[논문]지그재그 구조 메타물질을 이용한 음향 소음기 설계

심기훈; 장준영; 권호진; 송경준

doi:10.7776/ask.2021.40.1.031

지그재그 구조 메타물질을 이용한 음향 소음기 설계
Design of acoustic meta-material silencer based on coiled up space 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.40 no.1, 2021년, pp.31 - 37

심기훈 (부산대학교 기계공학부) , 장준영 (부산대학교 기계공학부) , 권호진 (부산대학교 기계공학부) , 송경준 (부산대학교 기계공학부)

초록
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본 논문은 덕트 내 소음을 저감하기 위해 저주파 대역에서 작동하는 음향메타물질 소음기를 개발하는데 목적이 있다. 지그재그 도파관 구조물과 헬름홀츠 형상을 조합하여, 음파의 공간상 진행 속도를 줄이는 고 굴절 메타물질 기반 음향 소음기를 설계하였다. 파장보다 매우 작은 도파관에서 점성 및 열 감쇠 효과를 계산하기 위해 점성 및 열 매쉬를 도입하여 Finite Element Method(FEM) 해석을 진행하였다. 4-Microphone Method를 이용하여 해석 결과로부터 반사율, 투과율과 흡음률을 구했으며, 지그재그 구조 소음기의 구조물 간격을 변화시켜 차단 주파수와 투과손실을 조절할 수 있음을 확인하였다. 또한, 메타물질들을 직렬 및 병렬 배열하여 광대역으로 소음을 차단하는 메타물질 소음기를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we design an acoustic meta-material silencer that operates at low frequency to reduce noise in duct. A high refractive index meta-material silencer is demonstrated with a combination of zigzag structured thin waveguide and helmholtz resonator, which reduces the speed of sound. Finite Element Method (FEM) analysis via thermo-viscous acoustic mesh is performed in order to calculate thermo-viscous dissipation in sub-wavelength waveguide. Sound power reflection, transmission and absorption coefficients are obtained utilizing 4-Microphone Method. The results show that cut-off frequency and transmission loss can be controlled through adjusting intervals of the zigzag structures. A wide-band acoustic silencer is also suggested by connecting meta-materials in series or parallel.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. (Color available online) Schematic of meta-material based silencer (a) internal structure of meta-material based silencer attached on circular duct (b) thermo-viscous acoustic mesh.
그림 Fig. 2. (Color available online) Schematic of the 4-Microphone method experiment setup.
그림 Fig. 3. (Color available online) Schematic of internal zigzag structure of the meta-material based silencer.
그림 Fig. 4. (Color available online) Variation of (a) simulated sound power reflection coefficients; (b) simulated sound power absorption coefficients; (c) simulated sound power transmission coefficients with the intervals s = 0.15 cm, 0.35 cm and 0.55 cm. The peak frequencies are identically at f = 230 Hz, 360 Hz, 450 Hz.
그림 Fig. 5. (Color available online) Variation of simulated transmission loss with the intervals s = 0.15 cm, 0.35 cm and 0.55 cm. The peak frequencies are identically at f = 230 Hz, 360 Hz, 450 Hz.
그림 Fig. 6. (Color available online) Internal structure of serially connected meta-material silencer attached on circular duct.
그림 Fig. 7. (Color available online) (a) Simulated sound power transmission, reflection, and absorption co-efficient of serially connected silencer; peak fre-quencies are identically at f = 230 Hz, 360 Hz, 450 Hz. (b) simulated transmission loss of serially connected silencer; peak frequencies are identically at f = 230 Hz, 360 Hz, 450 Hz.
그림 Fig. 8. (Color available online) Internal structure of parallel connected meta-material silencer attached on circular duct.
그림 Fig. 9. (Color available online) (a) Simulated sound power transmission, reflection, and absorption co-efficient of parallel connected silencer; peak fre-quencies are identically at f = 230 Hz, 360 Hz, 450 Hz. (b) Simulated transmission loss of parallel connected silencer; peak frequencies are identically at f = 230 Hz, 360 Hz, 450 Hz.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 파장보다 매우 작은 지그재그 구조물을 이용하여 고 굴절 메타물질 구현을 통해 저주파 대역(200 Hz ~ 600 Hz) 대역에서 효과적으로 소음을 차단하는 메타물질 음향 소음기 구조를 디자인하였다. 지그재그 구조물의 간격이 작을수록 차단 주파수와 투과 손실이 작아지고, 간격이 클수록 차단주파수와 투과 손실이 커짐을 확인하였다.
본 연구는 음향 메타물질로 구성된 소음기의 성능을 평가하기 위해, 소음기의 음향 에너지 투과율, 반사율, 흡음률 그리고 투과손실을 계산하였다. 이를 위해 두 개의 도파관에 각각 음파분리법을 적용하는 4-Microphone method를 이용하였다.
본 연구에서는 지그재그 구조를 이용하여 저주파에서 작동하는 소음기를 개발한다. 소음기의 내부 구조는 Fig.
본 연구에서는 지그재그 형상 구조를 이용하여, 고 굴절 메타물질과 헬름홀츠 형상을 기본으로 저주파에서 작동하는 초소형 소음기를 개발하는데 목적이 있다. 구체적으로, 10 cm 지름을 갖는 덕트 내의 소음을 저감하기 위해 2 cm의 반경 방향 두께를 갖는 고 굴절 메타물질 음향 소음기를 설계하였다.

