가장 흔한 직업병 중의 하나인 소음성 난청은 알려진 치료법이 없기 때문에 예방하는 것이 매우 중요하다. 청각보호를 위한 다양한 종류의 청각보호구가 시판되고 있으며 청각보호에도 효과가 있는 것으로 알려져 있지만, 착용 시 발생하는 의사소통의 어려움으로 인하여 많은 사용자들이 착용을 꺼리게 된다. 이러한 의사소통의 문제점을 해결하기 위해 음관의 형태를 변화시켜 소형 음향필터를 사용할 수 있다. 본 논문에서는 소형 음향필터들을 설계하였고 이의 특성을 유한요소해석을 통하여 분석하였다. 유한요소해석의 결과로써 길이와 직경에 따라 설계된 소형 음향필터의 특성을 확인하였다. 그리고 유한요소해석을 이용한 필터 모델의 일반적인 추세와 설계된 필터들의 음향적 실험과 일치함을 확인하였다.
가장 흔한 직업병 중의 하나인 소음성 난청은 알려진 치료법이 없기 때문에 예방하는 것이 매우 중요하다. 청각보호를 위한 다양한 종류의 청각보호구가 시판되고 있으며 청각보호에도 효과가 있는 것으로 알려져 있지만, 착용 시 발생하는 의사소통의 어려움으로 인하여 많은 사용자들이 착용을 꺼리게 된다. 이러한 의사소통의 문제점을 해결하기 위해 음관의 형태를 변화시켜 소형 음향필터를 사용할 수 있다. 본 논문에서는 소형 음향필터들을 설계하였고 이의 특성을 유한요소해석을 통하여 분석하였다. 유한요소해석의 결과로써 길이와 직경에 따라 설계된 소형 음향필터의 특성을 확인하였다. 그리고 유한요소해석을 이용한 필터 모델의 일반적인 추세와 설계된 필터들의 음향적 실험과 일치함을 확인하였다.
The noise induced hearing loss, which is one type of the hearing losses, is well known occupational diseases. The prevention of the noise induced hearing loss is very important, because it is unrecoverable. There are some kinds of devices for hearing protection, and those are effective in preventing...
The noise induced hearing loss, which is one type of the hearing losses, is well known occupational diseases. The prevention of the noise induced hearing loss is very important, because it is unrecoverable. There are some kinds of devices for hearing protection, and those are effective in preventing the noise induced hearing loss. However, people often resist the use of hearing protection devices because they have some difficulties during conversation in wearing the devices. To solve the problem, a small acoustic filter can be used for a hearing protection device. In this paper, we designed several kinds of small acoustic filters and analyzed the characteristics of designed small acoustic filters using Finite Element Analysis (FEA). From FEA results, we proved the characteristics of designed small acoustic filters which vary according to length and diameter. And we found out that the general tendencies of modeled filters using FEA are same as acoustic experiment results of designed filters.
The noise induced hearing loss, which is one type of the hearing losses, is well known occupational diseases. The prevention of the noise induced hearing loss is very important, because it is unrecoverable. There are some kinds of devices for hearing protection, and those are effective in preventing the noise induced hearing loss. However, people often resist the use of hearing protection devices because they have some difficulties during conversation in wearing the devices. To solve the problem, a small acoustic filter can be used for a hearing protection device. In this paper, we designed several kinds of small acoustic filters and analyzed the characteristics of designed small acoustic filters using Finite Element Analysis (FEA). From FEA results, we proved the characteristics of designed small acoustic filters which vary according to length and diameter. And we found out that the general tendencies of modeled filters using FEA are same as acoustic experiment results of designed filters.
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문제 정의
본 논문에서는 의사소통의 문제점 해결과 착용의 편의성 개선을 목적으로 귓속형 청각보호구에 적용할 수 있는 소형 음향필터를 설계 및 분석하였다. 이를 위하여 자동차 소음장치나 총 소음장치, 환기통의 소음장치의 설계에 사용되어 왔던 일반적인 음향 필터의 이론을 도입하여 소형 필터의 설계에 적용하였다.
