KR20130081896A

KR20130081896A - 고속 철도 터널에서 발생되는 미기압파 저감을 위한 기계 공진형 주기적 터널 벽체 구조

Info

Publication number: KR20130081896A
Application number: KR1020120002995A
Authority: KR
Inventors: 이정권; 김태균; 임은옥
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2013-07-18
Also published as: KR101356091B1

Abstract

본 발명은 열차가 통과되는 터널 벽체구조에 있어서, 터널(10)이 형성된 터널벽(20); 상기 터널(10)과 연통되고, 일정한 체적이 형성된 내부공간(31); 상기 내부공간(31)을 차폐시키는 차폐부재(35)를 포함하고, 상기 차폐부재(35)의 질량에서 발생하는 강성 및 상기 내부공간(31)의 체적에 담긴 공기의 탄성에 관련된 강성이 상호 작용되어 상기 열차에 의해 발생된 압력파를 저감시키는 저감유닛(30)을 포함하고, 차폐부재의 질량, 강성 및 내부공간의 체적에 의한 상호작용에 의해 상기 터널 내부에서 발생되는 초저주파수의 압력파 또는 미기압파를 효과적으로 저감시킴으로서, 승객 귀에서의 압박감 및 터널 출입구 주변에서의 충격성 환경 압력파를 저감시키는 효과가 있다.

Description

고속 철도 터널에서 발생되는 미기압파 저감을 위한 기계 공진형 주기적 터널 벽체 구조{Periodic Mechanical Resonance Structure in the Tunnel Wall to Reduce the Micro-pressure Wave in the High-speed Railway Tunnel}

본 발명은 미기압파 저감을 위한 기계 공진형 주기적 터널 벽체 구조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 터널 벽체에 미기압파를 저감시키는 저감유닛을 어레이시켜 고속 철도 차량의 진행으로 인해 발생되는 미기압파 저감을 위한 기계 공진형 주기적 터널 벽체 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 철도에 지나가는 터널은 고속으로 진행하는 열차가 터널의 내부로 진입할 때, 즉 터널의 입구 근처의 열차 전두부 앞부분에서 압력파가 생성되는바, 이러한 압력파는 파동의 앞에 정지하고 있는 공기를 압축하고 가속하여 음 속으로 터널을 따라 전파되며, 이는 터널의 출구부분에서 팽창파로서 열차를 향하여 뒤로 반사됨과 동시에 펄스형태의 압력파가 출구로부터 주위환경인 밖을 향하여 방사된다.

여기서 고속의 열차가 터널에 진입함에 따라 압력파가 형성되고, 상기 압력파가 터널내부로 전파되어 압력파형이 변형되며, 터널출구로부터 미기압파(micro pressure wave)가 방사된다.

이러한 충격파는 초음속 비행기에 의해서 생성된 소닉붐처럼 강력한 압력파를 발생시키게 되는데, 이러한 미기압파에 의한 저주파 진동이 주변 민가의 창문이나 문틀을 심하게 흔들게 됨에 따라 이에 대한 대책마련을 요하게 되며, 시속 110 km/h 이상 터널 주행 시 터널내 공기압변동에 의한 귀울림(耳鳴感, 이명감) 등의 문제점이 발생한다.

고속 열차는 UIC 기준 기존선에서 200 km/h 이상, 고속신선에서는 230 km/h 이상으로 달리는 열차를 지칭하며, 1964년에 일본에서 신칸센이 최초로 상업운전에 성공한 이후로, 여객기가 경제성을 확보하지 못하는 구간에서 활발하게 도입되고 있다. 최초로 상업운전에 성공한 신칸센을 필두로 하여 프랑스의 TGV, 독일의 ICE, 이탈리아의 ESI, 스페인의 AVE, 그리고 한국의 KTX 등이 운행 중이다. 특히 한국의 경우, 프랑스 TGV를 기반으로 하는 KTX-I를 도입하여 영업속도 300 km/h를 달성하였으며, 이후 자체 개발한 KTX-II를 경부고속선 및 호남 고속선에 투입중이다. 또한 KTX-I, KTX-II에 이어서 영업속도 370 km/h를 목표로 하는 HEMU-400X가 개발 중이며, 450-500 km/h를 목표로 개발 중인 것으로 알려져 있다. 중국의 고속철인 CRH는 현재는 봄바르디에, 가와사키, 지멘스, 알스톰으로부터 각각 차량을 도입하였으며 380 km/h의 영업 속도를 낸다고 공표되었으며, 2014년까지 소위 4종4횡을 중심으로 한 쾌속철도망을 건설 중이다.

