[논문]누출이 헬름홀츠 공명기의 소음저감 특성에 미치는 영향

이일재

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.6.634

누출이 헬름홀츠 공명기의 소음저감 특성에 미치는 영향
Effect of Leakage on the Noise Reduction Characteristics of Helmholtz Resonator 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.19 no.6 = no.147, 2009년, pp.634 - 640

이일재 (전북대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Helmholtz resonator has been used, especially in intake and exhaust systems of vehicles, due to its good noise reduction characteristics at low frequencies. Many approaches have been developed to predict the acoustic behavior of the resonator with the assumption that there is no leakage from the resonator. However, its behavior may be affected by leakage which may exist in manufacturing processes or on purpose. This study investigates the effect of leakage on the noise reduction characteristics of Helmholtz resonator with two practical examples. One is a resonator with a gap between baffle and housing of the resonator and the other one is a resonator with two drain holes on the baffle. The measured transmission loss shows that the resonance frequencies are considerably shifted to higher frequency due to the leakage. The Boundary Element Method was applied to predict the transmission loss of the Helmholtz resonator with drain holes. The comparison between the measured and predicted transmission loss shows that the acoustic impedance of the holes is essential for accurate predictions of the transmission loss.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 연구의 목적은 실험적인 방법과 수치해석적 방법을 이용하여 주파수 영역에서 이러한 누출이 헬름홀츠 공명기의 소음저감 성능에 미치는 영향을 알아보는 것이다. 우선 등가모델과 3차원 경계요소법 등 해석방법과 투과손실을 측정하기 위한 실험 장치에 대하여 간략하게 소개한다. 그리고 측정과 예측결과를 이용하여 두 가지 형태의 누출이 헬름홀츠 공명기의 투과손실에 미치는 영향을 보여준다.
이 연구의 목적은 실험적인 방법과 수치해석적 방법을 이용하여 주파수 영역에서 이러한 누출이 헬름홀츠 공명기의 소음저감 성능에 미치는 영향을 알아보는 것이다. 우선 등가모델과 3차원 경계요소법 등 해석방법과 투과손실을 측정하기 위한 실험 장치에 대하여 간략하게 소개한다.

가설 설정

하나는 격벽과 외벽 사이의 틈새에 의한 것이고, 다른 하나는 격벽에 존재하는 응축수 유출구에 의한 것이다. 이 연구에서는 실온에서 점성과 유체의 흐름이 없을 때를 가정한다.
이러한 다양한 헬름홀츠 공명기에 대한 연구에서는 모든 벽은 강성(rigid)하고, 공동과 본관(main duct) 사이 음파의 전달은 오직 목을 통하여 이루어진다고 가정한다. 하지만 여러 가지 이유로 발생하는 누출(leakage)때문에 이 가정이 성립되지 않는 경우가 있다.

제안 방법

우선 등가모델과 3차원 경계요소법 등 해석방법과 투과손실을 측정하기 위한 실험 장치에 대하여 간략하게 소개한다. 그리고 측정과 예측결과를 이용하여 두 가지 형태의 누출이 헬름홀츠 공명기의 투과손실에 미치는 영향을 보여준다. 하나는 격벽과 외벽 사이의 틈새에 의한 것이고, 다른 하나는 격벽에 존재하는 응축수 유출구에 의한 것이다.
두 가지 예를 사용하여 누출이 헬름홀츠 공명기의 소음저감 성능에 미치는 영향에 대한 연구를 하였다. 하나는 흡음재로 채워진 확장관과 함께 사용된 헬름홀츠 공명기에서 격벽과 외벽사이의 틈새로 인한 누출이고, 다른 하나는 응축수를 배출하기 위한 유출구에 의한 누출이다.
8은 유출구 H1은 열려있고 유출구 H2는 닫혀있는 경우에 대하여 측정결과와 유출구(천공)에 대한 다양한 음향학적 모델을 이용한 경계요소법의 예측결과를 보여준다. 먼저 천공에서 음압과 입자속도가 일치한다는 경계조건을 사용하여 투과손실을 예측하였다. 이러한 경계조건은 천공의 임피던스에 의한 효과가 고려되지 않았기 때문에 실험결과와 비교하여 공명기의 음향학적 성능을 과대하게 예측하고 있다.
다른 한 쪽 끝은 무반사단(anechoic termination)을 만들기 위하여 단계적으로 흡음재로 채워진 약 5 m 길이의 파이프가 사용되었다. 측정대상의 전후에 각각 두 개씩의 마이크로폰을 장착하고, 4채널 주파수 분석기는 이 마이크로폰에서 측정된 신호를 주파수 영역으로 변환하여 투과손실을 계산한다. 이 실험장치를 이용하여 측정 가능한 주파수 영역은 40 ~ 4000 Hz이다.
이 소음기는 저주파와 고주파의 소음을 동시에 저감하기 위하여 헬름홀츠 공명기와 흡음재(acoustic absorptive material)가 동시에 사용된 것으로 자동차의 배기계에 사용된다. 헬름홀츠 공명기는 저주파수의 소음을 줄이기 위하여 실온에서 80 Hz의 공진주파수를 갖도록 설계되었고, 흡음재는 유체의 흐름 등에 기인한 유동 소음(flow noise)을 저감하기 위하여 사용되었다. Fig.

