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문제 정의
- 9와 같은 천공판이 패널의 표면 또는 다공질재 내부에 삽입되어 있는 경우가 많다. 따라서 천공판이 차음성능에 미치는 영향을 분석해 보았다. 평면파를 가정할 경우 균일한 매질에서 일반적으로 전달행렬이론을 적용하여 흡음계수를 쉽게 구할 수 있다.
- 본 논문에서는 차음 해석 이론을 정립하고 패널 개발에 있어 비용과 시간 면에서 효율적인 간이 잔향실 실험 시설을 확충하였다. 기본 샌드위치 모델의 해석적 방법과 구축된 간이 잔향실 실험 시설을 이용하여 구성요소인 중심재의 밀도와 두께, 표면재의 두께를 변화시켜가며 차음성능 변화를 분석하였다.
가설 설정
- 또한, 유체와 고체의 운동은 6개의 운동방정식에 의해서 결정된다. 본 논문에서는 해석대상으로서 중심재가 유한한 두께를 갖는 무한 다공질판으로 가정하고, 다공질재의 거동에 대하여 프레임의 운동을 탄성체로 보는 Biot(1956) 및 Bolton et al.(1996)의 탄성 모델을 근거로 하였다.
- 천공판은 현재 선박용 차음 패널에 사용되는 두가지 형태의 천공판에 대해 판 뒷면에 70mm 공기층과 강체 벽면이 있다고 가정하고 해석하였다. 천공판의 물성치는 Table 2와 같다.
제안 방법
- 중심재인 다공질재에 대한 연구는 Biot(1956)에 의해 본격화되기 시작되었다. Biot는 다공성 매질을 프레임과 유체로 구분하여 응력-변형률의 구성방정식에서 상호 연성 관계를 고려하였고 프레임과 유체의 파동 방정식을 유도하였다. 이후에는 Allard(1993)와 Bolton et al.
- 가장 좋은 차음성능을 얻으면서 패널의 총 두께를 줄이고자 Fig. 13과 같이 이중 샌드위치 패널 사이에 15mm의 공기층을 두고 그 사이에 지름 2mm의 천공판을 삽입한 패널을 개발하였다. 개선된 차음 패널은 수 차례에 걸친 간이 잔향실 차음성능 실험에서 가장 높은 차음성능을 보여준 패널이며, 이에 대한 성능 검증을 위해 Fig.
- 간이 잔향실로 측정한 결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 잔향실의 성능 검증시에 일반적으로 사용되는 단판에 대한 차음실험을 수행하였다. 0.
- 13과 같이 이중 샌드위치 패널 사이에 15mm의 공기층을 두고 그 사이에 지름 2mm의 천공판을 삽입한 패널을 개발하였다. 개선된 차음 패널은 수 차례에 걸친 간이 잔향실 차음성능 실험에서 가장 높은 차음성능을 보여준 패널이며, 이에 대한 성능 검증을 위해 Fig. 14에서 보는 바와 같이 공인 기관인 한국기계연구원의 실 잔향실에서 차음성능 실험을 수행하였다. 차음성능 실험은 국제 규격인 ISO 140-3에 의거하여 수행되었으며 시편의 크기는 폭 4,200mm, 높이 2,400mm, 두께 65mm이다.
- 본 논문에서는 차음 해석 이론을 정립하고 패널 개발에 있어 비용과 시간 면에서 효율적인 간이 잔향실 실험 시설을 확충하였다. 기본 샌드위치 모델의 해석적 방법과 구축된 간이 잔향실 실험 시설을 이용하여 구성요소인 중심재의 밀도와 두께, 표면재의 두께를 변화시켜가며 차음성능 변화를 분석하였다. 또한, 선박용 복합패널의 성능 개선을 위해 내부 천공판 효과 및 내부 공기층 변화를 통해 성능 향상을 위한 선박용 복합패널의 두께를 선정 하였다.
- 다공질재의 두께가 차음성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 다공질재의 두께만 달리하고 동일한 크기와 표면재를 가진 두 시편에 대해 실험과 해석을 수행하였다. 다공질재의 두께는 선박용 차음 패널로 가장 많이 쓰이는 50mm와 100mm에 대해 비교하였다.
