Wave Skewing Metaporous Structures for Enhanced Sound Absorption

Abstract

본 연구에서는 소음 저감을 위한 스큐 메타포러스 구조를 다룬다. 메타포러스 구조는 파동 전파 특성을 조절할 수 있는 주기적인 구조인 음향 메타물질 및 메타표면과 다공성 물질이 복합된 구조이다. 다공성 물질은 음향 에너지를 소산시키는 특성을 갖고 있어 소음 저감에 널리 사용되지만, 소음 저감의 주파수 특성이 두께 방향으로 일어나는 음향 파동의 거동에 매우 의존적이다. 이러한 본질적인 한계를 극복하기 위해, 최근 들어 메타포러스 구조에 대한 여러 연구가 제안된 바 있다. 기존에 제안된 대부분의 메타포러스 구조는 흡음 성능의 향상을 성공적으로 구현했으나 메타포러스 구조에 의한 파동 전파의 방향 특성은 충분히 고려되지 않았다. 본 연구에서는 소음 저감 성능을 개선하기 위해 파동 전파의 방향 특성을 고려한 스큐 메타포러스 구조를 새롭게 제안한다.<br/> 본 연구에서 다루는 스큐 메타포러스 구조는 두 종류이다. 첫 번째는 다공성 물질 층에 파동의 전파 방향을 변화시키는 강체 구조를 삽입한 음향 메타물질 기반의 구조이다. 음향 메타물질 기반의 스큐 메타포러스 구조에서는 방향에 따른 음향 파워의 소산량을 새롭게 정의하고 정량화 한 음향 파워 소산량을 수치해석 및 실험을 통해 검증한다. 나아가 이 물리량을 이용하여 개선된 흡음 성능의 스큐 메타포러스 구조를 설계한다. 두 번째는 얇은 다공성 물질 층 뒤에 정교하게 설계한 국부 공진기를 배열한 음향 메타표면 기반의 구조이다. 제안한 음향 메타표면 기반의 메타포러스 구조는 제어 가능한 주파수 대역을 갖는 흡음 구조물을 구현한다. 높은 성능을 갖는 주파수 영역은 메타포러스 구조를 구성하는 국소 공진기의 공진 모드 연성과 반사되는 파동 전파의 방향 특성을 고려한 구조 설계를 통해 조절할 수 있다. 이론적 모델과 수치 해석을 바탕으로 관련된 물리 현상을 분석하고 나아가 이를 이용해 목표 주파수 대역에서 높은 흡음 성능을 갖는 스큐 메타포러스 구조를 설계한다.