제안 방법

광대역으로 음향 에너지를 차단하기 위해서 3가지 형상을 갖는 메타물질을 Fig. 6과 같이 직렬로 배열하고, 음파분리법으로 직렬배열 메타물질 소음기의 투과율, 흡음률, 반사율과 투과손실에 대한 FEM 해석을 수행하였다. Fig.
광대역으로 음향 에너지를 차단하기 위해서 3가지 형상을 갖는 메타물질을 Fig. 8과 같이 병렬로 배열하고, 음파분리법으로 병렬 메타물질 소음기의 투과율, 흡음률, 반사율과 투과손실에 대한 FEM 해석을 수행하였다. Fig.
있다. 구체적으로, 10 cm 지름을 갖는 덕트 내의 소음을 저감하기 위해 2 cm의 반경 방향 두께를 갖는 고 굴절 메타물질 음향 소음기를 설계하였다. 또한, 지그재그 구조 내 점성 및 열의 기여를 예측하기 위해서 Thermo-viscous acoustic mesh를 사용해 Finite Element Method(FEM) 해석을 수행하고, 이로부터 음파 분리법을 이용하여 메타물질 소음기의 투과율, 반사율, 흡음률과 투과손실을 구하였다.
구체적으로, 10 cm 지름을 갖는 덕트 내의 소음을 저감하기 위해 2 cm의 반경 방향 두께를 갖는 고 굴절 메타물질 음향 소음기를 설계하였다. 또한, 지그재그 구조 내 점성 및 열의 기여를 예측하기 위해서 Thermo-viscous acoustic mesh를 사용해 Finite Element Method(FEM) 해석을 수행하고, 이로부터 음파 분리법을 이용하여 메타물질 소음기의 투과율, 반사율, 흡음률과 투과손실을 구하였다. 지그재그 내부 구조물의 간격을 조절하며 위의 과정을 반복하여 차단 주파수 및 투과손실의 변화를 관찰하였고, 3가지 형상의 메타물질들을 직렬 및 병렬 배치하여 음향 에너지 차단 효과를 비교하였다.
2 cm이다. 지그재그 구조물의 간격 를 0.15 cm, 0.35 cm, 0.55 cm로변경해가며 3가지 형상의 메타물질 소음기들을 설계하고, 투과율, 흡음률, 반사율과 투과손실에 대한 FEM 해석을 수행하였다. 그 중 반사율, 흡음률과 투과율이 Fig.
또한, 지그재그 구조 내 점성 및 열의 기여를 예측하기 위해서 Thermo-viscous acoustic mesh를 사용해 Finite Element Method(FEM) 해석을 수행하고, 이로부터 음파 분리법을 이용하여 메타물질 소음기의 투과율, 반사율, 흡음률과 투과손실을 구하였다. 지그재그 내부 구조물의 간격을 조절하며 위의 과정을 반복하여 차단 주파수 및 투과손실의 변화를 관찰하였고, 3가지 형상의 메타물질들을 직렬 및 병렬 배치하여 음향 에너지 차단 효과를 비교하였다.

대상 데이터

1(b)에 이러한 매쉬 구성이 나타나 있다. 경계층에 대한 점성 및 열에너지 감쇠 항을 계산하기 위해서 공기의 질량 밀도  = 1.2043 kg/m³, 비열 비  = 1.4, 역학 점도  = 1.814 × 10⁻⁵ kg/m·s, 프란틀 수 Pr = 0.707과 같은 공기 물성을 사용하였다.

