된 2층 패널로 구성된 차음벽의 경우와, 도 14에 도시된 형태의 공명기(560)에서 파티션들의 길이가 모두 같은 경우의 투과 손실(transmission loss, TL)을 비교한 그래프가 도시되어 있으며, 도 18에는 도 15에 도시된 실시예3의 변형예의 흡차음 구조물에서의 음파의 다양한 전파 속도를 보여주는 그래프가 도시되어 있고, 도 19에는 도 3에 도시된 2층 패널로 구성된 차음벽의 경우와, 도 15에 도시된 실시예3의 변형예의 흡차음 구조물의 투과 손실(transmission loss, TL)을 비교한 그래프가 도시되어 있다.

도 16, 도 17은 배치된 강체 파티션(530)의 길이가 같은 경우이고, 도 18과 도 19는 배치된 강체 파티션(630)의 길이가 서로 다른 도 15에 도시된 실시예3의 변형예의 경우이다.

테스트에서는 전면 패널(520), 후면 패널(510, 610) 및 강체 파티션(530, 630) 사이 공간은 모두 공기로 채워진 경우를 고려하였고, 단위 구조의 한 변의 길이는 50mm, 중앙의 정사각형 단면의 관통공의 한 변의 길이는 15mm, 삽입되는 강체 파티션(530, 630)의 두께는 2mm로 설정하였다.

도 16에 도시된 것과 같이 음파의 진행 속도는 공명기(560)를 구성하는 파티션들의 길이가 같은 경우에는 동일하게 나타난다.

도 17에 도시된 것과 같이, 강체 파티션(530)의 길이가 동일한 경우에는 공명기(560)가 없는 경우에 비해 더 낮은 주파수 영역에서 투과 손실의 피크값이 나타나는 것을 볼 수 있다.

도 18에 도시된 것과 같이, 실시예3의 변형예에서는 공명 공간의 크기가 다양하여서 음파의 전파 속도가 주파수 별로 다양하게 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 대체로 2000Hz를 초과하는 범위에서는 속도 감소 효과가 발생하지 않아서 속도 감소 효과는 저주파 영역에 한정되는 것을 알 수 있다.

도18에 각각 도시된 것과 같이, 주파수에 따른 파동 전파 속도는 강체 파티션(630)의 길이가 다른 경우 강체 파티션(630)의 개수만큼의 복수의 파동 속도가 나타난다.

고려한 단위 구조 형상에 대해 공명기(560, 660) 구조물이 없는 경우 앞서 언급한 파장의 1/4에 해당하는 공진 모드는 3000Hz까지의 주파수 범위에서는 발생하지 않으며 그 이상의 주파수에서 발생한다(도 17, 도 19의 가는 선).

반면에 본 발명의 실시예3 및 그 변형예에 의한 흡차음 구조물의 경우에는 각각 도 17 및 도 19의 굵은 선과 같이 설계된 구조물 내부의 낮은 파동 전파 속도로 인해 해당 공진 모드가 더 낮은 주파수에서 발생하여 저주파 차음 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, 실시예3의 변형예의 공명기(660) 구조 형상을 사용하는 경우에는 2000Hz이하의 영역에서 여러 개의 공진 모드가 발생하여 여러 개의 피크가 발생함을 확인할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 실시예들에 의할 때 흡차음 성능이 향상되고, 파동 전파 속도를 조절하는 방법으로 효과적으로 흡차음 성능을 보이는 주파수 대역을 조절할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 2층으로 이루어진 차음 패널에 관통공이 형성된 형태의 기존의 흡차음 구조물에서는 구현하기 어려운 2000Hz 이하의 영역에서의 흡차음 성능의 향상이 가능한 점이 확인 되었다.

이상에서 설명한 실시예들을 설계하는 방법을 통해 본 발명에 따른 흡차음 방법을 다음과 같이 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 흡차음 방법은, 흡차음 구조물이 설치될 위치에서 주로 발생하는 소음의 주파수 범위를 측정하고 이에 따라 공명 공간(350, 450, 550, 650)의 크기 또는 공명기(560, 660)를 설계하는 방법으로 이루어질 수 있다. 기본적으로, 본 발명에 따른 흡차음 방법은 가청 주파수 범위의 음파가 진행하는 경로 상에 흡차음 구조물을 배치하고 음파의 진행 속도를 감소시켜 소음을 저감하는 흡차음 방법이다.

