구멍 뚫린 강체 판의 투과 소음 차단을 위한 음향 메타물질 설계

Abstract

기계 구조물의 외형을 둘러싸는 패널은 내부 부품을 보호하는 기능 이외에도 강성, 열전달, 소음 차단 등의 특성을 갖추어야 하기에 단일 구조보다 다층 구조로 설계되는 경우를 쉽게 찾아볼 수 있다. 이런 다층 구조를 통해서 내부의 높은 열에너지를 외부로 배출하면서 내부 소음을 외부로 투과시키지 않는 튼튼하고 얇은 패널 개발이 필요하다. 최근 메타물질 개념을 사용하여 차음성능을 증가시킨 다공성 패널 설계에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 음향 메타물질(acoustic metamaterial)은 음향 요소(acoustic element)를 주기적으로 배열하여 음파의 전파 특성을 조절할 수 있는 물질을 일컫는다. 이렇게 주기적으로 배열되는 음향 요소를 단위체(unit cell)이라 하고, 이 단위체의 형상과 크기를 조절하여 소음 차단주파수를 조절할 수 있다. 이런 음향 메타물질로 설계된 패널을 음향 메타물질 패널이라 하고, 본 연구에서 제시할 음향 메타물질 패널은 일종의 다공성 패널로서, 구멍이 환형 공동들로 둘러싸여 있다. 그 구멍은 입력단, 확장방과 출력단으로 구성된 단위체들이 연결된 원형 덕트로 볼 수 있다. 환형 공동 안에는 적절한 강체 격벽을 삽입하여 음향 특성을 조절하고, 소음 차단 주파수 대역은 그 패널의 분산 곡선의 밴드갭에서 예측한다. 단위체를 구성하는 각 파트가 밴드갭에 미치는 영향을 살펴서 기여도가 큰 파트를 선정하고, 목표 소음 주파수 대역이 밴드갭 내에 포함되도록 해당 파트의 사이즈를 결정한다. 이렇게 설계된 음향 메타물질 패널의 소음 차단 능력을 실험과 수치적인 방법으로 입증한다.