[논문]고흡음성 목재의 흡음성능과 구조적 특징

강춘원; 강욱; 김광철

doi:10.5658/wood.2010.38.4.292

[국내논문] 고흡음성 목재의 흡음성능과 구조적 특징
Sound Absorption Capability and Anatomical Features of Highly Sound Absorptive Wood 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.38 no.4 = no.163, 2010년, pp.292 - 297

강춘원 (전북대학교 생활과학대학 주거환경학과, 전북대학교 인간생활과학연구소) , 강욱 (전남대학교 농업생명과학대학 임산공학과) , 김광철 (전북대학교 생활과학대학 주거환경학과, 전북대학교 인간생활과학연구소)

초록
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일본산 산공재 중 구조적 특징이 목재흡음에 적합하다고 사료되는 카기카즈라목재의 흡음성능과 구조적 특징을 관찰하고자 목재횡단방향으로 원반형시험편을 채취하여 구조적 특징을 관찰하고, 전달함수법으로 흡음율을 측정하였다. 측정주파수범위에서 카기카즈라 횡단면의 흡음율은 0.30에서 0.50의 수치를 나타내었다. 비교수종인 낙엽송시험편보다 2~3배 높은 흡음율을 나타내었으며, 특히 2~4 KHz의 주파수영역에서는 50% 전후로 높은 흡음율을 나타내었다. 카기카즈라목재의 횡단면에서는 다수의 커다란 도관이 존재하고 이들 도관요소들은 단일천공판으로 연결되어 다공질형흡음에 유용한 연속된 모세관이 다량 존재하는 사실을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sound absorption capability and anatomical features of kagikazura (Uncaria rhynchophylla) and larch (lalix kaemferi) wood were estimated. Sound absorption coefficients had been measured by the two microphone transfer function method and anatomical features of kagikazura wood examined by SEM observation. The sound absorption coefficients of Uncaria rhynchophylla was higher than lalix kaemferi. Especially, in the frequency range of 1 to 4KHz, sound absorption coefficients of kagikazura was about 2~3 times higher than those of lalix kaemferi. Abundant and big vessel observed on the cross sectional surface of kagikazura wood and simple perforation plate observed on the longitudinal surface. It was surmised that the abundant big vessel element and simple perforation plate behaved as a sound absorbing pore.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 국내 방음벽의 90% 정도가 알루미늄 방음벽으로 되어 있어 방음벽 소재의 획일화에 따른 주변 환경과의 부조화가 문제시 되고 있으며, 새로운 소재의 출현을 기대하고 있으나 가격경쟁력, 미관, 성능, 내구성면에서 알루미늄 방음벽을 대체하기에는 아직 방음벽 개선에 대한 연구 노력이 더욱 필요하다. 따라서 흡음성능이 우수하면서도 인체에 무해하며, 경제성, 치수 안정성, 내수성 및 내구성이 뛰어난 새로운 흡음자재의 개발이 절실한데 이러한 조건들에 비교적 부합되는 재료가 목재이다.
본 연구에서는 공극 구조가 흡음에 적합하다고 사료되는 일본산 카기카즈라재를 원반(log cross section) 형태로 가공하여 목재 표면의 구조적 특징과 실용 주파수 대역에 해당하는 500∼6,400 Hz 내에서의 흡음율의 변화를 측정하였다. 이 결과를 국내산 유용수종인 낙엽송과 비교하여 목재의 흡음 재료로서의 가능성을 검토하고 흡음성능의 수종 간 변이에 대한 기초지식을 파악하였다.

제안 방법

본 연구에서는 공극 구조가 흡음에 적합하다고 사료되는 일본산 카기카즈라재를 원반(log cross section) 형태로 가공하여 목재 표면의 구조적 특징과 실용 주파수 대역에 해당하는 500∼6,400 Hz 내에서의 흡음율의 변화를 측정하였다.
관내 법에 의한 흡음율 측정 시 임피던스 관 직경의 주파수 제한으로 28.9 mm, 99.0 mm의 두 직경에서 흡음율을 측정하는데 본 연구에서는 직경 28.9 mm의 임피던스관을 이용하여 500∼6,400 Hz 구간의 주파수 변화에 따른 흡음율 변화를 측정하였다.
비교 수종은 전북지역에서 생육한 20년생 낙엽송을 공시하였다. 카기카즈라(Uncaria rhynchophylla)와 낙엽송(Larix kaemferi)을 고주파 진공건조한 다음, 직경 29.9 mm의 고주파수 대역 시험용으로 선삭 가공하여 흡음율을 측정하였다. 각 처리 당 반복 수는 3회였고, 변이를 최소화하기 위해 연륜폭과 무게 등을 측정, 비교하여 균일한 원반을 흡음율 시험에 공시하였다.
9 mm의 고주파수 대역 시험용으로 선삭 가공하여 흡음율을 측정하였다. 각 처리 당 반복 수는 3회였고, 변이를 최소화하기 위해 연륜폭과 무게 등을 측정, 비교하여 균일한 원반을 흡음율 시험에 공시하였다.
흡음율 측정이 끝난 목재 시험편을 실체현미경으로 관찰하여 육안적 구조를 관찰하였다. 또한 목재 시험편에서 소시 편을 절취하여 전자현미경으로 목재 횡단면과 방사단면의 미세구조를 관찰하였다.
흡음율 측정이 끝난 목재 시험편을 실체현미경으로 관찰하여 육안적 구조를 관찰하였다. 또한 목재 시험편에서 소시 편을 절취하여 전자현미경으로 목재 횡단면과 방사단면의 미세구조를 관찰하였다.
목재에 입사하는 음파에 대한 흡음성능과 구조적 특징을 파악하여 목재의 흡음 재료로서의 가능성을 검토하고 흡음성능의 수종 간 변이에 대한 기초지식을 파악하기 위하여 카기카즈라와 낙엽송원반의 섬유방향에 대하여 수직 입사흡음율을 측정하고 미세 구조적특징을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