이러한 고속철도는 곡선 및 구배를 최소화하여 건설된 평야 고속선에서 운용이 되어야 최대의 효율을 낼 수 있다. 그러나 산악지형이 많은 한국의 특성 상, 곡선 및 구배를 최소화하기 위해서는 교량과 터널을 많이 건설해야 한다. 특히 터널의 경우, 고속으로 철도차량이 진입하면 매우 큰 압력파가 발생하여, 철도차량 내부로 압력파가 쉽게 전파되고, 이로 인하여 승객들이 불쾌한 압박감을 느끼게 된다. 또한, 터널 출구로 방사되는 충격성의 미기압파로 인한 환경 압력파 문제가 발생하게 된다. 도 1은 이러한 압력파의 발생 및 터널 출구 일어나는 투과파와 반사파의 형성과 외부로의 미기압파 발생 과정을 나타낸다

현재까지 한국에서는 미기압파를 줄이기 위하여 터널 입구에 경사갱구형 후드, 슬릿후드를 설치하거나 터널 내부에 등간격 수직 통풍공 또는 쌍굴터널을 설치하여 미기압파를 저감하고 있다.

대한민국 공개특허번호 10-2001-0047229에 기재된 경사갱구형 후드는 터널 입구에 경사면을 가지는 원형 후드를 설치하여 터널 진입 시 열차 전두부에 존재하는 공기를 터널 외부로 최대한 방출시키는 것이 목적이다.

대한민국 공개특허번호 10-2002-0034323에 기재된 슬릿후드의 경우 터널 입구에 사각체 형상을 취하며, 터널의 입구에 돌출구성 되는 구조로서 터널 내의 공기가 서서히 압축되도록 하는 것이 목적이다.

대한민국 공개특허번호 10-2001-0047231에 기재된 통풍공형 후드 또한 슬릿후드와 마찬가지로 공기가 압축되는 속도를 낮추기 위하여 터널 입구에 터널 입구에 원형 후드를 설치하고 후드 상부에 통풍공을 두었다.

등간격 수직 통풍공 터널의 경우 터널 상부에 외부까지 연결된 수직 통풍공을 여러 개 배치시켜 터널 내부에서 발생된 압력파를 밖으로 배출, 미기압파를 줄이는 것이 목적이다.

대한민국 공개특허번호 10-2003-0071935에 기재된 쌍굴터널의 압력경감 덕트 시스템의 경우, 터널과 평행하게 배치된 압력경감 덕트 및 체적을 여러 개 배치하여 압력파를 이완시키는 것을 목적으로 한다.

여기서 헬름홀츠(Helmholtz) 공명기는 큰 체적의 공간, 연결관 및 연결구로 이루어지는 계인데, 이를 군 (array)의 형태로 사용하여 터널내의 미기압파를 줄이는 방법에 대해 일본에서 제안된 바 있다. 그러나 중심주파수가 약 2 Hz 정도인 초저주파수의 미기압파를 줄이려면 대단히 큰 체적이 필요하여, 미기압파를 줄이는 데에는 현실성이 없으며, 작은 체적을 이용하여 터널내의 중주파수나 고주파수 대역의 소음을 줄이는 방안으로 쓰일 수는 있으나, 이것도 특정 주파수 만에 대해 효과가 있다.

상기 방법 중 터널 입구에 후드를 설치하는 방법은 시공 비용이 많이 드는 단점이 이미 지적된 바 있으며, 수직 통풍공 터널은 방식은 통풍공이 외부로 직접 노출되기 때문에 압력파가 외부로 직접 방사되어, 해당 지역에서 새로운 환경소음 문제를 야기시키는 단점과 함께, 압력파 및 미기압파의 음향학적 특성을 전혀 고려할 수 없는 단점이 존재한다. 쌍굴터널은 터널에 평행한 압력 경감 덕트 및 체적을 여러 개 배치시켜야 하기 때문에, 터널의 길이가 긴 경우 시공 비용이 증가할 수 있다. 마지막으로 헬름홀쯔 공명기는 전술한 바와 같이 초저주파수의 압력파 및 미기압파를 저감시키기 위하여 매우 큰 체적이 필요하기 때문에 현실적이지 않으며, 헬름홀쯔 공명기를 터널에 평행하게 설치해야 하므로 시공비용이 과다한 단점이 있다.

본 발명은 터널 벽체에 미기압파를 저감시키는 저감유닛을 어레이시켜 고속 철도 차량의 진행으로 인해 발생되는 미기압파 저감을 위한 기계 공진형 주기적 터널 벽체 구조를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 일 측면은 열차가 통과되는 터널 벽체구조에 있어서, 터널(10)이 형성된 터널벽(20); 상기 터널(10)과 연통되고, 일정한 체적이 형성된 내부공간(31)을 형성되며, 상기 내부공간(31)을 차폐시키는 차폐부재(35)가 배치되고, 상기 차폐부재(35)의 질량에서 발생하는 강성 및 상기 내부공간(31)의 체적에 담긴 공기의 탄성에 관련된 강성이 상호 작용되어 상기 열차에 의해 발생된 압력파를 저감시키는 저감유닛(30)을 포함하는 터널 벽체구조를 제공한다.

