부착 방향에 강건한 Cochlea-inspired Vibration Absorber 제안 및 해석

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확장요약문

ABH(acoustic black hole) 기반 waveguide absorber(WGA)는 구조물의 굽힘파 에너지를 흡수기로 유도해 소산시키는 수동형 진동 제어 기술이다. 그러나 에너지가 고체 waveguide를 따라 전달되어 부착 방향에 따른 성능 편차가 크고, 차단 주파수(cut-on frequency) 이하에서는 ABH 원리가 성립하지 않아 이를 낮추려면 waveguide 길이를 늘려야 하므로 흡수기가 대형화된다. 본 연구에서는 이러한 한계를 완화하기 위해, 와우(cochlea)가 외부 진동을 등자뼈(stapes)– 유체– 기저막(basilar membrane, BM) 경로로 받아들여 주파수별로 서로 다른 위치에 집중시키는 점에 착안하여 이 수음 메커니즘을 소산 목적으로 역이용한 흡수기를 제안하였다.

제안 모델은 cochlea, stapes, 내부 유체, BM과 이를 판에 연결하는 connector로 구성된다. 성능 확인을 위해 알루미늄 판에 기존 spiral WGA와 제안 모델을 각각 부착하여 유한요소 해석을 수행하였으며(Fig. 1), 네 변 단순지지, z 방향 1 N 조화 가진 조건에서 판의 면적 평균 mobility 변화량을 저감 지표로 사용하였다.

부착 방향을 0°에서 270°까지 변화시킨 결과, 제안 모델은 기존 WGA보다 높은 평균 저감량과 작은 방향별 편차를 보였다(Fig. 2(a)). stapes– 유체– BM 경로가 부착 방향과 무관하게 유지되기 때문이다. 또한 BM 의 주파수 선택성에 의해 가진 주파수에 따라 소산 위치가 이동하여, 소산이 말단에 집중되는 기존 ABH와 달리 단일 흡수기로 다중 주파수에 대응하였다(Fig. 2(b)). 나아가 판의 공진 주파수를 기존 WGA의 차단 주파수 이하에 둔 경우에도, BM 물성과 connector 형상 조절만으로 해당 대역에 소산 위치를 배치하여 저감이 가능하였다(Fig. 2(c)).

본 연구를 통해 제안된 와우 모사 흡수기가 부착 방향에 무관한 감쇠, 다중 주파수 대응, 그리고 크기 증가 없는 저주파 확장을 동시에 구현할 수 있음을 확인하였다. 향후 단순화된 형상을 설계해 검증할 예정이다.