음향메타물질을 적용한 송풍기 덕트 시스템의 소음 저감
Noise reduction of air blower duct system using acoustic metamaterials
초록/요약
In this study, an acoustic meta-material structure was designed to reduce the noise of the blower duct, and the validity of the designed structure was verified through experiments. Previously, noise reduction measures were established by changing the structure of the blower motor to reduce the magnitude of noise generated from the noise source or by using active/manual control techniques. However, there are many restrictions on motor structural changes, active control techniques used to reduce noise in the low frequency band are expensive, and manual control techniques using sound absorbers work in the medium/high frequency band but require a lot of space for mounting. Therefore, in this study, the concept of acoustic meta-materials is used to reduce blower duct noise while overcoming these shortcomings. The sound wave transmission characteristics of the acoustic meta-material structure are obtained by repeatedly arranging the designed units, and the dispersion curve of the unit shows the frequency characteristics of the acoustic meta-material structure well. Since the frequency band in which noise is cut off by the acoustic meta-material structure coincides with the band gap of the distributed curve, the unit can be designed so that a band gap is generated in the target frequency band. In this study, the 1/4 wavelength tube and resonance chamber were used as basic units. The basic unit designed for the standard model is partially altered in the verification model, taking into account its fitability. In order to compensate for the reduction of the noise reduction band caused by this change, an additional unit was designed and installed. The designed units were periodically optimally arranged to obtain an acoustic meta structure capable of reducing noise in the target frequency band. The noise reduction performance of the acoustic meta-structure developed in this way was determined by sound experiments on the acoustic meta-structure manufactured with 3D printing technology. The results of this study can be said to have sufficiently shown the industrial applicability of the acoustic meta-material structure, which has only shown potential.
more초록/요약
본 연구에서는 송풍기 덕트의 소음을 저감시키기 위해 음향 메타 물질 구조를 설계하고, 설계한 구조의 유효성을 실험으로 검증하였다. 기존에는 블로워 모터의 구조를 변경하여 소음원에서 발생하는 소음의 크기를 줄이거나, 능동/수동 제어 기법을 이용하여 소음 저감 대책을 수립하였다. 그러나, 모터 구조 변경에는 많은 제약이 따르고, 저주파수 대역의 소음을 줄이기 위해 사용되는 능동 제어 기법은 많은 비용을 요구하며, 흡음재를 사용하는 수동 제어 기법은 중/고주파 대역에서는 효과를 발휘하지만 저주파수 대역에서는 장착을 위한 많은 공간을 요구한다. 따라서, 본 연구에서는 이런 단점 들을 극복하면서 송풍기 덕트 소음을 저감시키기 위해 음향메타 물질 개념을 사용한다. 음향 메타물질 구조의 음파 투과 특성은 설계된 단위체를 반복 배열하여 얻게 되는데, 단위체의 분산 곡선이 해당 음향 메타물질 구조의 주파수 특성을 잘 나타낸다. 음향 메타물질 구조에 의해 소음이 차단되는 주파수 대역은 분산 곡선의 밴드갭과 일치하게 때문에, 목표 주파수 대역에 밴드갭이 생성되도록 단위체를 설계하면 된다. 본 연구에서는 1/4 파장관과 공명방을 기본 단위체로 사용하였다. 표준 모델에 대해 설계된 기본 단위체는 장착성을 고려하여 검증 모델에서는 부분적으로 변경된다. 이런 변경에 의해 발생하는 소음 저감 대역의 감소를 보상하기 위해, 단위체 추가 설계하여 장착하였다. 이렇게 설계한 단위체를 주기적으로 최적 배열하여 목표 주파수 대역에서 소음을 저감 시킬 수 있는 음향 메타구조를 획득하였다. 이렇게 개발한 음향 메타구조의 소음 저감 성능은 3 차원 프린팅 기술로 제작된 음향 메타구조에 대한 음향 실험으로 그 유효성을 파악하였다. 이 연구 결과는 그 간 가능성만 보여왔던 음향 메타물질 구조의 산업적 적용 가능성을 충분히 보여 주었다고 할 수 있다.
more목차
제1장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목표 및 연구 내용 4
제2장 음향 설계 문제 정의 5
2.1 해석영역과 설계영역 5
2.2 목표 주파수 대역 선정 8
제3장 음향 메타 물질 단위체 설계 전략 10
3.1 메타 물질 단위체 설계 전략 10
3.1.1 메타 물질 단위체의 소음 차단 주파수 대역 계산 13
3.2. 표준모델에서의 단위체 설계 14
3.3. 음향 메타구조의 소음 저감 성능 24
제 4 장 장착성을 고려한 단위체 모델 26
4.1 단위체 모델 수정 26
4.1.1 Case A-2의 구조변경 모델 Case A-3 27
4.1.2 Case B-2의 구조변경 모델 Case B-3 29
4.2 수정된 단위체를 적용한 음향 메타구조 31
4.3 소음저감성능 개선을 위한 추가 단위체 설계 34
제5장 설계한 음향 메타구조의 성능 검증 43
5.1 음향 실험을 위한 Case D-2 제작 43
5.2 소음저감 성능 평가를 위한 소음측정 실험 46
제6장 결론 48
제7장 참고문헌 49
