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문제 정의
- 본 연구에서는 드릴을 이용한 간단한 천공가공으로 제작할 수 있는 공명기의 흡음성능을 측정하고 이러한 공명기 위치의 변화에 따른 흡음 특성 변화에 대해 검토하였다. 또한, 천공 내부에 나사선을 가공하여 내부표면적이 흡음율에 끼치는 영향을 검토하였다.
- 간단한 천공(simple perforation)AS. 형성한 공명기로부터 목재와 목질보드의 흡음성 개선(강과 박, 2001)과 파티클보드(PB)와 ONP, Pallet particle, MgC12를 복합하여 제조한 목모시 멘트보드와 파티클보드, 섬유판에 요철을 주어 흡음률 측정 (Suh 등. 2004)에 대해 연구하였다. 그 외 많은 연구자들 (Kim등, 2003: Watanabe, 1967; 홍, 1989 & 1996) 에 의해 흡음률 측정에 관한 연구들이 행해져 왔으며 , 헬름홀츠 공명기를 목재에 적용할 경우 가공의 어 려움이 나 비용 상승 등의 문제점 이 발생하여 단순한 조작에 의한 공명 기 제작에 의해 필요한 흡음 특성을 얻을 수 있는 기술개발에 대한 요구가 증대되고 있다.
제안 방법
- 거제수나무, 낙엽송, 백합나무재로부터 간단한 천공작업에 의한 공명기를 제작하여 수종 및 공명기 위치에 따른 흡음성능을 살펴보았다. 실험결과 아래와 같은 흡음특성을 얻을 수 있었다.
- 드릴링 머신(SMD 360. 삼천리공업사)으로 수가공하여 Fig. 1과 같이 천공가공을 한 네 종류의 공명기(등 분포형 공명기(Type-R), 밀집형 공명기(Type -E). 일렬형 공명기 (Type-A), 나선형 공명기 (Type -S))와 무처리 시험편으로 총 5가지 형태의 시험편을 준비하였다.
- 일렬형 공명기 (Type-A), 나선형 공명기 (Type -S))와 무처리 시험편으로 총 5가지 형태의 시험편을 준비하였다. 등분포형, 밀집형, 일렬형 공명기는 5 mm 두께의 드릴 날로 제작하였고. 나선형 공명기는 0.
- 대해 검토하였다. 또한, 천공 내부에 나사선을 가공하여 내부표면적이 흡음율에 끼치는 영향을 검토하였다.
- 2). 흡음률을 측정하기 위해 250-3, 200 Hz의 음파를 시험편에 100회 주사하여 각 주파수에서 얻어진 흡음률의 평균값을 800개의 라인으로 분리하여 취득하였다. 본 실험장치의 신뢰 분석영역이 500 Hz-3, 200 Hz 범위였기 때문에 500 Hz 이하와 3, 200 Hz 이상의 주파수대를 제외한 흡음률 측정치를 이용하여 분석에 이용하였다.
대상 데이터
- 백합나무(Lirio-dendron tulipifera) 3개의 수종으로 설정하였다. 거제수나무와 백합나무는 국립산림과학원에서 , 낙엽송은 경북대학교 청송연습림으로부터 조달하여 사용하였다. 시험편 제작 후 남은 부분의 재료에 대해 전건비중을 측정하고, 시험편은 25℃의 항온실 상태에서 2주간 방치한 후 시험을 행하였으며 시험이 끝난 직후에 전건법으로 측정한 시험편의 함수율은 Table 1과 같았다.
- 공명기 시험편은 국내산 거제수나무CSefu/a costata), 낙엽송(barix kaempferi). 백합나무(Lirio-dendron tulipifera) 3개의 수종으로 설정하였다.
- 낙엽송(barix kaempferi). 백합나무(Lirio-dendron tulipifera) 3개의 수종으로 설정하였다. 거제수나무와 백합나무는 국립산림과학원에서 , 낙엽송은 경북대학교 청송연습림으로부터 조달하여 사용하였다.
- 흡음률을 측정하기 위해 250-3, 200 Hz의 음파를 시험편에 100회 주사하여 각 주파수에서 얻어진 흡음률의 평균값을 800개의 라인으로 분리하여 취득하였다. 본 실험장치의 신뢰 분석영역이 500 Hz-3, 200 Hz 범위였기 때문에 500 Hz 이하와 3, 200 Hz 이상의 주파수대를 제외한 흡음률 측정치를 이용하여 분석에 이용하였다.