대상 데이터

⁽⁹⁾은 실린더 비활성화(deactivation)시 헬름홀츠 공명기의 성능에 대한 연구의 일부분으로 누출이 있을 때 엔진 배기음의 변화에 대한 실험적인 연구를 하였다. 실험에서 사용된 헬름홀츠 공명기에는 격벽과 외벽(housing) 사이에 누출비율이 0~5 %인 다양한 틈새(gap)가 존재한다. 여기서 누출비율은 누출면적에 대한 전체 격벽 면적의 비율이다.

이론/모형

1과 다른 형태를 갖게 되는 경우가 많다. 이러한 경우에 정확한 예측을 위하여 경계요소법(boundary element method)이나 유한요소법(finite element method) 등과 같은 3차원의 수치해석적 방법을 사용한다. 이러한 다양한 예측방법에 대한 연구와 더불어 헬름홀츠 공명기의 성능을 향상시키기 위한 연구가 진행되었다.
27 × r₀으로, 무한판에 있다고 가정한 식 (8b)에 비하여 상당히 감소하게 된다. 저항에 대한 벽의 영향에 대한 의미 있는 연구의 부족으로 이 연구에서는 리액턴스에 사용된 보정길이를 저항에도 사용하였다^(11,12). 여기서 사용된 천공의 임피던스는 외벽에 의한 효과를 이론적으로 고려하고 있으나, Fig.
4의 소음기와 다르게 격벽과 외벽사이에 틈새는 존재하지 않고 다른 소음저감 요소와 함께 사용되지 않았다. 헬름홀츠 공명기의 크기는 100 Hz의 공진주파수를 갖도록 경계요소법을 사용하여 설계되었다. 목의 길이는 8 cm이고, 직경은 3.