규슈대학 연습림에서 생육한 9∼10년생 카기카즈라재를 흡음율 시험에 공시하였다.
규슈대학 연습림에서 생육한 9∼10년생 카기카즈라재를 흡음율 시험에 공시하였다. 비교 수종은 전북지역에서 생육한 20년생 낙엽송을 공시하였다. 카기카즈라(Uncaria rhynchophylla)와 낙엽송(Larix kaemferi)을 고주파 진공건조한 다음, 직경 29.

이론/모형

흡음율 측정은 B＆K 사의 two microphone impedance tube와 pulse 분석장치를 이용하여 전달함수 법(transfer function method)으로 실용 주파수범위에서의 흡음율을 측정하였다. 관내 법에 의한 흡음율 측정 시 임피던스 관 직경의 주파수 제한으로 28.
흡음성능에 크게 영향하는 투과성의 측정에는 PMI (Porous Materials Incorperated) 사의 CFP(Capillary Flow Porometry)를 이용하였다. CFP에서는 표면장력이 15.

성능/효과

또한 직경 100∼150 µm 전후의 도관이 다수로 존재하는 산공재로 도관의 분포 수가 많아서 투과성이 높을 것으로 사료되었는데, Fig. 7에 나타난 바와 같이 평균 투과성이 11.65 darcy로 높은 투과성을 나타내었다.
1) 카기카즈라 시험편이 거의 전 주파수대역에서 낙엽송 목재보다 높은 흡음율을 나타내었다.
2) 목재표면에 대경의 도관이 다량으로 존재하고 도관요소가 단일천공판으로 연결되어 흡음성능이 높은 것으로 사료되었다.
3) 카기카즈라와 유사한 조직구조를 갖는 목재는 흡음계수가 높아 친환경성 흡음 재료로의 적용이 가능할 것으로 사료되었다.

