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헤어드라이기나 청소기처럼 열교환이나 공기흐름을 위해 개방형 공간이 있는 구조는 내부 모터에서 발생한 소리가 외부로 빠져나가면서 소음을 발생시킨다.
전 교수는 "복소 임피던스 타일은 개구부나 틈새를 막지 않고도 소리는 밖으로 빠져나가지 못하게 할 수 있고, 얇은 두께로 협소한 공간의 시스템에도 적용 가능하다"며 "헤어드라이기, 청소기 등 전자제품은 물론 미래 교통수단으로 각광받는 UAM(도심항공모빌리티) 등 다양한 시스템의 소음 저감에 새로운 솔루션을 제공할 것"이라고 설명했다.
KAIST, 공기는 이동시키고 소음만 차단하는 ‘복소 임피던스 타일’ 개발 가전제품, 드론, UAM 등 소음 저감기술 적용 기대
헤어드라이기나 청소기처럼 열교환이나 공기흐름을 위해 개방형 공간이 있는 구조는 내부 모터에서 발생한 소리가 외부로 빠져나가면서 소음을 발생시킨다.
이처럼 틈새로 나오는 소리는 넓은 공간으로 잘 전달되며, 틈새를 막지 않고도 소리만 차단하는 기술은 음향학적으로 매우 도전적인 문제다.
기존 흡음 기술을 개방형 구조에 적용했을 때 소음저감 성능. KAIST
KAIST는 기계공학과 전원주 교수팀이 열 교환과 공기 흐름은 자유롭게 허용하면서도 소음은 효과적으로 차단하는 신개념 음향 메타물질 ‘복소 임피던스 타일’을 개발했다고 6일 밝혔다.
음향 임피던스는 소리가 전파되는 매질이 갖는 고유 음향 특성으로, 조절하는 것이 불가능하다.
연구팀이 개발한 복소 임피던스 타일은 소리가 경계면에 부딪혀 반사될 때 소리 크기뿐 아니라 방향도 조절할 수 있다.
이는 구조물 벽면이 소리를 흡수만 하는 기존 기술과 달리 소리의 크기와 방향을 조절함으로써 소리가 틈새로 빠져나가지 않고 구조물 내에서 줄어들도록 한다.
연구팀은 복소 임피던스 타일을 적용해 밖으로 빠져나가는 소리를 90% 이상 줄일 수 있음을 시뮬레이션으로 예측하고, 이를 실제 제작해 실험으로 검증했다.
실험 결과 복소 임피던스 타일을 사용했을 때 구조물 내벽에서 소리를 100% 흡수하는 경우보다도 밖으로 빠져나가는 소리를 더욱 크게 저감할 수 있음을 확인했다.
(a)개방형 구조의 소음 저감을 위한 복소 임피던스 타일, (b)복소 임피던스 타일 적용 전후 음압 지향성. KAIST
이를 활용하면 재료가 아닌 구조형상 특징을 이용하기 때문에 습도나 온도 변화에 따른 유지보수가 쉬울뿐더러 제작도 용이하다.
전 교수는 “복소 임피던스 타일은 개구부나 틈새를 막지 않고도 소리는 밖으로 빠져나가지 못하게 할 수 있고, 얇은 두께로 협소한 공간의 시스템에도 적용 가능하다”며 “헤어드라이기, 청소기 등 전자제품은 물론 미래 교통수단으로 각광받는 UAM(도심항공모빌리티) 등 다양한 시스템의 소음 저감에 새로운 솔루션을 제공할 것”이라고 설명했다.
이번 연구는 KAIST 기계공학과 양은진 박사과정과 김지완 학생이 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 `메카니컬 시스템 앤 시그널 프로세싱‘에 지난 3월 1일자(논문명: Complex-valued impedance tiles to reduce noise emanating through openings in mechanical systems)로 게재됐다.