본 발명에 따른 흡차음 구조물 설계 방법은 흡차음 구조물이 설치될 위치에서 발생하는 소음의 주파수 범위를 측정하는 주파수 범위 측정 단계; 측정된 주파수 범위에서 공명현상이 발생하는 공명기(560, 660)의 크기를 결정하는 단계; 결정된 공명기(560, 660)의 크기에 해당하는 공명 공간을 형성하도록 복수 개의 강체 파티션(330, 430, 530, 630)의 크기와 간격을 결정하는 단계; 및 강체 패널 상에 결정된 크기의 강체 파티션(330, 430, 530, 630)들을 결정된 간격으로 배치하여 흡차음 구조물을 제작하는 단계를 포함한다.

여기서, 공명 공간의 크기를 결정하는 단계에서는 강체 파티션(330, 430, 530, 630)의 길이와 간격 외에 강체 파티션(330, 430, 530, 630)의 두께와 전체 흡차음 구조물의 높이와 폭도 고려될 수 있다. 또한, 단위 셀(Unit cell)의 너비(d)도 고려하게 되는데, d가 커지면 반사 또는 투과되는 음파의 방향이 여러 방향으로 분산될 수 있어서 d가 일정범위 이하인 경우를 고려하게 된다. 이에 단위 셀의 너비(d)는, 흡음을 목적하는 음파(P_i)의 주파수 대역(f_a, f_min ≤ f_a ≤ f_max) 중 최고 주파수(f_max)에 해당하는 파장(λ_min)보다 작게 고려된다.

또한, 관통공이 없는 막힌 백 패널(310)을 포함하는 흡차음 구조물(300, 400)으로 설계할 것인지, 아니면 관통공들이 복수 개 형성된 2층의 패널 사이에 공명기(560, 660)를 포함하는 형태의 흡차음 구조물(500, 600)을 설계할 것인지를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 음향 도파관(340, 440)에 해당하는 공간이나 공명 공간(350, 450)을 흡음재로 채울 것인지 말 것인지를 결정하는 단계와, 흡음재를 어떤 흡음재를 사용할 것인지 결정하는 단계가 더 포함될 수 있다. 고려할만한 흡음재로는 다공성 물질(Porous material)이라면 어떤 것이라도 가능하지만, 폴리우레탄 발포체(Polyurethane foam), 폴리에스터 발포체(Polyester foam), 멜라민 발포체(Melamine foam) 등을 포함하는 다공성 물질의 군에서 선택된 하나 이상의 다공성 물질이 고려될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 흡차음 구조물 설계 방법은 공명기(560, 660)의 공명 공간의 형태를 평판 형태의 공간이거나, 또는 "L"자형 형태의 공간 중에서 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다. 한 가지 형태의 공명 공간의 형태만을 고려할 때에 비해 더욱 넓은 범위에서 흡차음 성능이 향상된 흡차음 구조물을 제작하는 것이 가능하다.

이상과 같은 본 발명에 따른 흡차음 구조물 설계 방법에 의할 때, 흡차음 구조물이 설치될 위치에서 흡차음 성능이 극대화된 흡차음 구조물을 손쉽게 설계하는 것이 가능하다.

이상에서 다양한 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 설명한 실시예들로만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 특허청구범위로부터 합리적으로 해석될 수 있는 범위 이내라면 설명되지 않은 실시 형태도 본 발명의 권리범위에 속할 수 있음은 자명하다.