상기 저감유닛(30)은 상기 터널(10)의 길이 방향으로 복수개가 배열될 수 있다.

상기 저감유닛(30)은 상기 터널벽(20)의 내주면을 따라 복수개 배치될 수 있다.

상기 저감유닛(30)은 상기 터널벽(20) 내부로 오목하게 요(凹) 형상으로 형성될 수 있다.

상기 저감유닛(30)은 상기 터널벽(20)의 내측면에서 상기 터널(10)의 중심 방향으로 돌출되어 형성될 수 있다.

상기 차폐부재(35)는 멤브레인 또는 플레이트 형태일 수 있다.

상기 차폐부재(35) 및 터널벽(20) 사이에 탄성부재(56)가 배치되고, 상기 차폐부재(35)는 상기 탄성부재(56)에 의해 지지되게 배치될 수 있다.

상기 터널벽(20) 내부로 연장된 배후공간(81)이 형성되고, 상기 배후공간(81)은 상기 개구면이 형성되고 상기 터널(10) 측을 향해 연장된 연통부(81a)와, 상기 연통부(81a)와 연결되고 상기 터널벽(20) 내측으로 연장되어 형성된 연장부(81b)를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 열차가 통과되는 터널 벽체구조에 있어서, 터널(10)이 형성된 터널벽(20); 상기 터널(10)과 연통되고, 일정한 체적이 형성된 내부공간(61); 상기 내부공간(61)을 차폐시키는 차폐부재(65)를 포함하고, 상기 차폐부재(65)를 진동시켜 상기 터널(10) 내부의 압력파에 반대되는 위상을 형성시킴으로서 상기 압력파를 저감시키는 저감유닛(60)을 포함하는 터널 벽체구조를 제공한다.

상기 저감유닛(60)은 상기 내부공간(61)에 배치되어 상기 차폐부재(65)를 능동적으로 이동시키는 액추에이터(66); 상기 터널(10) 내부의 압력파를 감지하는 센서(67); 상기 센서(67)의 신호에 따라 상기 압력파의 위상과 반대되는 위상을 형성시키도록 상기 액추에이터(66)를 작동시키는 제어부(68)를 포함할 수 있다.

상기 저감유닛은 상기 터널(10)의 길이 방향으로 복수개가 배열될 수 있다.

상기 저감유닛은 상기 터널벽(20)의 내주면을 따라 복수개 배치될 수 있다.

상기 저감유닛은 상기 터널벽(20) 내부로 오목하게 요(凹) 형상으로 형성될 수 있다.

상기 저감유닛은 상기 터널벽(20)의 내측면에서 상기 터널(10)의 중심 방향으로 돌출되어 형성될 수 있다.

상기 차폐부재는 멤브레인 또는 플레이트 형태일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면은 열차가 통과되는 터널 벽체구조에 있어서, 터널(10)이 형성된 터널벽(20); 상기 터널(10)과 연통되고, 일정한 체적이 형성된 내부공간(31); 상기 내부공간(31)을 차폐시키는 차폐부재(35)를 포함하고, 상기 차폐부재(35)의 질량에서 발생하는 강성 및 상기 내부공간(31)의 체적에 담긴 공기의 탄성에 관련된 강성이 상호 작용되어 상기 열차에 의해 발생된 압력파를 저감시키는 저감유닛(30)을 포함하며, 상기 저감유닛은 상기 터널벽(20) 내부로 오목하게 요(凹) 형상으로 형성되고, 상기 터널벽(20)의 길이방향으로 복수개의 군으로 배치된 터널 벽체구조를 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면은 열차가 통과되는 터널 벽체구조에 있어서, 터널(10)이 형성된 터널벽(20); 상기 열차에 의해 발생된 압력파를 저감시키기 위하여, 상기 터널(10)과 연통되고, 일정한 체적이 형성된 내부공간(61); 상기 내부공간(61)을 차폐시키는 차폐부재(65); 상기 내부공간(61)에 배치되어 상기 차폐부재(65)를 능동적으로 이동시키는 액추에이터(66); 상기 터널(10) 내부의 압력파를 감지하는 센서(67); 상기 센서(67)의 신호에 따라 상기 압력파의 위상과 반대되는 위상을 형성시키도록 상기 액추에이터(66)를 작동시키는 제어부(68)를 포함하는 저감유닛(60)을 포함하는 터널 벽체구조를 제공한다.

