KR101016601B1 - 음파의 공명과 팽창 현상을 이용한 환기용 소음기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소음의 전파를 차단하는 소음기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환기 통로를 공유하는 다층 건물에서 환기 통로를 통하여 소음이 전달되는 것을 차단하는 소음기에 관한 것이다.

본 발명에서는 소음기 내부에 타공된 원형관과 분리판을 설치하여 공명 효과를 얻을 수 있는 공명실과 팽창 효과를 얻을 수 있는 팽창실이 형성되도록 하였다. 따라서 본 소음기는 공명에 의한 감음 효과와 팽창에 의한 감음 효과를 동시에 얻을 수 있다. 즉 본 소음기는 공명형 소음기의 특징인 특정 주파수에 대한 뛰어난 감음 효과와 팽창형 소음기의 특징인 넓은 주파수 영역에 대한 감음 효과을 함께 갖는다.

소음기, 공명형, 팽창형, 환기구

Description

음파의 공명과 팽창 현상을 이용한 환기용 소음기{Ventilation Silencer Using Resonance and Expansion of Sound Wave}

본 발명은 소음의 전파를 차단하는 소음기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환기 통로를 공유하는 다층 건물에서 환기 통로를 통하여 소음이 전달되는 것을 차단하는 소음기에 관한 것이다.

최근 생활수준의 향상으로 쾌적하고 정숙한 생활환경에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히 소음은 이웃 간에 분쟁을 유발시키는 주요 원인이며 쾌적한 생활 환경 조성의 주요 조건이 되고 있는 추세다.

아파트, 연립주택, 주상복합 건물, 오피스텔 등의 공동 주거용 건물의 경우, 동일 구조의 세대가 다층을 이루고 있고, 화장실과 주방은 공동의 환기용 배관으로 바로 연결되어 있다. 이 환기용 배관이 소음 전달 통로가 되어 세대간 소음전달 문제를 야기한다.

실제로 아파트의 화장실에서는 이웃 층에서 발생하는 소변보는 소리, 욕조 물 받는 소리, 대화 소리 그리고 음악 소리 같은 거실의 생활 소음 등이 아주 선명하게 들리고 있다. 특히 화장실은 대부분 욕실을 겸하고 있어 고도의 사생활 보호 가 요구되는 곳이므로 이곳을 통한 층간 소음의 전달은 확실히 차단되어야 한다.

대형 사무용 빌딩에서는 중앙 집중식 냉난방을 하고, 냉난방을 위한 공기 순환 닥트가 각 층으로 연결되는데, 주로 공기 순환용 팬(Fan) 소음이 실내로 유입되는 것을 차단하기 위하여 덕트 소음기를 사용한다. 이 덕트 소음기는 공기가 흐르는 덕트의 일부에 유리 솜 등의 흡음재를 부착하여 소음이 덕트를 따라 전파되는 과정에서 흡음재에 흡수되는 구조로 되어 있다. 이러한 덕트 소음기는 크기가 크고, 인체에 나쁜 영향을 주는 흡음재가 비산되어 나올 수 있고, 또한 다공질의 흡음재에 수분이 흡수되고 여기에 곰팡이 또는 세균이 서식하여 위생적으로 문제가 되므로 주거용 건물의 환기장치에 사용하기에 부적당하다.

그리고 자동차의 머플러도 일종의 소음기인데, 아주 복잡한 구조로 되어 있고, 이 소음기를 통하여 연소 가스와 엔진 폭발 소음이 외부로 배출된다. 이러한 머플러는 소음 저감량이 아주 큰 대신, 압력 손실이 아주 크고 고가이므로, 이와 같은 형태의 소음기를 아파트 욕실 환기구에 설치할 수는 없다.