그러나 기존에 사용되었던 음향필터에 비해 미세한 크기를 가진 소형필터에 관한 연구는 이루어진 바가 없으므로 설계한 소형 음향필터의 성능을 검증하기 위하여 유한요소해석기법을 적용하고 음향실험 결과와 비교하였다. 또한 다양한 소음환경에 적합한 청각보호구를 제작할 수 있도록 하기 위하여 소형음향 필터의 구조 내에 홉음재 역할을 할 수 있는 막을 삽입하여 필터의 특성을 다양화하기 위한 시도를 하였다. 소형 음향필터를 거쳐 고막에 도달하는 음향 특성을 유한요소 모델링을 통해 검증하기 위해 외이도와 같은 음향특성을 가지는 2cc 커플러 (coupler)를모델링한 결과와 소형 음향필터를 결합한 음향 특성을 해석하였다.
이용하여 접근하였다. 대화에 필요한 음성대 역을 소형 음향 필터의 전달대역으로 설정하여 소음으로 인한 난청예방과 동시에 청각보호구를 사용함으로써 나타날 수 있는 대화 장애를 해결하고자 한다. 청각 보호구에는 크게 일반적인 이어폰과 유사한 귓속형과 귀바퀴를 모두 덮는 헤드폰 형태의 귀 덮개형으로 분류되며, 그 중에서 착용자의 편의성, 미용효과, 휴대성, 대화 등의 측면에서 귓속형 청각보호구가 가장 효과적이므로 귀 속에 삽입할 수 있는 형태의 음향 필터를 설계하였다[4].
복잡한 형상의 실제 문제를 풀기 위해 서 최근에는 유한요소해석과 경계요소해석 등이 시도되고 있다. 따라서 본 논문에서는 평면파를 기초로 이론과 실험결과를 유한요소해석을 통해 증명하고자 한다.
본 논문에서는 다양한 형태의 소형 음향 필터에 대하여 기존의 평면파 가설에 기초한 이론과 실험 결과를 유한요소해석의 결과와 비교 평가함으로써 설계된 음향필터의 성능을 확인하였다. 외이의 전기적 모델을 이용한 청각보호용 음향필터의 설계는 외이의 평균 직경만을 고려하여 설계했으므로 실제 귓속형 청각보호구로는 부적절한 형태를 가질 수 있다.
가설 설정
구조를 해석해야 한다. 유체와 구조가 결합된 음향적 해석에서 사용되는 방정식에서 유체는 압축성이 있고, 점성이 없으며 비열이 없다고 가정한다. 해석에서 압력 기울기는 계산되어 나온 절점의 압력 값들을 사용하여 요소의 중심에서 값이 구해진 음압의 평균이 출력된다.
제안 방법
이를 위하여 자동차 소음장치나 총 소음장치, 환기통의 소음장치의 설계에 사용되어 왔던 일반적인 음향 필터의 이론을 도입하여 소형 필터의 설계에 적용하였다. 그러나 기존에 사용되었던 음향필터에 비해 미세한 크기를 가진 소형필터에 관한 연구는 이루어진 바가 없으므로 설계한 소형 음향필터의 성능을 검증하기 위하여 유한요소해석기법을 적용하고 음향실험 결과와 비교하였다.
이를 위하여 자동차 소음장치나 총 소음장치, 환기통의 소음장치의 설계에 사용되어 왔던 일반적인 음향 필터의 이론을 도입하여 소형 필터의 설계에 적용하였다. 그러나 기존에 사용되었던 음향필터에 비해 미세한 크기를 가진 소형필터에 관한 연구는 이루어진 바가 없으므로 설계한 소형 음향필터의 성능을 검증하기 위하여 유한요소해석기법을 적용하고 음향실험 결과와 비교하였다. 또한 다양한 소음환경에 적합한 청각보호구를 제작할 수 있도록 하기 위하여 소형음향 필터의 구조 내에 홉음재 역할을 할 수 있는 막을 삽입하여 필터의 특성을 다양화하기 위한 시도를 하였다.
