음향 메타물질을 이용한 선택적인 주파수 대역 차단 필터 설계

Abstract

본 연구에서는 새로운 구조의 1차원 다중-주파수 대역 음향 메타물질을 이용하여 입사파의 주파수에 따라 선택적인 음향 차단과 투과를 나타내는 주파수 대역 차단 필터를 발표한다. 이러한 음향 필터를 구현하기 위해 제안된 음향 메타물질은 이중 헬름홀츠 공명기로 구성된 단위체들의 주기적인 배열로 이루어져 있고, 입사하는 음파를 차단하는 주파수 대역들을 발생시킨다. 집중된 음향 소자 개념에 의해 이중 공명기를 2-자유도 진동계로 취급하고, 단위체를 등가 시스템으로 구성하여 유효 체적 탄성률을 도출하였다. 이를 통해, 도출된 유효 체적 탄성률이 음파를 차단하는 주파수 대역들에서 음의 값을 나타내는 것을 검증할 수 있었다. 그리고 이러한 주파수 대역들은 단위체의 공진 주파수들을 기점으로 발생하였다. 이러한 원리를 바탕으로, 공명기들 간의 목의 질량 비를 이용하여 음파 차단 주파수 대역들을 효율적으로 조절할 수 있었다. 특히, 목이 삽입된 공명기들을 적용한 음향 메타물질에서는 원래의 공명기 목의 기하학적 변수들은 변화시킬 필요 없이 음파 차단 주파수 대역들을 더 쉽게 조절할 수 있었다. 음향 메타물질의 음향 특성과 성능은 이론적으로 도출된 유효 체적 탄성률 그리고 FEM 시뮬레이션과 실험에 의한 투과 계수와 투과 손실을 통해 확실히 검증되었다.