- 시험편은 수종당 21개씩 목표치수인 지름 53 ±0.5 mm, 두께 14.5 ±0.5 mm의 원형으로 제작하여 총 63개를 사용하였으며, 정밀한 원반형 시험편을 제작하기 위해 3D modeling machine (FA-A790 CNC)을 사용하였다.
- 1과 같이 천공가공을 한 네 종류의 공명기(등 분포형 공명기(Type-R), 밀집형 공명기(Type -E). 일렬형 공명기 (Type-A), 나선형 공명기 (Type -S))와 무처리 시험편으로 총 5가지 형태의 시험편을 준비하였다. 등분포형, 밀집형, 일렬형 공명기는 5 mm 두께의 드릴 날로 제작하였고.
- 725 mm)을 사용하여 나사선 홈을 추가로 가공한 것으로 다른 시험편에 비해 천공의 지름이 작은 편이나 다른 공명기와 그 표면적은 비슷한 수준이다. 최종 공명기 시험편의 치수는 지름 53 mm, 두께 12.5 mm의 원반형으로 마무리하여 시험에 적용하였다.
이론/모형
- 각 시험편의 흡음특성을 검토하기 위해 KS F 2814T 과 2814-2 (한국표준협회, 2001 & 2002)의 '임피던스 관에 의한 흡음 계수와 임피던스의 결정 방법에 따라 B&K사의 two microphone impedance tube와 pulse 분석 장치를 사용하여 흡음율(흡음계수)을 측정하였다(Fig. 2). 흡음률을 측정하기 위해 250-3, 200 Hz의 음파를 시험편에 100회 주사하여 각 주파수에서 얻어진 흡음률의 평균값을 800개의 라인으로 분리하여 취득하였다.
성능/효과
- 1) 간단한 천공작업으로 형성한 공명기는 4가지 조건 모두 무처리재보다 높은 흡음률을 나타내었다.
- 2) 공명기의 위치에 따라 최고 흡음률을 나타내는 주파수가 다르게 나타났으며 스펀지보다 흡음 성능이 우수한 주파수대도 관찰되었다. 등분포형 공명기에서 가장 높은 흡음률을 나타냈으며 .
- 3) 공명기 내에 나사선 가공을 통해 표면적을 증가시킨 나선형 공명기의 경우, 수종간의 흡음 특성은 불규칙적으로 나타났으며 표면적에 의한 흡음효과는 관찰되지 않았다.
- 6은 일렬로 천공가공한 일렬형 공명기 (Type-A) 의 흡음특성을 나타낸 Fig이다. 거제 수와 낙엽송의 경우, 1, 600 Hz에서 일차 피크를 나타낸 후 다시 감소하다가 2, 500 Hz 부근에서 다시 증가하는 결과를 나타내었으며, 백합나무의 경우 2, 000 Hz 부근까지 일정하게 증가한 후 2, 500 Hz까지 다소 감소하는 경향을 보인 후 전반부보다 더 급격히 증가하는 추세를 보였다. 일렬형 공명기의 경우, 가장 자리의 2개는 각각 1개씩.
- 균일형 공명기(Type-R)와 비교하면 모든 수종에서 500-2,000 Hz의 주파수대에서 Type-R보다 낮은 흡음률을 나타내었으나 2,000 Hz 이상에서는 높은 흡음률을 나타내었다. 거제수나무와 낙엽송의 흡음률 변화를 보면, 1,500~1, 600 Hz 범위에서 일차 피크를 나타낸 후 감소하다가 2, 300 Hz 정도에서 점차 증가하는 경향을 나타내었다. 백합나무의 경우, 500-1, 600 Hz까지 흡음률이 증가하다가 2.
- 5는 시험편의 일부에 천공이 편중되어 배치된 밀집형 공명기(Type-E)의 흡음특성을 나타낸 그래프이다. 균일형 공명기(Type-R)와 비교하면 모든 수종에서 500-2,000 Hz의 주파수대에서 Type-R보다 낮은 흡음률을 나타내었으나 2,000 Hz 이상에서는 높은 흡음률을 나타내었다. 거제수나무와 낙엽송의 흡음률 변화를 보면, 1,500~1, 600 Hz 범위에서 일차 피크를 나타낸 후 감소하다가 2, 300 Hz 정도에서 점차 증가하는 경향을 나타내었다.