상기 저감유닛은 상기 터널(10)의 길이 방향 또는 상기 터널벽(20)의 내주면을 따라 복수개가 군을 이루도록 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 미기압파 저감을 위한 주기적 터널 벽체 구조는 차폐부재의 질량, 강성 및 내부공간의 체적에 의한 상호작용에 의해 상기 터널 내부에서 발생되는 초저주파수의 압력파 또는 미기압파를 효과적으로 저감시키는 저감유닛이 배치되고, 이를 통해 승객 귀에서의 압박감 및 터널 출입구 주변에서의 충격성 환경 압력파를 저감시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 미기압파 저감을 위한 주기적 터널 벽체 구조는 압력파의 반대되는 위상을 발생시키도록 차폐부재를 능동적으로 진동시키는 저감유닛이 배치되고, 이를 통해 터널 내부의 압력파 또는 미기압파를 효과적으로 상쇄 또는 저감시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 미기압파 저감을 위한 주기적 터널 벽체 구조는 기존의 미기압파 저감 구조에 비해 설치 및 유지/보수가 간단하여 비용 절감효과가 우수한 효과가 있다.

도 1은 일반적인 열차의 주행에 따른 미기압파의 발생이 도시된 개략 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널이 도시된 사시도
도 3은 도 2의 제 1 저감유닛이 도시된 단면도
도 4는 도 2의 제 2 저감유닛이 도시된 단면도
도 5는 도 2의 제 3 저감유닛이 도시된 단면도
도 6은 도 2의 제 4 저감유닛이 도시된 단면도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터널이 도시된 사시도
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터널이 도시된 사시도
도 9는 도 8의 제 5 저감유닛이 도시된 단면도
도 10은 도 2, 7, 8이 터널 벽체구조의 예시도
도 11은 도 10 (a)에 따른 터널 출구 3미터 지점에서 측정된 방사 음압레벨 그래프
도 12는 도 10 (b)에 따른 터널 출구 3미터 지점에서 측정된 방사 음압레벨 그래프
도 13은 도 10 (c)에 따른 터널 출구 3미터 지점에서 측정된 방사 음압레벨 그래프

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널이 도시된 사시도이고, 도 3은 도 2의 제 1 저감유닛이 도시된 단면도이고, 도 4는 도 2의 제 2 저감유닛이 도시된 단면도이고, 도 5는 도 2의 제 3 저감유닛이 도시된 단면도이고, 도 6은 도 2의 제 4 저감유닛이 도시된 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 터널벽체구조는 고속열차가 지나갈 수 있도록 내부에 터널(10)이 형성된 터널벽(20)과, 상기 터널(10)과 연통되고 상기 터널벽(20)을 따라 요철 형태로 형성되어 열차의 주행 중 터널(10) 내부에서 발생되는 압력파를 저감시키는 저감유닛(30)을 포함한다.

본 실시예에서 상기 저감유닛(30)은 상기 터널(10)과 연통되도록 개구면이 형성되고, 상기 터널벽(20) 내부로 오목하게 요(凹) 형상으로 내부공간(31)이 형성되며, 상기 개구면을 차폐시키도록 차폐부재(35)가 배치된다.

여기서 상기 차폐부재(35)는 상기 터널벽(20)의 내측면과 연속되도록 배치된다.

상기 저감유닛(30)은 상기 터널(10)의 길이방향으로 다수개 설치될 수 있고, 상기 터널벽(20)의 반경방향으로도 다수개 설치될 수 있다.

상기 저감유닛(30)은 개구면이 상기 터널(10)의 중심을 향하도록 형성되고, 내측면(32)이 상기 터널벽(20)의 내측면과 평행하게 형성된다.

또한, 상기 저감유닛(30)은 상기 터널벽(20)의 길이방향을 따라 다수개가 배열(array)을 이루도록 배치시킬 수 있다. 본 실시예에서 상기 저감유닛(30)은 제 1 저감유닛이다.

상기 차폐부재(35)는 상기 개구면을 차폐시켜 상기 내부공간(31)을 터널(10)과 분리시키고, 두꺼운 막 형태의 멤브레인(membrane) 구조이고, 도 4에 도시된 제 2 저감유닛(40)은 차폐부재(45)가 플레이트형 구조로 형성된다.

여기서 도 3, 4와 같은 저감유닛(30)(40)은 상기 내부공간(31)이 일정한 체적(V)을 형성하고, 상기 차폐부재(35)에 의해 질량 및 탄성이 제공되며, 상기 내부공간(31)의 체적에 의해 강성이 제공된다. 그래서 상기 차폐부재(35)의 가장자리에서의 접촉이나 재료 자체 내부의 소산에 의해 작은 감쇠 특성이 제공되고, 이를 통해 질량-댐퍼-강성으로 이루어지는 1자유도 기계적 진동계가 형성된다.

직육면체의 형태를 지니는 판형 저감유닛의 경우에 대해, 기계 진동계의 변수를 산출하는 방법의 예를 들면 다음과 같다.