- 다공질재의 두께가 차음성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 다공질재의 두께만 달리하고 동일한 크기와 표면재를 가진 두 시편에 대해 실험과 해석을 수행하였다. 다공질재의 두께는 선박용 차음 패널로 가장 많이 쓰이는 50mm와 100mm에 대해 비교하였다. 해석 및 간이 잔향실 실험결과는 Fig.
- 다공질재의 밀도가 차음성능에 어떤 영향을 미치는지 분석하기 위해 다공질재의 밀도만 달리하고 동일한 크기와 표면재를 가진 두 시편에 대해 실험과 해석을 수행하였다. 다공질재의 밀도 영향만 반영하기 위해서 다른 물성치들은 모두 동일하게 두었고 다공질재의 밀도는 가장 널리 쓰이는 고밀도 암면의 밀도인 140kg/m3과 240kg/m3로 두고 비교하였다. 해석 및 간이 잔향실 실험결과는 Fig.
- 다공질재의 밀도가 차음성능에 어떤 영향을 미치는지 분석하기 위해 다공질재의 밀도만 달리하고 동일한 크기와 표면재를 가진 두 시편에 대해 실험과 해석을 수행하였다. 다공질재의 밀도 영향만 반영하기 위해서 다른 물성치들은 모두 동일하게 두었고 다공질재의 밀도는 가장 널리 쓰이는 고밀도 암면의 밀도인 140kg/m3과 240kg/m3로 두고 비교하였다.
- 이는 이중 샌드위치 패널의 가운데 삽입된 공기층이 차음성능 향상에 영향을 주기 때문이다. 따라서 간이 잔향실을 이용해 Fig. 11의 이중 샌드위치 패널에 다른 물성치는 동일하게 두고 공기층의 두께만 10mm, 15mm, 25mm, 50mm, 75mm로 변화하여 공기층의 영향을 비교해 보았다. Fig.
- 이러한 결과를 통해 본 연구를 위해서 설치된 축소 잔향실의 성능이 대형 잔향실의 결과와 매우 유사한 결과를 나타내고 있으며 저주파수를 제외한 400Hz 이상에서 매우 높은 신뢰성을 갖는다고 판단할 수 있어 해석 결과의 검증 및 패널 개발의 성능 검증 용도로 높은 활용성을 예상할 수 있다. 또한, Fig. 5와 같은 50mm 선박용 샌드위치 패널을 대상으로 차음성능 해석 및 축소 잔향실 실험을 수행하였고 결과를 비교하였다. 해석에 사용된 물성치는 Table 1과 같다.
- 본 논문에서는 기본 샌드위치 패널의 해석적 방법과 간이 잔향실(Mini reverberant chamber)의 차음성능 실험을 이용하여 구성요소인 중심재의 밀도와 두께, 표면재의 두께를 변화시켜 가며 차음 성능 변화를 분석하였다. 또한, 선박용 복합패널의 성능 개선을 위해 내부 천공판 효과 및 내부 공기층 변화를 통해 성능 향상을 위한 선박용 복합패널의 두께를 선정하였다. 이러한 결과를 토대로 시편을 제작하여 간이 잔향실에서 패널간 상대적 비교를 통해 비교적 우수한 시편을 선정하고 최종적인 성능 검증은 공인인증기관의 대형 잔향실에서 성능을 확인 하여 높은 차음 성능을 갖는 선박용 복합 패널을 개발하였다.
- 본 논문에서는 기본 샌드위치 패널의 해석적 방법과 간이 잔향실(Mini reverberant chamber)의 차음성능 실험을 이용하여 구성요소인 중심재의 밀도와 두께, 표면재의 두께를 변화시켜 가며 차음 성능 변화를 분석하였다. 또한, 선박용 복합패널의 성능 개선을 위해 내부 천공판 효과 및 내부 공기층 변화를 통해 성능 향상을 위한 선박용 복합패널의 두께를 선정하였다. 이러한 결과를 토대로 시편을 제작하여 간이 잔향실에서 패널간 상대적 비교를 통해 비교적 우수한 시편을 선정하고 최종적인 성능 검증은 공인인증기관의 대형 잔향실에서 성능을 확인 하여 높은 차음 성능을 갖는 선박용 복합 패널을 개발하였다.