발전소 등에 사용되는 공업용 소음기는 음파가 넓은 통로(단면적 A1)를 지나가다가 갑자기 좁은 통로((단면적 A2)로 진입하게 되면 급하게 수축 및 팽창을 하는 과정에서 반사, 간섭, 팽창 등이 일어나 음의 에너지가 감소되는 원리를 이용한 소음기이다. 음 에너지의 감소 정도는 단면적이 변하는 비율인 팽창비(m = A1/A2)에 따라 결정되는데, 일반적으로 팽창비가 클수록 음 에너지는 크게 감소된다. 이러한 원리를 이용한 소음기를 일반적으로 팽창형 소음기라고 한다. 이러한 소음기의 모양은 음파가 지나가는 통로에 본래의 통로보다 단면적이 크거나 작은 연결관 을 설치하거나, 통로에 작은 구멍을 가진 분리판을 설치하여 제작한다. 그러나 욕실용 소음기는 설치 장소가 주로 아파트의 화장실 천장 또는 배기구 비트 내부이므로 팽창비가 큰 연결관을 설치할 수 없다. 그리고 통로를 좁게 할 경우 압력 손실이 커지므로 원활한 환기가 일어나지 않아 문제가 된다.

상기와 같이, 다세대 주택에서 환기용 덕트를 따라 전달되는 세대간의 소음전달이 큰 문제로 대두되고 있음에도 불구하고, 현재 적절한 대책이 없다. 그리고 다세대 주택에 사용되는 소음기는 위생상의 문제, 설치공간상의 제약, 비용상의 제약, 프라이버시 보호를 위한 완벽한 소음 차단성능 등을 요구하므로, 타 분야에서 사용되고 있는 소음기를 단순히 응용하여 사용할 수 없다.

아파트, 연립 주택, 주상복합 건물, 오피스텔 등의 공동 주거용 건물의 화장실과 주방은 공동의 환기피트로 연결되어 있다. 이 환기피트는 소음의 전달 통로가 되어 층간 소음 문제를 야기한다. 이런 층간 소음문제를 해결하기 위해 여러가지 방법이 강구되고 있다.

가장 많이 사용되는 종래의 기술은 플렉시블 덕트(Flexible Duct)를 이용하는 것이다. 플렉시블 덕트는 글라스 울을 알루미늄 포일로 감싼 형태의 덕트로 흡음형 소음기와 같은 원리로 소음을 저감시킨다. 플렉시블 덕트는 글라스 울의 특성상 중·고주파수 영역에서 뛰어난 감음 성능을 보이는 장점이 있다. 그러나 저주파수 영역에서의 감음 능력이 떨어진다. 또한 글라스 울을 사용하므로 비산 문제가 발생할 수 있어 주거용 환기구에 적용하기가 곤란하다.

최근에 환기구용의 팽창형 소음기가 제품화되어 적용되고 있다. 이는 급격한 단면의 팽창에 의해 감음 효과를 얻는 소음기로 모든 주파수 영역에서 고른 감음 효과를 볼 수 있는 장점이 있다. 그러나 어떤 기본 주파수의 정수 배에 해당하는 일련의 주파수에서 투과손실이 '0'이 되는 현상이 발생하는 단점이 있다. 또한 특정 주파수 대역의 소음이 크게 문제가 되는 경우 이에 대한 대처 방법이 없다는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점들에 대응하여 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 모든 주파수 영역에 대하여 고른 감음 특성을 가지면서도 특정 주파수 대역의 소음 저감 에 대한 성능도 탁월한 소음기를 개발하는 것이다.

상기의 문제점들을 해결하기 위해 본 발명인 소음기는 그 내부에 공명 효과를 얻을 수 있는 공명실과 팽창 효과를 얻을 수 있는 팽창실을 동시에 갖도록 설계하였다.

본 소음기는 일정 길이의 외부관의 내부에 타공관과 분리판으로 구성된 다수 개의 공명실과 팽창실을 가진다. 타공관은 소음기 몸체 내부에 조립되는 관으로, 관의 벽에 작은 구멍들이 다수개가 뚫린 파이프이다. 그리고 분리판은 소음기의 외부관의 내부에 삽입되는 것으로서, 중심부에 상기 타공관이 결합되는 구멍이 형성된 판이다. 분리판으로 구분된 소음기의 외부관 내부에 타공관을 하나건너 하나씩 배치를 하면 소음기의 내부가 공명실과 팽창실이 번갈아 가면서 형성된다.