상기 차폐부재(35)아 같이 막이나 판의 경우 두께가 t라면, 질량은

로 정해지는데, 여기서 ρ는 막이나 판재질의 밀도, S는 막이나 판의 면적을 의미한다.

내부 체적에 의해 주어지는 공기의 강성은

로 주어지는데, 여기서 c는 공기 중의 음속(speed of sound)을 의미한다.

판에 의해서 주어지는 강성은 대략

로 주어지는데, 여기서 E는 Young's modulus, 는 Poisson ratio를 의미한다.

공진 주파수는

로 주어지며,

을 초저주파수 미기압파가 지니는 중심 주파수에 맞추면, 접촉하는 충격적 미기압파에 대해 가장 크게 반응을 보여, 충격적 압력파를 상쇄하는 특성을 보인다.

도 5에 도시된 제 3 저감유닛(50)은 상기 제 1 저감유닛(30)과 유사하되 차폐부재(55)에 탄성부재(56)가 설치된다.

그래서 상기 제 3 저감유닛(50)은 상기 터널(10)과 연통되도록 개구면이 형성되고, 상기 터널벽(20) 내부로 오목하게 요(凹) 형상으로 내부공간(51)이 형성되며, 상기 개구면을 차폐시키도록 차폐부재(55)가 배치되고, 상기 내부공간(51)의 내측면(52)과 상기 차폐부재(55) 사이에 탄성부재(56)가 배치된다.

상기 제 3 저감유닛(50)은 강성의 크기를 수동적으로 조절할 수 있는 것으로서, 수동적으로 강성을 조절하는 시스템은 상기 막 또는 판형 구조와 강성

을 가지는 스프링을 이용하여 얻을 수 있다. 도 3, 4의 구조에서 필요한 체적의 크기가 큰 경우, 체적의 크기를 적절히 조절하기 위하여 필요한 스프링의 강성을 계산하여 사용하면 된다.

도 6에 도시된 제 4 저감유닛(60)은 상기 터널(10)과 연통되도록 개구면이 형성되고, 상기 터널벽(20) 내부로 오목하게 요(凹) 형상으로 내부공간(61)이 형성되며, 상기 개구면을 차폐시키는 차폐부재(65)와, 상기 내부공간(61)에 배치되어 상기 차폐부재(65)를 능동적으로 이동시키는 액추에이터(66)와, 상기 터널(10) 내부의 압력파를 감지하는 센서(67)와, 상기 센서(67)의 신호에 따라 상기 액추에이터(66)를 작동시키는 제어부(68)를 포함한다.

상기 센서(67)는 상기 터널(10) 내부의 미기압파 또는 압력파의 파형을 감지하고, 상기 제어부(68)는 상기 차폐부재(65)가 상기 미기압파 또는 압력파의 위상(phase)과 반대의 위상을 가지도록 상기 액추에이터(66)를 제어한다.

상기 센서(67)-액추에이터(66) 계는 상기 미기압파 또는 압력파에 따라 상기 차폐부재(65)를 능동적으로 제어하는 능동형 스너버(snubber)이다.

여기서 상기 1, 2, 3, 4 저감유닛(30)(40)(50)(60)은 어느 하나가 상기 터널(10)의 길이방향 또는 내주방향으로 군을 이루도록 배열되어도 무방하고, 서로 다른 종류가 복합되어 설치되어 다양한 주파수의 미기압파 또는 압력파를 저감시키도록 구성하여도 무방하다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이 저감유닛(70)은 터널(10)의 중심 측으로 돌출되어 배치되어도 무방하다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터널이 도시된 사시도이다.

여기서 상기 저감유닛(70)은 상기 터널벽(20)에서 터널(10)의 중심 측으로 돌출되어 형성됨으로서 내측에 내부공간을 형성시키는 저감프레임(72)과, 상기 내부공간을 차폐시키는 차폐부재(75)를 포함한다.

상기 저감유닛(70)의 구조는 상기 제 1, 2 저감유닛(30)(40)의 작동 메커니즘과 동일하기 때문에 상세한 설명을 생략한다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터널이 도시된 사시도이고, 도 9는 도 8의 제 5 저감유닛이 도시된 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 터널벽체구조는 도 2의 구조와 유사한 저감유닛(80)이 배치되되, 내부공간이 터널벽(20) 내부로 연장된 배후공간(81)을 형성하도록 구성된다.

상기 배후공간(81)은 개구면이 형성되고 상기 터널(10) 측을 향해 연장된 연통부(81a)와, 상기 연통부(81a)와 연결되고 상기 터널벽(20) 내측으로 연장되어 형성된 연장부(81b)를 포함한다.

상기 연통부(81a)는 차폐부재(85)에 의해 차폐된다.

상기 연장부(81b)는 본 실시예에서 상기 터널(10)의 길이방향으로 연장되어 형성되고, 상기 배후공간(81)을 통해 상기 일 실시예보다 더 큰 체적을 보다 효과적으로 형성시킬 수 있다.

