단면 변화를 갖는 측지 공명기 기반 음향 메타물질의

덕트 내 광대역 전달 소음 저감 Broadband noise transmission reduction in a duct by acoustic metamaterials

based on side-branch resonators with cross-sectional change

이중석†·이수영* Joong Seok Lee and Soo Yeong Lee

Key Words: Acoustic metamaterial(음향 메타물질), Noise transmission reduction (전달 소음 저감), Duct(덕트), Side-

branch resonator(측지 공명기), Bandgap(밴드갭)

덕트(duct) 내부에 흐르는 유동에 대한 방해 없이 덕트 내에서 전파하는 소음을 저감하기 위해서 일반적으

로 덕트 외부에 공명기와 같은 음향 요소를 설치할 수 있다. 측지 공명기(side-branch resonator)는 작동 원

리가 명료하고 간단한 구조를 가지고 있어 적용이 용이한데, 저감하려는 소음의 주파수에 따라 측지 공명기

의 길이가 결정된다. 그런데 목적하는 주파수 대역이 낮을수록 요구되는 측지 공명기의 길이가 증가하므로

저주파수를 포함한 넓은 주파수 대역의 소음 저감에 적용하기에 공간적 제약이 따른다. 최근 음향 메타물질

(acoustic metamaterial)의 독특한 특성을 이용하여 음향 요소의 기존 적용 방법의 한계를 극복하고 소음 저

감 성능의 향상 및 주파수 대역의 확장을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 측지 공명기에

서 별도의 길이 변화 없이 길이 방향을 따라 단면의 크기를 변화시켜 1/4 파장 공진이 발생하는 주파수를 조

절한다. 더 나아가, 단면이 변하는 측지 공명기를 덕트의 외부에 다중으로 배열한 음향 메타물질을 통하여

단면 변화가 없는 경우에 비해 넓은 주파수 대역에서 덕트 내 전달 소음을 효과적으로 저감할 수 있음을 보

인다. 이러한 전달 소음 저감 성능은 음의 강성(negative stiffness)의 구현에 의해 음파의 전달이 막히는 밴

드갭(bandgap)의 밴드폭(bandwidth)을 공진기의 길이 변화 없이도 효과적으로 확장함을 의미한다. 제안한

단면 변화를 갖는 측지 공명기로 구성된 음향 메타물질은 유효 매질 이론(effective medium theory)을 이용

하여 모델링 되었고 단면의 변화에 따른 음향 메타물질의 유효 길이 및 유효 공진 주파수를 해석적, 수치적

방법으로 도출 및 비교하였다. 본 연구의 음향 메타물질은 기존의 단면이 일정한 측지 공명기 배열과 같은

공간을 차지하면서도 보다 넓은 주파수 대역의 소음을 줄일 수 있어서 실제 덕트의 광대역 전달 소음 저감

에 효율적으로 적용될 수 있다.

† 교신저자; 충남대학교 기계공학부

E-mail: jsleecnu@cnu.ac.kr

* 충남대학교 대학원 기계공학과

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한국소음진동공학회 2020년도 춘계 학술대회 초록집