- 본 논문에서 수치 계산은 탄성 모델을 기반으로 하여 차음 성능 해석을 수행하였으며, 기초 이론을 정리하면 다음과 같다.
- 본 논문에서는 기본 샌드위치 패널의 해석적 방법과 간이 잔향실(Mini reverberant chamber)의 차음성능 실험을 이용하여 구성요소인 중심재의 밀도와 두께, 표면재의 두께를 변화시켜 가며 차음 성능 변화를 분석하였다. 또한, 선박용 복합패널의 성능 개선을 위해 내부 천공판 효과 및 내부 공기층 변화를 통해 성능 향상을 위한 선박용 복합패널의 두께를 선정하였다.
- 본 논문에서는 실 잔향실 대신 Fig. 1과 Fig. 2에서 나타낸 축소 잔향실에 해당하는 간이 잔향실을 사용함으로써 선박용 차음패널의 음향 특성을 분석하는데 소요되는 비용과 시간을 대폭 감소하였다. 간이 잔향실의 벽은 MDF판(두께 18.
- 또한, 선박용 복합패널의 성능 개선을 위해 내부 천공판 효과 및 내부 공기층 변화를 통해 성능 향상을 위한 선박용 복합패널의 두께를 선정하였다. 이러한 결과를 토대로 시편을 제작하여 간이 잔향실에서 패널간 상대적 비교를 통해 비교적 우수한 시편을 선정하고 최종적인 성능 검증은 공인인증기관의 대형 잔향실에서 성능을 확인 하여 높은 차음 성능을 갖는 선박용 복합 패널을 개발하였다.
- 이를 바탕으로 시편을 제작하여 간이 잔향실에서 패널간 상대적 비교를 통해 가장 우수한 시편을 선정하였고 시편의 성능 확인을 위해 공인인증기관의 대형 잔향실에서 최종 성능을 검증하였다. 이에 추가적으로 내화성, 내연성 등 고부가가치선에서 요구하는 규정에 대한 실험과 연구가 이루어진다면 실재 고부가가치선의 선실용 패널로 사용 될 수 있을 것이다.
- 표면재의 두께가 차음성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 표면재의 두께만 달리하고 동일한 크기와 다공질재를 가진 두 시편에 대해 실험과 해석을 수행하였다. 표면재의 두께는 선박용 차음 패널로 가장 많이 쓰이는 0.
- 표면재의 두께가 차음성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 표면재의 두께만 달리하고 동일한 크기와 다공질재를 가진 두 시편에 대해 실험과 해석을 수행하였다. 표면재의 두께는 선박용 차음 패널로 가장 많이 쓰이는 0.6mm와 1.2mm에 대해 비교하였다. 해석 및 간이 잔향실 실험결과는 Fig.
대상 데이터
- 선박용 차음 패널의 기본 구조는 샌드위치 패널 형태의 3단 구조물로써 얇은 평판인 표면재와 상대적으로 두꺼운 중심재인 다공질재로 구성되어 있다. 중심재인 다공질재에 대한 연구는 Biot(1956)에 의해 본격화되기 시작되었다.
- 14에서 보는 바와 같이 공인 기관인 한국기계연구원의 실 잔향실에서 차음성능 실험을 수행하였다. 차음성능 실험은 국제 규격인 ISO 140-3에 의거하여 수행되었으며 시편의 크기는 폭 4,200mm, 높이 2,400mm, 두께 65mm이다.
데이터처리
- 간이 잔향실로 측정한 결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 잔향실의 성능 검증시에 일반적으로 사용되는 단판에 대한 차음실험을 수행하였다. 0.6mm 두께의 철판을 시편으로 사용하였으며 축소 잔향실의 측정 결과를 대형 잔향실 실험 결과와 식 (10)의 질량법칙(Mass-law)에 따른 결과와 비교하였다(ASTM, 2008).
이론/모형
- 본 논문에서는 해석대상으로서 중심재가 유한한 두께를 갖는 무한 다공질판으로 가정하고, 다공질재의 거동에 대하여 프레임의 운동을 탄성체로 보는 Biot(1956) 및 Bolton et al.(1996)의 탄성 모델을 근거로 하였다.
- 선박용 차음 패널 부재의 차음 성능은 국제 규격인 ISO 140-3(Acoustics, 1995) 규정을 적용하여 측정 하였으며, 전달 손실은 다음과 같이 구한다.
