진동 및 방사 소음 저감을 위한 진동 메타물질

Abstract

본 연구에서는 목표주파수 대역에서 진동 및 방사 소음을 효과적으로 저감시키는 국부공진 진동 메타물질을 제안한다. 많은 산업 현장에서 진동 및 소음 문제가 발생하면 부가 질량 부착이나 형상 변경을 통한 문제해결 방법이 많이 사용되어 왔다. 이런 시행착오에 기반한 방법은 시간과 비용 측면에서 비효율적이므로 조금 더 효율적으로 문제를 해결할 수 있는 방법이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 목표주파수에서 즉시 진동 및 방사 소음 저감 효과를 낼 수 있는 국부공진 구조를 제시하고자 한다. 메타물질은 하나의 기본구조인 단위체들이 반복적으로 배열되어 전체적인 구조를 형성한다. 특히 진동 메타물질은 단위체가 국부 공진구조를 포함하도록 설계하는 방법이 많이 사용되고 있다. 여기에서 단위체의 국부 공진구조가 목표 주파수에서 공진을 하도록 구조를 설계하면 국부 공진구조의 고유주파수 부근에서 단위체의 유효질량이 음수가 되는 주파수 영역이 존재한다. 이 주파수 영역은 분산곡선이라 불리는 주파수와 파수의 관계를 나타내는 그래프에서 파수의 실수부가 존재하지 않는 구간과 일치하며, 주파수 응답함수에서 진동 레벨이 감소하는 영역과 거의 일치하는 특징을 가지고 있다. 진동 메타물질은 주시스템에 국부 공진구조를 부착한다는 점에서 기존에 알려진 동흡진기와 원리가 흡사하다. 하지만, 모든 국부 공진구조가 동흡진기처럼 진동을 저감시키지는 않는다. 따라서 본 연구에서는 plane wave expansion method를 이용하여 구한 등가 동흡진기의 분산곡선과 CAE 해석을 통해 구한 제안된 구조의 분산곡선을 비교하여 제안하는 구조의 진동 저감 성능의 타당성을 검증하였다. 또한 유한 요소 해석 및 실험을 통해 진동 및 방사 소음 저감 성능을 검증하였다.