타공관의 구멍의 크기를 각각 다르게 하면, 각 공명실은 서로 다른 공명주파수를 가지게 되고, 각각 다른 주파수의 음이 크게 감음된다. 그리고 팽창실에서는 음파의 팽창에 의하여 소음이 소실된다.

따라서 본 발명의 소음기는 공명실에서는 공명 효과가, 팽창실에서는 팽창 효과가 일어나 소음이 저감되므로 복합형 소음기의 특성을 갖게 된다.

본 소음기는 입구관을 통과한 소음이 첫 번째 공명실을 통과하면서 공명 현 상을 일으키도록 설계되었다. 이곳에서 소음이 공명현상에 의하여 일차로 저감된다. 첫 번째 공명실을 통과한 소음은 다음 공간인 팽창실로 유입되면서 급격히 팽창한다. 팽창실은 소음의 정상적인 진행파와 단면에서의 반사파의 간섭에 의해 소음이 소멸되는 공간이다. 팽창실을 통과한 소음은 다시 공명실과 팽창실을 순차적으로 통과하면서 계속 감음된다.

상기한 바와 같이 본 소음기는 그 내부에 다수개의 공명실과 팽창실을 갖고 있어 반복적인 공명과 팽창에 의한 감음 효과를 얻을 수 있다. 따라서 공명형 소음기의 특징인 특정 주파수에 대한 뛰어난 감음 효과를 얻을 수 있고 또한 팽창형 소음기의 특징인 넓은 주파수 영역에 대한 감음 효과도 얻을 수 있다.

본 발명인 환기용 소음기의 전체적인 모양은 도 1에 도시한 것과 같이, 입출구가 있는 원통 형상인데, 원통형 외부관(1)의 내부가 분리판(2)에 의하여 여러 개의 공간으로 구분되어 있고, 이 내부 공간에는 하나 건너 하나씩 타공관(3)이 결합되어 있는 형상이다.

외부관(1)은 몸체관(12)의 양단에 각각 입구관(11)과 출구관(13)이 결합된다. 이 외부관(1)은 아연도금강판 등의 금속판으로 제작할 수도 있으나, PVC, PE, PP 등의 경질 합성수지 재료를 압출 등의 방법으로 성형하여 제작하는 것이 편리하다. 그리고 입구관(11) 몸체관(12) 그리고 출구관(13)을 각각 별도로 제작하여 이들을 결합하여 제작하는 것이 편리하다. 입구관(11)의 입구 지름과 출구관(13)의 출구 지름은 몸체관(12)의 지름보다 작게 제작한다.

분리판(2)은 상기 몸체관(12)의 내부에 장착되는 판으로서, 몸체관(12)의 내벽과의 사이에 틈새가 없도록 장착될 수 있는 크기이고, 중심부에는 하기 타공관(3)이 결합되어 공기와 음파가 통과하는 통로가 되는 공기구멍(21)이 뚫려 있다. 이 분리판(2)은 소음기의 내부공간을 여러 개의 분리된 공간으로 구획한다. 하나의 소음기의 내부에는 여러 개의 분리판(2)이 사용되는 데, 각 분리판의 공기구멍(21)들의 크기를 각각 다르게 하면 각 분리판을 통과하는 음파의 팽창비가 서로 상이하게 되어 여러 주파수의 음을 저감시킬 수 있다.

타공관(3)은 일정 길이의 원통의 벽에 다수개의 작은 공명구멍(31)들이 뚫린 관이다. 이 타공관(3)은 상기 분리판(2)들의 공기구멍(21)들 또는 외부관(1)의 입구관(11)과 출구관(13)에 양단이 결합된다. 이 타공관(3)은 상기 분리판(2)으로 구획되는 소음기 내부 공간에 하나 건너 하나씩 설치된다.

상기와 같이 타공관(3)을 결합하면 타공관(3)과 외부관(1) 사이에 공명실이 형성된다. 그리고 외부관의 내부에서 타공관이 설치되지 않은 부위는 양단이 공기구멍(21)이 형성된 분리판(2)으로 구획되는 팽창실이 형성된다.