성능/효과
- 즉, 차음 성능이 향상되는 결과를 확인 할 수 있다. 따라서 천공의 크기와 개공률을 조정하여 차음성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
- 15와 같으며 차음성능은 STC 52dB를 얻었다. 이는 Fig. 11에서 보는 바와 같이 상용 복합패널 중 가장 우수한 기존 이중 샌드위치 패널 대비 차음성능 STC 기준으로 1dB 증가된 값이고, 질량은 단위 패널당 2kg 감소하고 두께는 10mm 감소한 결과이다. 전체적으로 보면 315Hz 이하, 즉 저주파에서는 기존 패널에 비해 차음성능이 약간 감소되었지만 315Hz 이상 고주파에서는 최대 8dB까지 현저히 차음성능이 증가된 결과를 확인할 수 있다.
- 대형 잔향실의 결과와 전 주파수 대역에서 2dB 이하의 차이를 갖고 있으며 질량 법칙에 따른 결과와는 400Hz 이상에서 잘 부합되고 있다. 이러한 결과를 통해 본 연구를 위해서 설치된 축소 잔향실의 성능이 대형 잔향실의 결과와 매우 유사한 결과를 나타내고 있으며 저주파수를 제외한 400Hz 이상에서 매우 높은 신뢰성을 갖는다고 판단할 수 있어 해석 결과의 검증 및 패널 개발의 성능 검증 용도로 높은 활용성을 예상할 수 있다. 또한, Fig.
- 11에서 보는 바와 같이 상용 복합패널 중 가장 우수한 기존 이중 샌드위치 패널 대비 차음성능 STC 기준으로 1dB 증가된 값이고, 질량은 단위 패널당 2kg 감소하고 두께는 10mm 감소한 결과이다. 전체적으로 보면 315Hz 이하, 즉 저주파에서는 기존 패널에 비해 차음성능이 약간 감소되었지만 315Hz 이상 고주파에서는 최대 8dB까지 현저히 차음성능이 증가된 결과를 확인할 수 있다.
- 천공판의 물성치는 Table 2와 같다. 해석 결과는 Fig. 10과 같으며, 천공 지름이 작아짐에 따라서 공진주파수 대역이 저주파수 대역으로 이동하고, 공진주파수에서 흡음 성능이 높아짐을 확인할 수 있다. 즉, 차음 성능이 향상되는 결과를 확인 할 수 있다.
- 다공질재의 밀도 영향만 반영하기 위해서 다른 물성치들은 모두 동일하게 두었고 다공질재의 밀도는 가장 널리 쓰이는 고밀도 암면의 밀도인 140kg/m3과 240kg/m3로 두고 비교하였다. 해석 및 간이 잔향실 실험결과는 Fig. 6과 같으며, 2,000Hz 부근에서 샌드위치 패널의 Mass-spring-mass 시스템에 따른 공진 효과가 나타났다. 240kg/m3고밀도 암면의 경우가 140kg/m3고밀도 암면에 비해 낮은 공진 주파수를 가지며 공진주파수 이전 영역에서 차음성능이 약 2dB 정도 상승함을 확인할 수 있다.
후속연구
- 물론 잔향실 체적이 작음으로 인해 저주파수에서 차음성능 평가가 정확히 이루어지기는 어렵지만 소요비용이 적고 실험 소요시간이 짧은 장점을 활용한다면 정성적인 비교로 개발단계에서 높은 활용성을 가지고 있다. 그러나 선박용 패널 특히 복합 패널을 대상으로한 연구가 수행된 사례는 없어 본 연구를 통해 선박용 패널의 차음성능 평가 연구에 대한 활용성의 확인이 필요하다.
- 이를 바탕으로 시편을 제작하여 간이 잔향실에서 패널간 상대적 비교를 통해 가장 우수한 시편을 선정하였고 시편의 성능 확인을 위해 공인인증기관의 대형 잔향실에서 최종 성능을 검증하였다. 이에 추가적으로 내화성, 내연성 등 고부가가치선에서 요구하는 규정에 대한 실험과 연구가 이루어진다면 실재 고부가가치선의 선실용 패널로 사용 될 수 있을 것이다.
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