또한 다양한 소음환경에 적합한 청각보호구를 제작할 수 있도록 하기 위하여 소형음향 필터의 구조 내에 홉음재 역할을 할 수 있는 막을 삽입하여 필터의 특성을 다양화하기 위한 시도를 하였다. 소형 음향필터를 거쳐 고막에 도달하는 음향 특성을 유한요소 모델링을 통해 검증하기 위해 외이도와 같은 음향특성을 가지는 2cc 커플러 (coupler)를모델링한 결과와 소형 음향필터를 결합한 음향 특성을 해석하였다. 그리고 이 해석의 적절성을 동일한 조건에서 검증하기 위하여 2cc 커플러와 소형 음향 필터를 결합하여 음향 실험을 통해 고막에 도달하는 음향 특성을 측정 한 후, 유한요소 해석 결과와 비교하여 두 실험 결과가 유사한 특성을 가지고 있음을 확인하였다.
소음차폐용 소형 음향필터는 기본적으로 자동차 배기 시스템에서 사용되는 머플러의 소음차폐원리를 이용하여 접근하였다. 대화에 필요한 음성대 역을 소형 음향 필터의 전달대역으로 설정하여 소음으로 인한 난청예방과 동시에 청각보호구를 사용함으로써 나타날 수 있는 대화 장애를 해결하고자 한다.
[그림 4]는 커플러를 모델링한 것으로 실제 크기에 표 1에 조건들을 주어 모델링하였다. [그림 4]의 (b)에 보이는 것처럼 고체(solid) 와 유체 (fluid)의 물성을 가지는 경계부분을 구분해주었고, 유체의 매질은 공기, 고체의 매질은 알루미늄을 각각 적용하였다. 20 〜 10, 000 Hz의 주파수 범위에 98 dB의 일정한 압력을 가해 주었을 때 각 주파수에서의 평균출력 압력을 확인하였다.
길이와 직경의 변화에 따른 필터들의 특성을 측정하기 위해 앞서 모델링한 커플러에 필터를 결합한 형태로 [그림 5]에 보이는 것처럼 모델링 하였다[11]. 필터의 매질인 액상레진이 추가적으로 적용되었으며 서로 다른 매질을 가진 구조를 해석하기위해 유체와 구조의 결합된 형태에 경계면을 설정해 주었다.
하였다[11]. 필터의 매질인 액상레진이 추가적으로 적용되었으며 서로 다른 매질을 가진 구조를 해석하기위해 유체와 구조의 결합된 형태에 경계면을 설정해 주었다. 압력에 의한 다른 영역의 변위를 막기 위해 분포하중을 적용하였다.
필터의 매질인 액상레진이 추가적으로 적용되었으며 서로 다른 매질을 가진 구조를 해석하기위해 유체와 구조의 결합된 형태에 경계면을 설정해 주었다. 압력에 의한 다른 영역의 변위를 막기 위해 분포하중을 적용하였다.
보여주고 있다. 귓속형 청각보호구에 삽입할 음향필터이므로 필터의 최대를 8 mm, 외경을 4 mm로 고정하고 필터 내경과 내부 구조의 길이를 변화 시켜 다양한 전달특성을 얻을 수 있도록 하였다. [그림 기은 [그림 6]의 설계에 따라 제작한 소형 음향 필터를 보여주고 있으며, 이 필터들을 이용하여 소형음향 필터가 청각보호구에 삽입되었을 때의 특성을 음향 특성 실험과 유한요소해 석을 통해 확인하였다.
스피커는 12인치 저주파 증강 스피커로 [그림 9]에 나타난 것처럼 두 스피커의 전달 특성에 의해 夷 Hz 〜 15 kHz의 주파수 영역에서 평탄한 특성을 가진다. 스피커를 통해 'System2'에서 제공하는 백색신호 (DNS #white 1)를 보내어 음향 필터와 커플러를 통과한 소리의 특성을 측정하였다. 측정 중 외부 소리의 차단을 위해 챔버(chamber)를 제작하고, 필터와 마이크 사이에 2cc 커플러를 부착하였다.