- 이것으로 미루어 볼 때, 공명기 내의 단면적 증가로 인한 흡음효과는 크지 않음을 알 수 있었으며 , 오히려 간단한 천공가공에 의한 흡음율의 증가가 현저해짐을 알 수 있었다. 따라서 흡음률은 천공직경의 크기와 관련성이 많으며, 직경 크기가 작으면 나사선 등으로 가공처리를 한다고 해도 흡음률에는 큰 영향을 미치지 못함을 잘 알 수 있었다.
- 수종에 따른 감소치의 차이는 목재의 비중(밀도)이 낮을수록 흡음률의 감소가 크기 때문에 이러한 공명기 사이의 간섭은 비중이 낮아질수록 더 큰 영향을 받을 것으로 여겨진다. 또한, 세 수종 중에서 거제수나무의 비중이 가장 높은 관계로 흡음률에 있어서는 가장 낮을 것으로 추측되었으나. 일렬형 공명기에 있어서는 중 .
- 수종별로 보면, 1, 600 Hz 정도에서는 낙엽송이 가장 높은 흡음률을 나타내었고 백합나무와 거제수나무는 그보다 약간 낮았으며, 3, 000 Hz 부근에서의 흡음률은 거제수에서 가장 높게 나타났으며 백합나무, 낙엽송의순으로 낮게 나타났다. 모든 주파수대에 있어서의 흡음률 분포는 백합나무에서 균일하면서도 안정적인 경향을 나타냈다.
- 5 mm의 드릴로 천공한 뒤 나사못을 이용하여 공명기 내에 나사선을 가공한 나선형 공명기 (Type-S)의 흡음률을 나타낸 그래프이다. 무처리재와 비교하면 흡음률은 다소 향상되었으나, 다른 공명기에 비해 약 50% 정도의 흡음률을 나타내었다. 이 조건에서 낙엽송의 흡음특성은 1, 300 Hz에서 가장 높은 흠음율을 나타낸 후 급격히 감소하다가 1, 600 Hz 부근에서 0에 귀속한 후 다시 증가하여 0.
- 차음성능은 면밀도와 깊은 상관이 있지만 흡음의 경우는 이와는 다르게 음을 흡수하여 매질이나 공기와의 마찰열로서 감쇠시키는 성질을 가져 마찰매질인 목재의 비중과 밀접한 상관이 있다고 할 수 있다. 본 연구에서는 거제수나무의 비중이 가장 높지만 이 공명기 형태에서는 고주파 영역 2700-3000 Hz 범위에서의 흡음률은 가장 큰 값을 나타냈다. 따라서 공명기 형태와 주파수대에 따라 목재의 조직구조가 흡음에 미치는 영향도 달라지는 것으로 추정할 수 있다.
- 700 Hz)에서는 목재에 공명기를 설치한 시험편이 스펀지를 능가하는 높은 흡음률을 나타내었다. 수종간의 흡음특성에 있어서는 모든 수종에서 유사한 흡음률을 나타내었지만, 특히 거제수나무는 1, 660 Hz에서 가장 높은 흡음률을 나타내었다. 이러한 결과는 특정 주파수대의 흡음에 있어서는 단순천공에 의한 목재 공명 기의 사용 가능성이 매우 높음을 시사한다.
- 700 Hz까지 흡음률이 일정하게 유지 된 후 다시 흡음률이 증가하는 형태를 나타내었다. 수종별로 보면, 1, 600 Hz 정도에서는 낙엽송이 가장 높은 흡음률을 나타내었고 백합나무와 거제수나무는 그보다 약간 낮았으며, 3, 000 Hz 부근에서의 흡음률은 거제수에서 가장 높게 나타났으며 백합나무, 낙엽송의순으로 낮게 나타났다. 모든 주파수대에 있어서의 흡음률 분포는 백합나무에서 균일하면서도 안정적인 경향을 나타냈다.
- 강과 박(2001)의 연구결과에 따르면 직경 2 mm의 공명기를 가진 시험편의 흡음율은 2,500 Hz에서 최고치를 나타내었다. 이것으로 미루어 볼 때, 공명기 내의 단면적 증가로 인한 흡음효과는 크지 않음을 알 수 있었으며 , 오히려 간단한 천공가공에 의한 흡음율의 증가가 현저해짐을 알 수 있었다. 따라서 흡음률은 천공직경의 크기와 관련성이 많으며, 직경 크기가 작으면 나사선 등으로 가공처리를 한다고 해도 흡음률에는 큰 영향을 미치지 못함을 잘 알 수 있었다.