더불어 상기 연장부(81b)는 본 실시예와 달리 상기 터널벽(20)의 내주 방향 또는 반경방향으로 연장되어 형성되어도 무방하다.

이하 나머지 구성은 상기 일 실시예와 동일하기 때문에 상세한 설명을 생략한다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 효과를 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

좁은 터널로 고속 진입한 열차로 인하여 미기압파 형태의 충격성 압력파가 발생되어 차량의 전방 및 차량과 터널벽(20) 사이의 공간으로 전파되고, 또 전파된 압력파는 다시 터널의 입구 및 출구에서 반사되어 내부로 재진입하여 압력파의 지속적인 간섭에 따른 압력파장이 생긴다.

도 2 내지 5와 같이, 수동 방식에 의한 저감 기제는 다음과 같이 설명이 가능하다.

본 발명의 저감유닛(30)(40)(50)을 이루는 체적 공간이 압력파에 영향을 줄 정도의 장력을 지닌 막이나 고무판과 같이 탄성이 있으며, 어느 정도 질량이 있는 판재로 완전히 밀봉된 저감유닛(30)(40)(50) 군을 형성하는 경우, 발생된 압력파가 터널의 길이 방향으로 전파함에 따라, 계속 두꺼운 막이나 판의 질량 및 막이나 판에서 발생하는 강성(막의 경우는 인장력, 탄성판의 경우는 탄성계수에 따른 탄성 복원력과 관련 있는 복원력에 따른 강성)과 밀봉되어 있는 내부공간(31)(41)(51)의 체적에 담긴 공기의 탄성 또는 임의로 설치된 탄성부재의 복원력에 관련된 강성이 상호 작용하여, 하나의 충격 흡수형 공진계를 이루게 된다.

이러한 수동형 스너버 저감유닛(30)(40)(50)이 군으로 배치되어 있을 때, 기계적인 공진에 의한 충격 흡수 감쇠과정을 계속 겪게 되어 압력파의 크기가 저감되게 된다. 상기와 같은 구조는 기존의 압력파 저감 구조보다 차지하는 부피가 작고 외부로 방사되는 소음이 적은 효과가 있다.

도 6과 같은 능동 방식에 의한 저감 기제는 상기 수동 방식에 대한 설명과 아울러 다음과 같은 설명이 가능하다.

열차가 터널에 진입하기 직전의 시점부터, 열차의 속도 및 위치를 감지하는 센서(미도시)와 미기압파의 크기를 감지하는 센서(67)가 터널 입구에서 가까운 곳부터 터널 출구의 약간 바깥 쪽 위치까지 일정 간격으로 다수 배치되고, 이로부터 열차의 속도, 위치 압력파 크기 등을 감지하며, 상기 터널벽(20)에 일정간격으로 배치된 저감유닛(60)의 액추에이터(66)를 작동시켜 상기 압력파를 상쇄시키도록 차폐부재(65)를 상기 압력파의 반대 위상으로 진동시킨다.

또한, 공기의 온도에 따라 각 저감유닛(60)의 위치에 대해 미리 알려져 있는 feed-forward형 제어회로에 의해 스너버형 공진기 액추에이터(66)를 작동시켜, 능동형 저감유닛(60)에 도달한 미기압파의 위상과 반대 위상을 가지도록 차폐부재(65)의 진동을 능동적으로 조절할 수 있는 시스템의 경우, 열차 속도나 터널 내부의 특성을 고려하고, 시간에 따른 파동 특성에 대해 능동적인 대처가 가능하여 효과적으로 압력파동 크기를 줄일 수 있다.

도 10은 도 2, 7, 8이 터널 벽체구조의 예시도이고, 도 11은 도 10 a에 따른 터널 출구 3미터 지점에서 측정된 방사 음압레벨 그래프이고, 도 12는 도 10 b에 따른 터널 출구 3미터 지점에서 측정된 방사 음압레벨 그래프이고, 도 13은 도 10 c에 따른 터널 출구 3미터 지점에서 측정된 방사 음압레벨 그래프이다.

도시된 바와 같이 터널벽(20)과 일체의 형태를 가지는 저감유닛 군이 장착되어 있고, 저감유닛의 개방된 부분이 강성을 가지는 얇은 막 또는 고무 등의 차폐부재에 의해 밀봉되어 있을 때의 압력파 저감 효과가 도시되었다.

실제 저감유닛 군 구조는 터널의 반경 방향으로도 설치될 수 있으며, 길이 방향으로도 1줄 이상 설치 될 수 있으나, 본 수치해석에서는 저감유닛 군이 장착되었을 때의 압력파 저감 효과를 보고자 간략화된 기하배치를 이용하였다.

