진동-음향 메타물질에서 구조 밴드갭과 헬름홀츠 공진의 중첩을 통한 음향 성능 향상

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본 연구에서는 구조 진동과 음향을 동시에 제어하기 위하여 국부 공진형 메타물질(Local Resonant Metamaterial, LRM)과 헬름홀츠 공진기를 결합한 진동-음향 메타물질을 설계하고, 구조 밴드갭 내 헬름홀츠 공진주파수의 배치가 음향 제어 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 구조 진동은 헬름홀츠 공진기의 음향 성능에 영향을 줄 수 있으므로, 구조 진동의 전파가 억제되는 밴드갭 내부에 헬름홀츠 공진주파수를 배치하는 주파수 중첩 설계를 핵심 원리로 설정하였다. 이를 검증하기 위해 순수 진동 해석, 순수 음향 해석, 음향 -구조 상호작용 해석 및 유한 주기 구조 해석을 단계적으로 수행하였다.

먼저, LRM 단위 셀에 Bloch-Floquet 주기 경계조건을 적용하여 분산 특성을 분석하고 구조 진동의 전파가 억제되는 밴드갭을 확인하였다. 이후 서로 다른 공진 특성을 갖는 헬름홀츠 공진기를 조합하여 음향 제어용 슈퍼셀을 구성하고, 각 헬름홀츠 공진주파수가 구조 밴드갭 내부에 위치하도록 설계하였다. 이를 통해 구조 진동이 억제되는 주파수 영역에서 헬름홀츠 공진에 의한 음향 제어가 이루어지도록 하였다.

음향-구조 상호작용(Acoustic-Structure Interaction, ASI) 해석을 통해 두 공진 메커니즘을 하나의 구조에 결합한 결과, 구조 공진에 의한 진동 제어 특성과 헬름홀츠 공진에 의한 음향 제어 특성이 함께 나타남을 확인하였다. 또한 무한 주기 구조에서 확인된 제어 특성이 유한 배열에서도 유사하게 유지됨을 확인하였으며, 이를 통해 제안한 진동-음향 메타물질의 구조 및 음향 제어 특성이 유한 구조에서도 유효함을 검증하였다.

구조 밴드갭 내 헬름홀츠 공진주파수 배치의 효과를 규명하기 위하여, 헬름홀츠 공진주파수가 구조 밴드갭 내부에 위치하는 조건과 밴드갭 외부에 위치하는 조건의 음향 성능을 비교하였다. 두 조건은 단위 셀의 기본 형상을 동일하게 유지하면서 구조 공진기의 물성을 변화시켜 밴드갭 위치를 조절하는 방식으로 구성하였다. 해석 결과, 헬름홀츠 공진주파수가 밴드갭 외부에 위치하는 경우 구조의 전역 진동이 발생하면서 헬름홀츠 공진에 대응하는 음향 투과손실(Sound Transmission Loss, STL) 피크가 감소한 반면, 밴드갭 내부에 위치하는 경우 구조 진동의 전파가 억제되면서 해당 공진주파수에서의 STL 피크가 유지되는 것을 확인하였다. 이를 통해 헬름홀츠 공진주파수를 구조 밴드갭 내부에 배치하는 주파수 중첩 설계가 구조 진동에 의한 간섭을 억제하고 음향 성능을 확보하는 데 효과적임을 확인하였다.