데이터처리

파장보다 매우 작은 도파관으로 이루어진 지그재그 구조를 이용하기 때문에 도파관 내에서 발생하는 점성 및 열 감쇠 항에 대한 정확한 해석이 필요하다. 이를 이론적으로 해석하기 위해, 경계층 근처의 입자 속도 구배를 COMSOL Multiphysics에서 경계층 매쉬를 이용해 계산하였다. 점성 및 열 경계층 두께는 주파수 Hz 에 따른 값 mmHz과 지그재그 구조물 간격의 1/3 중 큰 값으로 설정하고, 6개의 층으로매쉬를 구성하여 점성 및 열 경계층을 나타내었다.

이론/모형

이를 위해 두 개의 도파관에 각각 음파분리법을 적용하는 4-Microphone method를 이용하였다.

성능/효과

7(a)와 같이, 직렬 메타물질 소음기에서 기존 3가지 형상의 메타물질에서 나타나는 공진 주파수(230 Hz, 360 Hz, 450 Hz)와 동일한 공진 주파수가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 각 공진 주파수에서 지그재그 구조물의 간격이 작을수록 흡음률이 크고(0.35, 0.33, 0.32) 반사율이 작은 (0.27, 0.55, 0.64) 경향이 동일하게 나타났다. 그러나 각각의 메타물질에서 측정했을 때보다 흡음률은 전반적으로 감소하고, 반사율은 증가했다.
흡음률은 구조물의 간격이 작을수록 도파관 내에서 점성 및 열 경계층이 차지하는 두께가 상대적으로 커지므로 점성 및 열에 의한 에너지 손실이 지배적으로 나타나 증가한다. 또한, 구조물의 간격이 작을수록 유효질량이 증가하여, 헬름홀츠 형상에서 공진주파수(230 Hz)가 낮아짐을 확인할 수 있다. 그러나 지그재그 구조물의 간격이 커질수록( = 0.
지그재그 구조물의 간격이 작을수록 차단 주파수와 투과 손실이 작아지고, 간격이 클수록 차단주파수와 투과 손실이 커짐을 확인하였다. 또한, 다른 간격을 갖는 3가지 메타구조 형상을 직렬 혹은 병렬 배열로 구성하여 광대역으로 음향 에너지를 차단할 수 있음을 확인하였다.
9 dB으로 측정되었다. 이로부터, 3가지 형상의 메타물질 소음기들이 각기 다른 공진주파수에서 음향 에너지를 차단함을 확인하였다.
2 dB) 은 큰 차이가 없다. 이로부터, 직렬로 메타물질을 배열함으로써 큰 성능 차이 없이 광대역으로 음향 에너지를 차단하는 소음기를 구현할 수 있음을 확인하였다.
15 dB)이 측정되었다. 즉, 병렬 메타물질 소음기는 광대역으로 음향 에너지를 차단할 수 있고 직렬 메타물질 소음기에 비해 적은 공간을 차지하지만, 투과 손실에 있어 약 50%의 성능 저하가 있음을 확인하였다.
지그재그 구조물의 간격이 작을수록 차단 주파수와 투과 손실이 작아지고, 간격이 클수록 차단주파수와 투과 손실이 커짐을 확인하였다. 또한, 다른 간격을 갖는 3가지 메타구조 형상을 직렬 혹은 병렬 배열로 구성하여 광대역으로 음향 에너지를 차단할 수 있음을 확인하였다.
투과손실은 소음기의 반사율 및 흡음률에 영향을 받는다. 지그재그 구조물의 간격이 작을수록 흡음률은 커지지만 반사율은 작아져 공진주파수 근처(230 Hz)에서 투과손실은 대략 4.5 dB으로 측정되었다. 그러나 지그재그 구조물의 간격이 커질수록 흡음률은 작아지지만, 반사율이 커지기 때문에 공진주파수 근처에서(450 Hz)에서 투과손실은 대략 12.
9(b)는 병렬 메타물질에 대한 투과손실을 나타내는 그래프이다. 흡음률에서 큰 차이가 나지 않는데 비해, 반사율이 크게 감소하여 기존 3가지 형상의 메타물질 소음기들에서 나타나는 투과손실(4.5 dB, 10.4 dB, 12.9 dB)과 비교했을 때 매우 작은 투과손실 (1.8 dB, 5.2 dB, 7.15 dB)이 측정되었다. 즉, 병렬 메타물질 소음기는 광대역으로 음향 에너지를 차단할 수 있고 직렬 메타물질 소음기에 비해 적은 공간을 차지하지만, 투과 손실에 있어 약 50%의 성능 저하가 있음을 확인하였다.

참고문헌 (11)

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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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