- 일렬형 공명기에 있어서는 중 . 저주파 영역에서 가장 높은 값을 나타냄으로써 흡음률은 공명기의 형태나 배열상태, 주파수대와도 관련이 있는 것으로 판단되었다.
- 4는 천공이 동일한 간격으로 배치된 등 분포형 공명기 (Type-R)의 흡음률을 나타낸 것으로 모든 수종의 1, 700 Hz에서 가장 높은 흡음률을 나타내었다. 전체적인 흡음성능 또한 무처리재보다 뛰어남을 알 수 있었다. 이것은 단순한 천공작업으로 제조한 공명기가 어느 정도 흡음성능을 발휘하였음을 의미하며, 특정 주파수에서 높은 흡음성능을 발휘하는 특징을 보였다.
- 또한 수종간의 차이는 크게 나타나지 않았으므로 이 조건에서의 흡음률은 수종에 의한 영향을 받지 않고 오히려 공명기의 형태에 의존하는 특징을 나타낼 것으로 기대되었다. 흡음률은 고주파 대에서는 스펀지가 매우 높은 흡음률을 나타내었지만, 저주파대(1.500~ 1.700 Hz)에서는 목재에 공명기를 설치한 시험편이 스펀지를 능가하는 높은 흡음률을 나타내었다. 수종간의 흡음특성에 있어서는 모든 수종에서 유사한 흡음률을 나타내었지만, 특히 거제수나무는 1, 660 Hz에서 가장 높은 흡음률을 나타내었다.
후속연구
- 4) 목재의 흡음률은 공명기의 크기나 형태 및 배열상태, 목재의 구조방향과 비중, 흡음 주파수 영역 등과 밀접한 상관성이 있음을 알 수 있었고, 이들 영향 인자에 대한 면밀한 검토가 연구되어져야 할 것으로 판단되었다.
- 이러한 결과는 특정 주파수대의 흡음에 있어서는 단순천공에 의한 목재 공명 기의 사용 가능성이 매우 높음을 시사한다. 따라서 이런 공명기의 형태일 때는 수종, 즉 비중에 따른 흡음률의 차이보다도 공명기의 형태가 흡음률에 더 큰 영향을 미치기 때문에 주파수영역별 흡음률과 공명기의 적절한 형태나 배열상태에 대한 연구도 필요할 것으로 판단되었다.
- 이것은 단순한 천공작업으로 제조한 공명기가 어느 정도 흡음성능을 발휘하였음을 의미하며, 특정 주파수에서 높은 흡음성능을 발휘하는 특징을 보였다. 또한 수종간의 차이는 크게 나타나지 않았으므로 이 조건에서의 흡음률은 수종에 의한 영향을 받지 않고 오히려 공명기의 형태에 의존하는 특징을 나타낼 것으로 기대되었다. 흡음률은 고주파 대에서는 스펀지가 매우 높은 흡음률을 나타내었지만, 저주파대(1.
- 500 Hz까지 흡음률이 증가한 이후 2, 500 Hz 대까지 일정하게 유지되다가 다시 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과로부터 동일한 수종에 같은 크기와 같은 수의 천공을 밀집하여 조성하였을 때, 일정한 간격으로 천공한 공명기보다 더 높은 주파수대의 홉음에 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 차음성능은 면밀도와 깊은 상관이 있지만 흡음의 경우는 이와는 다르게 음을 흡수하여 매질이나 공기와의 마찰열로서 감쇠시키는 성질을 가져 마찰매질인 목재의 비중과 밀접한 상관이 있다고 할 수 있다.
- 흡음은 음이 지니고 있는 에너지를 소실 또는 감소시키는 현상으로 대부분의 목재는 조직세포 구성상 세포내강과 같이 공극을 많이 가진 다공성 재료로써 흡음성능을 가지지만 다공질형 흡음에 유용한 연속되는 공극이 적어 흡음률이 비교적 낮은 편이다. 이러한 목재의 흡음성을 개선할 수 있다면 일반 주택, 대규모 전시공간, 음향실 등의 흡음재로 사용이 가능할 것이다.
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