제작상의 편리를 위하여 분리판(2)과 타공관(3)을 도 2에 도시한 바와 같이, 일체로 제작할 수 있다. 이와 같은 제작방법은 분리판과 타공관의 재질이 플라스틱류와 같은 경질 합성수지일 때 특히 유용한데, 사출 등의 방법으로 일체로 성형할 수 있다. 분리판(2)과 타공관(3)을 이와 같이 제작할 경우 외부관의 양단에 결합되는 것의 형상은 (a)와 같고, 외부관의 중간에 결합되는 것의 형상은 (b)와 같게 된다.

상기와 같은 내부 구조를 갖는 소음기는 소음기 내부에서 타공관(3)이 설치된 부위가 공명실이 되는데, 공명구멍(31)이 공명기의 입구가 되고 타공관(3)의 벽 두께가 공명기의 목이 되고 외부관(1)과 타공관(3) 사이의 공간이 공명통이 되는 헬름홀쯔 공명기가 된다.

헬름홀쯔 공명기에서는 공명기의 입구로 입사한 음파가 공명통 내부에서 공명에 의하여 공명통에 충진된 공기를 크게 진동시키고, 음파가 가진 에너지는 공기의 진동에너지로 바뀌어 소실되어 결국 음파가 소멸되는 메커니즘으로 소음을 저감시킨다. 이와 같은 공명에 의한 소음의 저감특성 그래프는 도 3에 도시한 바와 같은데, 공명기의 입구 크기, 공명기의 목의 길이, 그리고 공명통의 체적에 의하여 결정되는 공명주파수 부근의 주파수의 음이 크게 저감되고, 공명주파수와 차이가 큰 주파수의 음은 거의 저감되지 않는다.

본 발명의 소음기와 같이, 소음기의 내부에 다수개의 공명실을 구비하고 각 공명실에 사용되는 타공관(3)의 지름과 두께 그리고 공명구멍(31)의 크기를 각각 다르게 하면, 각 공명실의 공명주파수가 각각 다르게 되고 그에 따라 여러가지 주파수 성분의 음이 크게 저감된다. 그리고 특히 문제가 되는 소음의 주파수와 공명주파수를 일치시켜 당해 주파수의 소음을 집중적으로 저감시킬 수도 있다.

또한 본 발명의 소음기는 소음기 내부에서 타공관이 설치되지 않은 부위는 양단이 분리판(2)으로 격리된 팽창실이 된다. 이와 같은 팽창실에서는 음파가 입구와 출구의 단면적이 급격히 변하는 부위를 통과할 때 반사와 간섭 등의 복합적인 원인에 의하여 저감된다. 상기 타공관(3)이 상기 분리판(2)으로 구획되는 소음기 내부 공간에 하나 건너 하나씩 설치되면, 소음기의 내부에는 상기 팽창실과 공명실이 교대로 연이어 형성된다.

이와 같은 팽창실에 의한 소음저감 특성은 그림 4에 도시한 바와 같이 주파수에 따라 주기적으로 나타나는데, 소음의 저감정도는 팽창 전후의 단면적의 비인 팽창비가 클수록 높고, 감음주기는 팽창실의 길이에 따라 결정된다. 주기는 팽창실의 길이가 길면 짧아지고, 팽창실의 길이가 짧으면 길어진다. 각 평창실의 길이를 서로 다르게 하려면 분리판(2)들의 설치 간격을 서로 다르게 하면 된다.

본 발명의 소음기에서, 각 팽창실의 길이를 각각 다르게 하면 감음 주기가 서로 어긋나게 되어 소음저감량이 낮은 구간이 없어지게 되고, 따라서 모든 주파수의 음에 대하여 높은 감음량을 가지는 소음기가 된다.

본 발명의 소음기는 입구로 입사한 소음이 다수개의 공명실과 팽창실을 순차적으로 통과하면서 각각 다른 주파수의 음이 공명과 팽창에 의하여 순차적으로 저감되어 출구에는 모든 주파수의 음이 일정 정도로 저감되어 출구로 유출된다.

