굽힘파 음향 메타물질의 밴드갭을 이용한 차음 성능 향상 연구

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확장요약문

기존 단일 평판 구조는 특정 주파수와 입사각에서 입사 음파의 평판 면내 파수와 굽힘파 파수가 일치함으로써 음향투과손실(sound transmission loss)이 크게 감소하는 한계를 지닌다. 메타물질의 확산 음장에서의 차음 성능을 연구하였다. 기존에 음향 성능 향상을 목표로 다양한 메타물질 기반 차음 구조가 제안되었으나, 주로 수직 입사나 협대역 조건에 집중되어 있어 다양한 입사각이 존재하는 확산 음장(diffuse field) 조건에서 넓은 주파수 대역에 걸쳐 나타나는 일치 현상에 의한 차음 성능 향상에 대한 연구는 부족한 실정이다. 차음 구조 설계를 위하여 유한요소해석을 통해 단위 구조의 분산 선도와 밴드갭을 계산하였으며, 원형 쉘의 외측 및 내측 반경(𝑅out, 𝑅in)과 브리지의 폭 및 두께(𝑊𝐵, 𝑇𝐵)를 설계변수로 설정하여 형상에 따른 밴드갭 특성을 분석하였다. 또한 각 구조와 동일한 질량을 갖는 균질 평판의 입사각별 일치 주파수를 산정하여 일치 현상이 나타나는 주파수 범위와 메타물질 구조의 밴드갭 간 중첩 정도를 평가하여 설계 후보를 선정하였다. 이후 입사각별 음파 투과 해석을 수행하여 확산 음장 음향투과손실을 산출하였다. 그 결과, 선정된 설계( 𝑅𝑜𝑢𝑡= 30 𝑚𝑚, 𝑅𝑖𝑛= 15𝑚𝑚, 𝑊𝐵= 10𝑚𝑚, 𝑇𝐵= 7𝑚𝑚)는 806 Hz ~ 3495 Hz에서 굽힘파 밴드갭을 형성하였으며, 동일 질량 기준 평판의 일치 효과로 인한 음향투과손실 저하를 효과적으로 억제하였다. 특히 해당 주파수 대역에서 확산 음장 음향투과손실은 기준 평판보다 평균 15 dB, 최대 29 dB 증가하였다. 이러한 결과는 질량 증가가 제한되는 모빌리티 및 건축용 경량 패널의 확산 음장 차음 성능을 향상하기 위한 굽힘파 메타물질의 설계 지침을 제공할 것으로 기대된다.