도 10에 도시된 판형 구조의 공명 주파수는 각각 2 Hz, 172 Hz 이다. 도 10 (a)의 경우, 공진 주파수와 저감유닛 길이에 의한 차단 주파수가 다르고, 도 10 (b)의 경우, 공진 주파수와 저감유닛 길이에 의한 차단 주파수가 일치하며, 도 10 (c)의 경우, 도 10 (a)의 구조와 비슷하나, 여유 체적을 더 확보하고자 터널벽(20) 내부로 배후공간(81)이 형성되었다.

상기 차단 주파수 2Hz에 의해 λ= c/(4f) = 343/(4*2) ≒ 43m 가 계산될 수 있고, c는 음속에 해당하는 소문자이고, f는 주파수이다.

상기 차단 주파수 172Hz는 판형구조물의 강성(두께 0.5cm) 및 공기의 강성에 의해 계산된 값이고, 길이 1m에 해당하는 주파수이다.

상기 차폐부재(35)의 재질은 두께 0.5cm의 철이라고 가정하였다. 같은 두께 및 재질로 도 10 (a)의 구조를 이용하여 낮은 차단 주파수를 얻기 위해서는 매우 큰 여유 체적이 필요하므로, 이를 보완하기 위하여 도 10 (c)과 같이 터널벽(20) 내부로 배후공간(81)을 형성시켜 여유 체적을 확보한다.

이렇게 서로 다른 저감유닛 구조의 차이는 각 터널 내부 구조의 외부 방사 소음에 차이를 만들게 된다.

도 11은 도 10 (a)와 같은 저감유닛 군을 설치한 터널 외부 방사 소음을 나타내고, 10 Hz 이하에서는 저감유닛 길이에 의한 차단 주파수가 나타나지 않으므로 판형 구조의 공진 주파수의 영향만 나타나며, 2 Hz에서 음압이 낮아진 것을 볼 수 있다.

도 12는 도 10 (b)와 같은 저감유닛 군을 설치한 터널 외부 방사 소음을 나타내고, 이 경우 저감유닛 군의 차단 주파수와 판형 구조의 공진 주파수가 일치하여 외부 방사 소음이 크게 감소한 것을 볼 수 있다.

도 13은 도 10 (c)와 같은 저감유닛 군을 설치한 터널 외부 방사 소음을 나타내고, 이 경우에도 차단 주파수로 설정된 주파수에서 외부 방사 음압이 크게 감소한 것을 관찰할 수 있다.

상기 도 11 내지 13의 검정색 실선은 일반 터널의 음압레벨을 나타내고, 붉은색 실선은 도 10 (a) 내지 (c) 구조에 의한 터널벽체구조의 음압레벨을 나타낸다.

상기와 같이 본 발명을 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 발명은 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 한정되지 않고, 본 발명의 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 다양한 조합을 통해 당업자에 의해 응용이 가능하다.

10 : 터널 20 : 터널벽
30 : 제 1 저감유닛 31 : 내부공간
32 : 내측면 35 : 차폐부재
40 : 제 2 저감유닛 50 : 제 3 저감유닛
55 : 차폐부재 56 : 탄성부재
60 : 제 4 저감유닛 70 : 저감유닛
80 : 저감유닛 81 : 배후공간

