공동을 고려한 공명 형 흡음 구조가 결합된 복합 샌드위치 패널의 흡·차음 성능 연구

Abstract

미네랄 울은 뛰어난 흡음 성능 때문에 선박용 벽체 패널에 가장 널리 사용된다. 하지만 세균 증식과 부식 등의 환경적인 문제를 가지고 있어 대체 재가 요구된다. 국제 선급에서는 미네랄 울을 사용할 경우에 금속 재질로 완전히 감싸도록 규정했다. 또한 밸브, 플랜지 등에 미네랄 울을 사용할 경우에 부식 문제인 CUI가 발생한다. 미네랄 울을 벽체 패널에 적용할 경우에도 수분 흡수로 인한 부식 문제와 함께 세균 증식의 문제가 발생한다. 본 연구에서는 미네랄 울을 대체하여 친환경 성을 확보하고 더불어 불연 성과 차음 성능 Rw 45 dB를 목표로 허니컴과 MPP, 공동에 대해 패널 연구를 진행하였다. 허니컴 패널은 무게 대비 높은 강도를 가지고 있어 산업 전반에서 많이 사용되고 있다. 하지만 흡·차음 측면에서의 연구는 거의 이루어지지 않았다. 허니컴은 면 방향과 면에 수직한 방향이 다른 역학적 성질을 가지며, 이러한 특성을 직교 이방성이라고 한다. 이러한 특성을 반영하여 허니컴 중심 재를 직교 이방성 층으로 가정하여 각 방향에 따른 탄성 계수를 산출하였으며, 표면 재의 경우는 등방 성으로 가정하였다. 패널의 거동은 대칭과 비대칭 모드로 가정하였다. 패널은 면 방향으로 무한하다고 가정하였기 때문에 패널의 고유 모드와 경계의 영향을 포함하지 못한다. 앞에서 도출한 탄성 계수와 변위를 통해 표면 재와 중심 재의 운동 에너지와 위치 에너지를 산출하고 이를 라그랑주 방정식에 대입하여 허니컴 패널의 투과 계수를 도출하였다. 허니컴 중심 재는 약 2% 부피의 허니컴 셀과 98%의 공기 층으로 이루어져 있기 때문에 공기의 흡·차음 성능을 반드시 고려해야 한다. 갇힌 공간의 공기 층을 공동이라 칭하고 이를 위해 전체 에너지는 정재 파의 모드 수에 비례한다는 가정을 사용하였다. 기존의 연구들의 경우에는 보정 상수를 도입하여 해결을 시도했지만 이는 공동의 두께에 따른 차음 성능을 잘 반영하지 못한다. 반면 본 연구에서는 공동의 두께에 따른 능동적인 해석이 가능하도록 이론을 유도하였다. 또한 허니컴 셀 사이의 공동 뿐만 아니라 순수 공동에 대해서도 같은 가정을 사용하여 투과 계수를 도출하였다. 허니컴 패널의 흡·차음 성능을 높이기 위해 허니컴 패널의 한 쪽 표면 재를 MPP로 구성하고, 이를 HMPP (honeycomb micro-perforated plate panel)이라고 명명하였다. HMPP 투과 계수 산출은 허니컴 패널의 운동 방정식에 HMPP의 흡음 계수를 적용하여 HMPP의 투과 계수를 도출하였다. 또한 다층 HMPP에 대해 운동 방정식을 유도하기 위해 전달 행렬 법과 다층 HMPP의 흡음 계수를 도출하여 다층 HMPP의 투과 계수를 도출하였다. 앞에서 언급한 이론을 바탕으로한 수치 해석 결과를 축소 잔향 실과 실 잔향 실에서 수행된 실험 결과와 비교하여 신뢰도를 검증하였다. 또한 응용 프로그램 HIBE을 개발하여 코드에 익숙하지 않아도 물성 치만 알고 있다면 차음 해석을 할 수 있도록 하였다. 허니컴 셀 사이즈, 허니컴 셀 벽 두께 등 설계 변수에 따른 연구를 수행하고, 불연 성과 친환경 성, 차음 성능 Rw 45 dB을 만족하는 패널을 도출하였다.

Mineral wool has been most widely used for sound insulation panels due to its excellent absorption performance in middle and high frequency. However, alternative materials or structures have been required because of environmental problems such as bacterial growth and corrosion. The international classification society regulate that mineral wool shall be totally sealed with a metal material, and CUI (corrosion under insulation) occurs at the portion where the valve flange and the mineral wool contact. The purpose of this study is the nonflammability, environmental friendliness, and satisfying sound insulation performance with Rw 45 dB. Honeycomb has good mechanical properties and widely used in various industries because of its high strength-to-weight ratio. However, there is little research on the sound insulation of honeycomb. The honeycomb has different strengths in the plane direction and the direction perpendicular to the plane, and this characteristic is called orthotropic. Reflecting these characteristics, a honeycomb core was assumed an orthotropic layer and calculated the elastic modulus along each direction. The surface sheets were assumed an isotropic. The behavior of the panel was assumed to be symmetric and antisymmetric mode. It does not include the influence of the natural modes and the effect of boundaries of the panel since it is assumed that the direction of the plane of the panel was unbounded. The kinetic energy and the position energy of the surface sheets material and the core material were calculated through the elastic modulus and displacement derived from the above, and these were substituted into the Lagrangian equation to derive the transmission coefficient of the honeycomb panel. It consists of about 98% air cavity and 2% honeycomb cell. So, the sound insulation performance of air cavity must be considered. To study the effect of the sound insulation performance of an air cavity, the assumption was used that the total energy is proportional to the mode number of the standing wave. In the case of the conventional methods, a correction constant was introduced to solve the problem, but this did not reflect the sound insulation performance depending on the thickness of the air cavity. On the other hand, when the method of this study is used, active analysis according to the thickness of the air cavity is possible. The transmission coefficients were derived using the same assumptions for pure air cavity layer as well as between honeycomb cells. MPP was used to compensate for insufficient sound absorption performance of the honeycomb panel, and this was called a HMPP (honeycomb micro-perforated plate). The equation of motion was derived for the honeycomb panel applying the MPP, and the transfer matrix was used to construct a muli-sandwich panel. The numerical analysis results were compared with the experimental results of the scaled reverberation chamber and real reverberation chamber to verify the reliability. Also, the application program HIBE was developed so that a person who not familiar with the code can get the sound insulation results. Through this, studies were conducted according to the sound insulation parameters such as honeycomb cell size, honeycomb cell wall thickness, distance of MPP holes, and MPP hole diameter, and the final panel was made to meet the nonflammability, environmental friendliness, and sound insulation performance Rw 45 dB.