측정 중 외부 소리의 차단을 위해 챔버(chamber)를 제작하고, 필터와 마이크 사이에 2cc 커플러를 부착하였다. 2cc 커플러는 ANSI 표준규정을 따르며, 2cc 커플러를 통해 외이의 특성을 포함한 음향전달특성을 측정하였다.
2cc 커플러는 ANSI 표준규정으로 제작된 것을 사용하였고 모델링에서는 2cc 용적을 계산하여 3D 로 모델링하여 조화 응답 해석을 했으며 주파수 범위는 20-10, 000 Hz를 적용하고 평균압력을 취하였다.
음향특성 실험 시 고막에 도달하는 음향전달 특성을 측정하기 위 해 외 이도와 같은 특성을 가지는 2cc 커플러를 사용하였고, 동일한 조건에서 유한요소해석 결과와 비교하기 위하여 2cc 커플러를 모델링하여 비교한 결과 [그림 1이과 같은 특성을 나타내었다.
외이의 전기적 모델을 이용한 청각보호용 음향필터의 설계는 외이의 평균 직경만을 고려하여 설계했으므로 실제 귓속형 청각보호구로는 부적절한 형태를 가질 수 있다. 따라서 본 논문에서는 청각보호구에 삽입 가능한 형태로 설계한 소형 음향필터를 유한요소해석을 통해 분석하고, 음향실험을 통해 그 결과를 검증하였다.
음향필터의 구조를 유한요소로 모델링하여 외이까지 전달되는 특성을 실제 음향 실험 결과와 비교하였다. 2cc 커플러는 ANSI 표준규정으로 제작된 것을 사용하였고 모델링에서는 2cc 용적을 계산하여 3D 로 모델링하여 조화 응답 해석을 했으며 주파수 범위는 20-10, 000 Hz를 적용하고 평균압력을 취하였다.
성능/효과
소형 음향필터를 거쳐 고막에 도달하는 음향 특성을 유한요소 모델링을 통해 검증하기 위해 외이도와 같은 음향특성을 가지는 2cc 커플러 (coupler)를모델링한 결과와 소형 음향필터를 결합한 음향 특성을 해석하였다. 그리고 이 해석의 적절성을 동일한 조건에서 검증하기 위하여 2cc 커플러와 소형 음향 필터를 결합하여 음향 실험을 통해 고막에 도달하는 음향 특성을 측정 한 후, 유한요소 해석 결과와 비교하여 두 실험 결과가 유사한 특성을 가지고 있음을 확인하였다.
[그림 4]의 (b)에 보이는 것처럼 고체(solid) 와 유체 (fluid)의 물성을 가지는 경계부분을 구분해주었고, 유체의 매질은 공기, 고체의 매질은 알루미늄을 각각 적용하였다. 20 〜 10, 000 Hz의 주파수 범위에 98 dB의 일정한 압력을 가해 주었을 때 각 주파수에서의 평균출력 압력을 확인하였다.
실험결과와 해석결과를 보여준다. 두 실험의 결과로부터 필터의 길이와 직경의 변화 그리고 그 형태에 따라 다른 전달특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
앞서 비교한 실험 결과들에서 유한요소 해석 결과가 음향 특성실험 결과보다 공진점에서 이득이 높게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이것은 해석을 위한 구조적 모델링에서 콘덴서 마이크의 가진 전극판의 진동 특성과 제동(damping)요소의 차이에 의한 것으로 보인다.
5 mm 두께의 막을 모델 링 하여 결과를 얻었으며 막의 감쇠요인에 의해 공진 점에서 이득이 다소 감소되는 것을 확인 할 수 있었다. 앞의 결과를 통해 막을 조절함으로써, 실험 결과와 유한요소해석 결과 사이에 공진점에서의 이득 차이는 마이크의 가진 전극판의 특성에 의한 것임을 확인하였고 그 값을 조절할 수 있음을 알 수 있었다. 실제 실험에서는 막을 삽입하는 것이 여의치가 않기 때문에 결과를 비교할 수는 없으나 유한요소해석 결과에서처럼 설계한 필터에 다양한 막의 종류를 사용한다면 실제 생활에서 발생하는 다양한 소음들에 대해서 다양한 전달 특성을 가지는 음향필터를 제작할 수 있음을 알 수 있다.
