음향 메타물질을 이용한 덕트 소음의 효율적인 저감

Abstract

덕트에서 발생하는 소음저감을 위해서는 일반적으로 저항형/반사형 소음기가 사용된다. 이러한 고전적인 소음기들은 광대역 소음저감에 효과적이기 위해 추가적인 부피가 요구되므로 중량 및 공간 효율에 한계가 있다. 또한 덕트 내 부피 변화는 역압을 발생시켜 유체수송이라는 덕트 자체의 기계적 성능이 저감될 수 있다. 본 연구에서는, 역압을 최소로하며 저주파수 광대역의 덕트 소음을 효과적으로 저감할 수 있는 소형 소음기 설계를 연구의 최종 목표로 한다. 이를 위하여 소형의 주기적 공명구조와 음향메타물질을 활용하는 두 가지 소형의 소음저감 시스템 및 설계 방법을 제안한다. 첫 번째 소음저감 시스템은 가상의 허셸-퀸케 튜브이다. 덕트의 한쪽 벽면에 공명요소를 주기적으로 배치하면 관로 내 음향 분산효과로 인하여 느린 위상속도의 형성이 가능하므로 물리적 길이는 동일하나 음향전파경로는 상이한 시스템의 구현이 가능하다. 제안된 시스템의 실험적 검증을 위하여, 6.5 mm의 얇은 공명형 단위 셀을 적용하여 주관로 대비 17%의 부피 증가하는 가상의 허셸퀸케 튜브관을 설계하였다. 이를 통하여 약 300 Hz-1 kHz에 해당하는 광대역에서 1 dB 이상 소음저감이 가능하였다. 두 번째는 미세 천공판을 원용한 소형의 공명격자의 주기배치를 통한 소형의 소음기 설계에 관한 것이다. 다중의 미세천공판을 공기층과 함께 적층하면 광대역에 효과적인 단일 공명격자의 설계가 가능하다. 또한 이를 덕트에 주기적으로 배치시키면 공명현상을 효과적으로 활용할 수 있다. 제안된 아이디어를 실험적으로 검증하고자, 10개의 단위 공명기를 0.085 m의 격자상수로 주기배치하여 소형의 소음저감 시스템을 구성하였다. 이때 소음저감 시스템의 적용에 따른 추가 두께는 6 mm, 추가 부피증가율이 20%이었다. 이를 실제 유동이 흐르는 관로 (M~0.1)에 적용하여 소음저감 성능을 실험적으로 확인하였다. 그 결과, 광대역 덕트소음 저감을 위하여 일반적으로 널리 사용되는 유리섬유 흡음재보다 500-1600 kHz 대역에서 약 3 dB 우수한 소음기의 설계가 가능하였다.