B: 백 패널 1: 흡음재
10: 흠읍벽 20: 강체 패널
30: 흡음재 200: 차음벽
215: 관통공 210: 후면 패널
220: 전면 패널 310, 410: 후면 패널
320, 420: 고정 프레임 330, 430: 강체 파티션
340, 440: 음파의 도파로 350, 450, 550, 650 : 사이드 공명 공간
300, 400: 흠차음벽 500: 흡차음 구조물
510, 610: 후면 패널 520: 전면 패널
530: 강체 파티션 560: 공명기
630: "L"자형 강체 파티션 660: "L"자형 공명기

Claims (12)

1. 음파의 진행 경로 상에 배치되고 평판 형태로 만들어진 백 패널(310, 410);
   상기 백 패널(310, 410)에 대해 간격을 두고 설치되고, 서로 간격을 두고 평행하게 배치되어 공명 공간을 형성하는 복수 개의 강체 파티션(330, 430);
   상기 강체 파티션(330, 430)들을 상기 백 패널(310, 410)에 고정하는 고정 프레임(320, 420)을 포함하는 흡차음 구조물.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 강체 파티션(430)들은 상기 고정 프레임(420)으로부터의 길이가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 흡차음 구조물.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 강체 파티션(430)들은 길이가 긴 것부터 길이가 짧은 것의 순으로 순차적으로 배열된 것을 특징으로 하는 흡차음 구조물.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 강체 파티션(330, 430)과 상기 백 패널(310, 410) 사이의 공간이 흡음재로 채워진 것을 특징으로 하는 흡차음 구조물.
5. 강체로 만들어지고 관통공이 형성된 후면 패널(510, 610);
   상기 후면 패널(510, 610)에 간격을 두고 배치되고 강체로 만들어지며, 상기 후면 패널(510, 610)의 관통공과 연통된 관통공이 형성된 전면 패널(520); 및
   상기 후면 패널(510, 610) 및 상기 전면 패널(520) 사이에서 상기 관통공들을 연결하는 공간의 둘레에 배치된 복수의 공명기(560, 660)를 포함하고,
   상기 공명기(560, 660)는 서로 평행하게 설치되어 공명 공간을 형성하는 복수의 강체 파티션(530, 630)들에 의해 형성된 흡차음 구조물.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 공명기(560, 660)를 구성하는 복수 개의 강체 파티션(530, 630)의 길이가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 흡차음 구조물.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 강체 파티션(530, 630)들은 길이가 긴 것부터 길이가 짧은 것의 순으로 순차적으로 배열된 것을 특징으로 하는 흡차음 구조물.
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 공명기(660)를을 구성하는 복수 개의 강체 파티션(630) 중 하나 이상의 강체 파티션(630)이 "L"자형으로 형성된 것을 특징으로 하는 흡차음 구조물.
9. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공명기(560)를 구성하는 복수 개의 강체 파티션(530, 630), 상기 전면 패널(520) 및 상기 후면 패널(510, 610) 사이의 공간이 흡음재로 채워진 것을 특징으로 하는 흡차음 구조물.
10. 가청 주파수 범위의 음파가 진행하는 경로 상에 흡차음 구조물을 배치하고 음파의 진행 속도를 감소시켜 소음을 저감하는 흡차음 방법으로서,
    음파의 주파수 범위를 측정하는 단계;
    측정된 주파수 범위에서 공명현상이 발생하는 공명 공간(350, 450, 550, 650)의 크기 또는 공명기(560, 660)의 크기를 결정하는 단계;
    결정된 공명기(560, 660)의 크기에 해당하는 공명 공간을 형성하도록 복수 개의 강체 파티션(330, 430, 530, 630)의 크기와 간격을 결정하는 단계; 및
    강체 패널 상에 결정된 크기의 강체 파티션(330, 430, 530, 630)들을 결정된 간격으로 배치하여 흡차음 구조물을 제작하는 단계를 포함하는 흡차음의 설계 방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    관통공이 없는 막힌 백 패널(310, 410)을 포함하는 흡차음 구조물로 설계할 것인지, 아니면 관통공들이 복수 개 형성된 2층의 패널 사이에 공명기(560, 660)를 포함하는 형태의 흡차음 구조물을 설계할 것인지를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡차음 구조물의 설계 방법.
12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 공명기(560, 660)의 공명 공간의 형태를 평판 형태의 공간 또는 "L"자형 형태의 공간 중에서 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡차음 구조물의 설계 방법.

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