유한요소해석결과 소형 음향필터의 단면적과 길이를 조정하여 다양한 음향전달특성을 갖도록 조절할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 소형 음향 필터의 중간에 약 0.
수 있는 것으로 나타났다. 또한, 소형 음향 필터의 중간에 약 0.5 mm 두께의 막을 모델링하여 결과를 얻었으며 막의 감쇠요인에 의해 공진점에서 이득이다소 감소되는 것으로 나타났다. 여러 종류의 소형음향 필터 에 대 한 유한요소해 석을 통해 얻은.
음향전달 특성은 음향실험을 통해 측정한 결과와 유사하게 나타나는 것을 알 수 있었다. 유한요소 해석에서 다소 실험적 결과보다 공진점에서 이득이 높게 나타나는 것은 해석을 위한 구조적 모델링에서 콘덴서 마이크의 가진 전극판의 진동특성과 제동요소의 차이에 의한 것임을 막을 삽입한 구조 해석을 통해 그 값을 조절 할 수 있음을 확인하였다. 실험적 데이터와 정확히 일치 하지는 않지만 의사소통에 관한 문제점을 해결하기 위해 제안된 음향필터의 구조가 대화에 필요한 음성대역을 전달시켜 대화 장애와 난청의 문제를 해결할 수 있음을 유한요소해석 결과로 증명하였다.
유한요소 해석에서 다소 실험적 결과보다 공진점에서 이득이 높게 나타나는 것은 해석을 위한 구조적 모델링에서 콘덴서 마이크의 가진 전극판의 진동특성과 제동요소의 차이에 의한 것임을 막을 삽입한 구조 해석을 통해 그 값을 조절 할 수 있음을 확인하였다. 실험적 데이터와 정확히 일치 하지는 않지만 의사소통에 관한 문제점을 해결하기 위해 제안된 음향필터의 구조가 대화에 필요한 음성대역을 전달시켜 대화 장애와 난청의 문제를 해결할 수 있음을 유한요소해석 결과로 증명하였다. 차후 고막에 대한 추가적인 해석이 이루어진다면 필터와 외이를 거친 음향 전달특성에 대한 해석이 가능할 것으로 보인다.
후속연구
앞의 결과를 통해 막을 조절함으로써, 실험 결과와 유한요소해석 결과 사이에 공진점에서의 이득 차이는 마이크의 가진 전극판의 특성에 의한 것임을 확인하였고 그 값을 조절할 수 있음을 알 수 있었다. 실제 실험에서는 막을 삽입하는 것이 여의치가 않기 때문에 결과를 비교할 수는 없으나 유한요소해석 결과에서처럼 설계한 필터에 다양한 막의 종류를 사용한다면 실제 생활에서 발생하는 다양한 소음들에 대해서 다양한 전달 특성을 가지는 음향필터를 제작할 수 있음을 알 수 있다.
실험적 데이터와 정확히 일치 하지는 않지만 의사소통에 관한 문제점을 해결하기 위해 제안된 음향필터의 구조가 대화에 필요한 음성대역을 전달시켜 대화 장애와 난청의 문제를 해결할 수 있음을 유한요소해석 결과로 증명하였다. 차후 고막에 대한 추가적인 해석이 이루어진다면 필터와 외이를 거친 음향 전달특성에 대한 해석이 가능할 것으로 보인다. 음향 필터의 길이와 직경의 변화를 통해 다양한 전달 특성을 도출함으로써 각종 소음 환경에 따라 적절한 음향전달특성을 가지는 청각 보호구를 개발하여, 효율적인 난청예방이 가능할 것으로 보인다.
차후 고막에 대한 추가적인 해석이 이루어진다면 필터와 외이를 거친 음향 전달특성에 대한 해석이 가능할 것으로 보인다. 음향 필터의 길이와 직경의 변화를 통해 다양한 전달 특성을 도출함으로써 각종 소음 환경에 따라 적절한 음향전달특성을 가지는 청각 보호구를 개발하여, 효율적인 난청예방이 가능할 것으로 보인다.
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