본 발명의 소음기는 원형 단면을 갖는 소음기뿐만 아니라 사각형 등의 다양한 단면을 갖는 소음기에서도 동일한 효과를 가지는데, 도 5에 도시한 바와 같이 소음기를 모서리가 둥근 사각형 단면을 가진 사각통 형상으로 제작하면 설치장소가 좁은 건물의 천장 내부 등에 설치하기에 편리하다.

본 발명의 소음기는 도 5에 도시한 바와 같이, 공명실과 팽창실의 내벽에 흡음재(4)를 부착하여 흡음에 의한 소음 저감효과를 추가로 더 얻을 수 있고, 입구와 출구에 해충이 침투하는 것을 방지하기 위하여 그물망(미도시)을 추가로 구비할 수 있다.

아파트, 연립주택, 주상복합 건물, 오피스텔 등과 같은 공동 주거용 건물의 화장실이나 욕실에 적용되어 환기용 배관을 통해 전달되는 층간 소음 문제를 차단하는데 이용된다.

도 1은 본 발명인 소음기의 전체 구성도이다.

도 2는 분리판과 타공관이 일체로 제작된 형상이다.

도 3은 공명실에서의 주파수별 소음저감 특성 그래프이다.

도 4는 팽창실에서의 주파수별 소음저감 특성 그래프이다.

도 5는 모서리가 둥근 사각통 형상의 소음기의 구성도이다.

도 6은 소음기의 내부에 흡음재가 부착된 소음기의 구성도이다.

※ 중요 구성품 번호

1 : 외부관, 11 : 몸체관, 12 : 입구관, 13 : 출구관,

2 : 분리판, 21 : 공기구멍,

3 : 타공관, 31 : 공명구멍. 4 : 흡음재

Claims (5)

1. 몸체관(12)의 양단에 각각 입구관(11)과 출구관(13)이 결합되어, 입구와 출구가 구비되어 있는 통 형상의 외부관(1);

   상기 외부관(1)의 몸체관(12) 내부에 다수개가 설치되어 상기 외부관(1)의 내부를 길이방향으로 다수개의 공간으로 구분하는 것으로서, 중심부에는 공기와 음파가 통과하는 통로가 되는 공기구멍(21)이 뚫려 있는, 분리판(2);

   그리고, 상기 분리판(2)으로 구획되는 소음기 내부 공간에 하나 건너 하나씩 설치되는 것으로서, 서로 인접한 2개의 상기 분리판(2)들의 공기구멍(21)들 사이 또는 상기 분리판(2)의 공기구멍(21)과 입구관(11) 사이 또는 상기 분리판(2)의 공기구멍(21)과 출구관(13)에 양단이 결합되고, 벽에 다수개의 공명구멍(31)들이 뚫린 관 형상인, 타공관(3);

   으로 구성되어, 상기 외부관(1)의 내부에 상기 타공관(3)이 설치된 부위에 형성되는 공명실과 상기 타공관(3)이 설치되지 않은 부위에 형성되는 팽창실 다수개가 교대로 연이어 형성된 것을 특징으로 하는, 환기용 소음기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 각 분리판(2)들은 설치 간격과 공기구멍(21)의 크기가 각각 서로 다른 분리판들이고;

   상기 타공관(3)들은 지름과 두께 그리고 공명구멍(31)의 크기 중 어느 하나 이상이 서로 상이한 타공관들로서,

   외부관(1)의 내부에 다수 개가 형성된 공명실과 팽창실에서 소음 저감량이 낮은 주파수 구간이 없어지고, 또한 여러 가지 주파수의 음이 크게 감음되는 것을 특징으로 하는, 환기용 소음기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 분리판(2)과 타공관(3)은 경질 합성수지 재료로 일체로 성형하여 제작되는 것을 특징으로 하는, 환기용 소음기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환기용 소음기는,

   상기 외부관(1)이 원통형 단면 또는 모서리가 둥근 사각형 단면을 가지는 외부관으로서, 소음기의 외형이 원통 형상 또는 모서리가 둥근 사각통 형상인 것을 특징으로 하는, 환기용 소음기.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환기용 소음기는,

   외부관(1)의 내벽에 부착되는 흡음재(4);

   그리고 외부관의 입구와 출구에 부착되는 그물망;

   중 어느 하나 이상을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는, 환기용 소음기.

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