열·공기는 통과하고 소음만 차단하는 신개념 물질 개발

KAIST 연구진 “전자제품, 도심 항공 모빌리티 소음 줄이는 데 활용”

전원주 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 교수 연구진이 구조물의 틈새나 개구부를 통한 열, 공기의 흐름은 자유로우면서도 소음을 효과적으로 차단하는 새로운 물질을 개발했다./pixabay

국내 연구진이 다양한 산업 현장의 소음 문제를 해결하고, 항공 택시나 드론과 같은 도심 항공 모빌리티에서 발생하는 소음을 효과적으로 저감할 수 있는 기술을 개발했다.

전원주 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 교수 연구진은 구조물의 틈새나 개구부를 통한 열, 공기의 흐름은 자유로우면서도 소음을 효과적으로 차단하는 새로운 물질을 개발했다고 6일 밝혔다. 연구는 기계공학 분야의 국제 학술지 ‘메커니컬 시스템즈 앤 시그널 프로세싱(Mechanical Systems and Signal Processing) ‘에 지난 3월 게재됐다.

공기나 물같이 소리가 전파되는 ‘매질’이 가진 고유의 음향학적 특성을 ‘음향 임피던스’라고 한다. 음향 임피던스는 매질의 밀도와 음속의 곱셈으로 표현된다. 즉 매질의 종류가 정해지면 음향 임피던스를 자유롭게 조절하기 어렵다.

연구진은 이 한계를 뛰어넘는 ‘복소 임피던스 타일’을 개발했다. 복소 임피던스 타일은 음향 임피던스를 원하는 복소수 형태로 조절할 수 있는 새로운 물질이다. 복소수는 실수와 허수의 합으로 표현된 숫자를 의미한다.

이번에 개발한 타일은 소리가 경계면에 부딪혀서 반사될 때 반사되는 소리의 크기뿐만 아니라 방향까지도 조절할 수 있다. 구조물 벽면에서 소리를 흡수만 하는 기존 기술과는 달리, 소리의 크기와 방향을 적절하게 조절해 소리가 틈새로 거의 빠져나가지 않고 구조물 내에서 가둬진 채 줄어들도록 할 수 있다.

연구진은 복소 임피던스 타일을 적용하면 밖으로 빠져나가는 소리를 90% 이상 저감할 수 있다는 것을 시뮬레이션으로 예측했다. 실제 제작해 실험한 결과 소음 저감 성능을 검증할 수 있었다. 특히 구조물 내벽에서 소리를 100% 완벽하게 흡수할 때보다 복소 임피던스 타일을 사용하면 밖으로 빠져나가는 소리를 훨씬 더 큰 폭으로 저감할 수 있었다.

전원주 교수는 “복소 임피던스 타일은 개구부나 틈새를 전혀 막지 않으면서도 소리는 밖으로 빠져나가지 못하게 할 수 있다”며 “두께가 얇아 상대적으로 협소한 공간을 갖는 시스템에도 적용이 가능하다”고 설명했다. 그러면서 “습도나 온도 변화에 따른 유지 보수가 쉬울뿐더러 제작도 용이하다”며 “헤어드라이어, 청소기와 같은 전자제품부터 향후 미래 교통수단으로 각광받는 도심 항공 모빌리티까지 다양한 시스템의 소음을 줄이는 데 활용할 수 있다”고 전했다.

참고 자료

Mechanical Systems and Signal Processing(2024), DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2023.111054

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