Claims

열차가 통과되는 터널 벽체구조에 있어서,
터널(10)이 형성된 터널벽(20);
상기 터널(10)과 연통되고, 일정한 체적이 형성된 내부공간(31)을 형성되며, 상기 내부공간(31)을 차폐시키는 차폐부재(35)가 배치되고, 상기 차폐부재(35)의 질량에서 발생하는 강성 및 상기 내부공간(31)의 체적에 담긴 공기의 탄성에 관련된 강성이 상호 작용되어 상기 열차에 의해 발생된 압력파를 저감시키는 저감유닛(30)을 포함하는 터널 벽체구조.
청구항 1에 있어서,
상기 저감유닛(30)은 상기 터널(10)의 길이 방향으로 복수개가 배열된 터널 벽체구조.
청구항 1에 있어서,
상기 저감유닛(30)은 상기 터널벽(20)의 내주면을 따라 복수개 배치된 터널 벽체구조.
청구항 1에 있어서,
상기 저감유닛(30)은 상기 터널벽(20) 내부로 오목하게 요(凹) 형상으로 형성된 터널 벽체구조.
청구항 1에 있어서,
상기 저감유닛(30)은 상기 터널벽(20)의 내측면에서 상기 터널(10)의 중심 방향으로 돌출되어 형성된 터널 벽체구조.
청구항 1에 있어서,
상기 차폐부재(35)는 멤브레인 또는 플레이트 형태인 터널 벽체구조.
청구항 1에 있어서,
상기 차폐부재(35) 및 터널벽(20) 사이에 탄성부재(56)가 배치되고, 상기 차폐부재(35)는 상기 탄성부재(56)에 의해 지지되게 배치된 터널 벽체구조.
청구항 1에 있어서,
상기 터널벽(20) 내부로 연장된 배후공간(81)이 형성되고,
상기 배후공간(81)은 상기 개구면이 형성되고 상기 터널(10) 측을 향해 연장된 연통부(81a)와, 상기 연통부(81a)와 연결되고 상기 터널벽(20) 내측으로 연장되어 형성된 연장부(81b)를 포함하는 터널 벽체구조.
열차가 통과되는 터널 벽체구조에 있어서,
터널(10)이 형성된 터널벽(20);
상기 터널(10)과 연통되고, 일정한 체적이 형성된 내부공간(61); 상기 내부공간(61)을 차폐시키는 차폐부재(65)를 포함하고, 상기 차폐부재(65)를 진동시켜 상기 터널(10) 내부의 압력파에 반대되는 위상을 형성시킴으로서 상기 압력파를 저감시키는 저감유닛(60)을 포함하는 터널 벽체구조.
청구항 9에 있어서,
상기 저감유닛(60)은
상기 내부공간(61)에 배치되어 상기 차폐부재(65)를 능동적으로 이동시키는 액추에이터(66);
상기 터널(10) 내부의 압력파를 감지하는 센서(67);
상기 센서(67)의 신호에 따라 상기 압력파의 위상과 반대되는 위상을 형성시키도록 상기 액추에이터(66)를 작동시키는 제어부(68)를 포함하는 터널 벽체구조.
청구항 9에 있어서,
상기 저감유닛은 상기 터널(10)의 길이 방향으로 복수개가 배열된 터널 벽체구조.
청구항 9에 있어서,
상기 저감유닛은 상기 터널벽(20)의 내주면을 따라 복수개 배치된 터널 벽체구조.
청구항 9에 있어서,
상기 저감유닛은 상기 터널벽(20) 내부로 오목하게 요(凹) 형상으로 형성된 터널 벽체구조.
청구항 9에 있어서,
상기 저감유닛은 상기 터널벽(20)의 내측면에서 상기 터널(10)의 중심 방향으로 돌출되어 형성된 터널 벽체구조.
청구항 9에 있어서,
상기 차폐부재는 멤브레인 또는 플레이트 형태인 터널 벽체구조.
열차가 통과되는 터널 벽체구조에 있어서,
터널(10)이 형성된 터널벽(20);
상기 터널(10)과 연통되고, 일정한 체적이 형성된 내부공간(31); 상기 내부공간(31)을 차폐시키는 차폐부재(35)를 포함하고, 상기 차폐부재(35)의 질량에서 발생하는 강성 및 상기 내부공간(31)의 체적에 담긴 공기의 탄성에 관련된 강성이 상호 작용되어 상기 열차에 의해 발생된 압력파를 저감시키는 저감유닛(30)을 포함하며,
상기 저감유닛은 상기 터널벽(20) 내부로 오목하게 요(凹) 형상으로 형성되고, 상기 터널벽(20)의 길이방향으로 복수개의 군으로 배치된 터널 벽체구조.
청구항 16에 있어서,
상기 차폐부재(35) 및 터널벽(20) 사이에 탄성부재(56)가 배치되고, 상기 차폐부재(35)는 상기 탄성부재(56)에 의해 지지되게 배치된 터널 벽체구조.
청구항 16에 있어서,
상기 터널벽(20) 내부로 연장된 배후공간(81)이 형성되고,
상기 배후공간(81)은 상기 개구면이 형성되고 상기 터널(10) 측을 향해 연장된 연통부(81a)와, 상기 연통부(81a)와 연결되고 상기 터널벽(20) 내측으로 연장되어 형성된 연장부(81b)를 포함하는 터널 벽체구조.
열차가 통과되는 터널 벽체구조에 있어서,
터널(10)이 형성된 터널벽(20);
상기 열차에 의해 발생된 압력파를 저감시키기 위하여,
상기 터널(10)과 연통되고, 일정한 체적이 형성된 내부공간(61); 상기 내부공간(61)을 차폐시키는 차폐부재(65); 상기 내부공간(61)에 배치되어 상기 차폐부재(65)를 능동적으로 이동시키는 액추에이터(66); 상기 터널(10) 내부의 압력파를 감지하는 센서(67); 상기 센서(67)의 신호에 따라 상기 압력파의 위상과 반대되는 위상을 형성시키도록 상기 액추에이터(66)를 작동시키는 제어부(68)를 포함하는 저감유닛(60)을 포함하는 터널 벽체구조.
청구항 19에 있어서,
상기 저감유닛은 상기 터널(10)의 길이 방향 또는 상기 터널벽(20)의 내주면을 따라 복수개가 군을 이루도록 배치된 터널 벽체구조.