후속연구

흡음재는 음에너지를 열에너지로 변환시켜 흡음 효과를 기대할 수 있는 재료로서 모세관 및 연속 기포를 지닌 다공질 재료에 음이 입사하면 입사음이 그 세공 속에서 마찰과 점성저항 및 섬유의 진동 등에 의해 파동에너지가 열로 전환되는 다공질 흡음재가 가장 일반적으로 사용되고 있는데 다공질 흡음재로서 국내 시장의 85% 정도를 점유하고 있는 대표적인 흡음재인 암면과 유리면은 유해성과 내구성 그리고 내수성 등에 불리한 특성을 가지고 있고, 이밖에 폴리우레탄을 발포⋅가공한 sponge 계열 흡음재 및 폴리에스터 재질이 일부 사용되고 있으나 특정 주파수 대역의 흡음성능 저하 및 내구성, 불연성, 경제성 등이 현실적이지 못해 사용이 제한되고 있다. 또한 국내 방음벽의 90% 정도가 알루미늄 방음벽으로 되어 있어 방음벽 소재의 획일화에 따른 주변 환경과의 부조화가 문제시 되고 있으며, 새로운 소재의 출현을 기대하고 있으나 가격경쟁력, 미관, 성능, 내구성면에서 알루미늄 방음벽을 대체하기에는 아직 방음벽 개선에 대한 연구 노력이 더욱 필요하다. 따라서 흡음성능이 우수하면서도 인체에 무해하며, 경제성, 치수 안정성, 내수성 및 내구성이 뛰어난 새로운 흡음자재의 개발이 절실한데 이러한 조건들에 비교적 부합되는 재료가 목재이다.
이 결과에서 카기카즈라 원반의 흡음 계수가 비교 적 넓은 주파수 대역에서 흡음성이 높아서 흡음 재료로의 활용이 가능하고 다른 재료와의 조합 등으로 흡음 능력의 제고가 기대된다.
그러나 카기카즈라의 경우 생장속도가 느려 대경목의 목재를 구하기가 어려우므로 3.2항에서 서술하는 것처럼 구조적특징을 인지하고 이와 유사한 구조적 특징을 나타내면서 생장이 빠른 수종을 파악하여 횡단면이 음 입사면이 되도록 가공하여 흡음성능을 발현하도록 하는 시도가 필요할 것으로 사료되었다.
이와 같은 수종 간의 구조적 차이에 의한 흡음성능과 투과성의 차이는 수많은 목재수종을 대상으로 관측하는 것은 다대한 시간과 재료를 요구하므로 구조적특성과 투과성 그리고 주파수에 따른 흡음성능의 관계를 수치해석으로 분석, 예측하는 연구가 선행되어져야 할 것으로 사료되었다. Fig.
이러한 미세구조적 특징으로 침엽수의 흡음율이 낮고 활엽수종 중에서 카기카즈라처럼 대경도관이 많은 수종이 흡음율이 높은 결과로 나타난 것으로 생각된다. 이 연구의 결과는 관내에서의 수직 입사흡음율만을 측정한 결과로, 斜面入射 또는 亂入射하는 음에 대하여서는 잔향실법으로 흡음율을 측정해 보는 등의 추후 검토가 요구된다.
한편, CFP로 투과성, 공극형태 그리고 분포 등을 측정할 때 액체에 침적된 시편에 압력을 가하여 처음으로 유체의 통과가 시작되는 압력을 bubble point라고 하는데 이에 의한 최대 직경 공극의 직경 예측치는 직경 90 µm 전후를 나타내었다. SEM관찰에 의한 도관직경 실측치인 100∼150 µm 전후의 도관직경보다 약간 적은 수치를 나타내었는데 SEM관찰과는 약간의 차이는 있으나 비교적 유사한 결과를 나타내어 향후 공극 크기 예측에 CFP의 활용이 기대되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	목재의 흡음성능은 어느 때 고려되는가?	목재가 건축재료로, 특히 실내의 벽체로 사용되어질 때 고려되어야 할 사항 중의 하나가 흡음성능이다. 실내에서 벽체의 흡음성능이 너무 작으면 잔향시간이 길어져 연속되는 음과의 구분이 어려워지고 너무 큰 경우에는 음이 너무 빨리 소멸되어 음의 인식이 어려워지기 때문에 적당한 흡음성능이 요구되는데, 목재는 판재의 경우, 흡음율이 5% 내외인 음향 반사 재료이다.
	소음 저감을 위하여 또는 주거공간의 음향 환경개선을 위한 방법은 무엇인가?	소음 저감을 위하여 또는 주거공간의 음향 환경개선을 위한 방법으로는 소음의 발생원을 구조 또는 재질 변경을 통해 감쇠시키거나 발생소음을 차단 혹은 흡수하는 방안이 있으나 소음원을 감쇠시키기는 어렵고 흡음재를 사용하여 발생 소음을 흡수하는 방안이 현실적이다. 흡음재는 음에너지를 열에너지로 변환시켜 흡음 효과를 기대할 수 있는 재료로서 모세관 및 연속 기포를 지닌 다공질 재료에 음이 입사하면 입사음이 그 세공 속에서 마찰과 점성저항 및 섬유의 진동 등에 의해 파동에너지가 열로 전환되는 다공질 흡음재가 가장 일반적으로 사용되고 있는데 다공질 흡음재로서 국내 시장의 85% 정도를 점유하고 있는 대표적인 흡음재인 암면과 유리면은 유해성과 내구성 그리고 내수성 등에 불리한 특성을 가지고 있고, 이밖에 폴리우레탄을 발포⋅가공한 sponge 계열 흡음재 및 폴리에스터 재질이 일부 사용되고 있으나 특정 주파수 대역의 흡음성능 저하 및 내구성, 불연성, 경제성 등이 현실적이지 못해 사용이 제한되고 있다.
	새로운 흡음자재의 개발이 절실한 이유는 무엇인가?	흡음재는 음에너지를 열에너지로 변환시켜 흡음 효과를 기대할 수 있는 재료로서 모세관 및 연속 기포를 지닌 다공질 재료에 음이 입사하면 입사음이 그 세공 속에서 마찰과 점성저항 및 섬유의 진동 등에 의해 파동에너지가 열로 전환되는 다공질 흡음재가 가장 일반적으로 사용되고 있는데 다공질 흡음재로서 국내 시장의 85% 정도를 점유하고 있는 대표적인 흡음재인 암면과 유리면은 유해성과 내구성 그리고 내수성 등에 불리한 특성을 가지고 있고, 이밖에 폴리우레탄을 발포⋅가공한 sponge 계열 흡음재 및 폴리에스터 재질이 일부 사용되고 있으나 특정 주파수 대역의 흡음성능 저하 및 내구성, 불연성, 경제성 등이 현실적이지 못해 사용이 제한되고 있다. 또한 국내 방음벽의 90% 정도가 알루미늄 방음벽으로 되어 있어 방음벽 소재의 획일화에 따른 주변 환경과의 부조화가 문제시 되고 있으며, 새로운 소재의 출현을 기대하고 있으나 가격경쟁력, 미관, 성능, 내구성면에서 알루미늄 방음벽을 대체하기에는 아직 방음벽 개선에 대한 연구 노력이 더욱 필요하다. 따라서 흡음성능이 우수하면서도 인체에 무해하며, 경제성, 치수 안정성, 내수성 및 내구성이 뛰어난 새로운 흡음자재의 개발이 절실한데 이러한 조건들에 비교적 부합되는 재료가 목재이다.

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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].

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