성능/효과

이 비교는 누출로 인하여 헬름홀츠 공명기의 공진주파수가 80 Hz에서 136 Hz로 크게 이동한 것을 보여준다. 공진주파수가 고주파로 이동함에 따라 투과손실의 크기는 22.7 dB에서 32.6 dB로 증가하였다. 하지만 이는 누출에 의한 효과라기보다는 흡음재로 인한 현상으로 생각된다.
⁽⁹⁾의 연구와 같은 경향을 보여주고 있다. 그들의 결과는 고온과 유체의 흐름이 있는 엔진에서 측정된 음압레벨(sound pressure level)이고, 이 연구는 임피던스튜브장치(impedance tube setup)를 사용하여 실온에서 측정한 투과손실의 변화를 보여주는데, 두 결과 모두 누출이 공진주파수에서 헬름홀츠 공명기의 성능저하를 가져온다는 것을 보여 준다. 따라서 제조공정상 발생할 수 있는 틈새에 의한 누출을 제거하는 것이 바람직스럽다.
여기서 누출비율은 누출면적에 대한 전체 격벽 면적의 비율이다. 그들의 실험결과는 누출비율이 클수록 목적한 공진주파수에서 헬름홀츠 공명기의 효과는 저감된다는 것을 보여주었고, 결론에서는 헬름홀츠 공명기의 최적설계에 있어서 누출의 중요성에 대하여 지적을 하였다.
5 cm인 두 개의 유출구(H1과 H2)가 존재한다. 따라서 유출구의 단면적의 합은 0.39 cm²이고 목의 단면적에 대한 비율은 3.8 %이다.
유출구의 존재로 인하여 공진주파수는 100 Hz에서 112 Hz(H1만 open)와 132 Hz(H1과 H2 open)로 이동하였다. 또한 유출구의 존재로 투과손실의 최대값은 30.2 dB에서 17.4 dB 및 15.8 dB로 상당히 감소하였다. 식 (1)에서 알 수 있듯이 출구에 의한 목의 단면적의 증가에 의한 공진주파수의 증가는 예측되었지만, 두 개의 유출구가 존재할 때 목면적이 3.
유출구가 없을 때 경계요소법을 사용하여 예측한 투과손실은 실험결과와 비교하여 상당히 정확한 결과를 보여주고 있다. 유출구가 존재할 때 천공의 임피던스를 사용하지 않고 음압과 입자속도가 같다는 조건을 사용하는 경우에는 투과손실을 과대평가하고 있다.
두 경우 모두 유출구에의하여 공진주파수는 고주파로 상당히 이동하였다. 특히 헬름홀츠 공명기만을 사용하여 측정한 두 번째 결과에서는 투과손실의 최대값은 상당히 감소하였고 폭은 넓어진다는 것을 보여주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	헬름홀츠 공명기의 소음저감 성능을 예측하기 위한 해석방법은 무엇에 따라서 달라지는가?	헬름홀츠 공명기의 소음저감 성능을 예측하기 위한 해석방법은 그 형상과 관심 주파수에 따라서 달라진다. 가장 간단한 등가모델(lumped model)은 파장 (wave length)이 공명기의 크기에 비하여 상당히 크다는 조건을 만족할 때 공진주파수(resonance frequency)를 다음과 같이 예측할 수 있다(Fig.
	헬름홀츠(Helmholtz) 공명기는 어떠한 특성때문에 자동차의 흡 · 배기계 등에 많이 사용되었는가?	헬름홀츠(Helmholtz) 공명기는 비교적 작은 부피로 저주파 소음을 효과적으로 저감할 수 있는 특성 때문에 자동차의 흡 · 배기계 등에 많이 사용되어 왔다. 전형적인 헬름홀츠 공명기는 Fig.

참고문헌 (12)

Ingard, U., 1953, “On the Theory and Design of Acoustic Resonators,” Journal of Acoustical Society of America, Vol. 25, pp. 1037-1061

상세보기
Chanaud, R. C., 1994, “Effects of Geometry on the Resonance Frequency of Helmholtz Resonators,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 178, pp. 337-348

상세보기
Haa, S. T. and Kim, Y.-H., 1994, “The Limitation and Applicability of Helmholtz Resonator, Regarding as Equivalent Single-degree of Vibration System,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 4, No. 2, pp. 209-219
Dickey, N. S. and Selamet, A., 1996, “Helmholtz Resonators : One-dimensional Limit for Small Cavity Length-to-diameter Ratios,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 195, pp. 512-517

상세보기
Selamet, A., Radavich, P. M., Dickey, N. S., and Novak, J. M., 1997, “Circular Concentric Helmholtz Resonator,” Journal of Acoustical Society of America, Vol. 101, pp. 41-51

상세보기
Selamet, A. and Ji, Z. L. 2000, “Circular Asymmetric Helmholtz Resonators,” Journal of Acoustical Society of America, Vol. 107, pp. 2360-2369

상세보기
Kim, S. R. and Kim, Y.-H., 2005, “A Helmholtz Resonator Array Panel for Low Frequency Sound Absorption,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 15, No. 8, pp. 924-930

원문보기 상세보기
Song, H.-Y. and Lee, D.-H., 2008, “A Study on the Acoustic Absorption Performance of a Helmholtz Resonator,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 18, No. 1, pp. 71-79

원문보기 상세보기
Bemman, Y., Frei, T., Jones, C. and Keck, M., 2005, “Passive Exhaust Systems with Cylinder Deactivation,” SAE 2005-01-2351
Lee, I. J., Selamet, A. and Huff, N. T., 2006, “Acoustic Impedance of Perforations in Contact with Fibrous Material,” Journal of Acoustical Society of America, Vol. 119, pp. 2785-2797

상세보기
Stinson, M. R. and Shaw, E. A. G., 1985, “Acoustic Impedance of Small, Circular Orifices in Thin Plate,” Journal of Acoustical Society of America, Vol. 77, pp. 2039-2042

상세보기
Thurston G. B. and Wood J. K., 1953, “End Corrections for a Concentric Circular Orifice in a Circular Tube,” Journal of Acoustical Society of America, Vol. 25, pp. 861-863

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증