배기 소음 저감을 위한 음향 메타물질 소음기 개발 = Development of acoustic metamaterial- based silencer to reduce exhaust noise

국문 초록 (Abstract)

요약문

본 연구에서는 음향 메타물질 구조를 설명하고 이를 이용한 차량용 소음기 최적 설계 방법을 제시한다. 음향 메타물질을 이용하여 기존의 차량용 소음기보다 소음 저감 성능이 우수한 소음기를 개발하고자 했다. 기존의 차량용 소음기는 소음 저감 성능을 높이고자 소음기 내부에 격벽, 배플(Baffle), 입구와 출구의 불일치, 유로의 천공 등과 같은 복잡한 내부 구조를 갖고 있다. 소음 저감 성능을 높이고자 설계한 차량용 소음기의 복잡한 내부 구조는 소음기의 압력손실을 크게 발생시킨다. 이러한 압력손실은 차량의 연비에 악영향을 끼치기에 압력손실이 작은 소음기의 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 내부 구조가 비교적 간단하면서 입출구가 직관인 차량용 소음기에 최적 설계된 음향 메타물질로 구성된 차량용 소음기를 개발한다. 이때 음향 메타물질을 단위체라고 하며 단위체를 최적 설계하기 위해 단위체의 분산 곡선을 이용한다. 분산곡선은 파수와 주파수의 관계를 나타내는 곡선이다. 분산곡선에서 파수와 주파수의 관계가 성립되지 않는 주파수 대역을 밴드갭(Band Gap)이라고 한다. 소음 저감 성능 지표 중 하나인 투과손실곡선과 분산곡선을 비교해보면 밴드갭의 주파수 대역과 투과손실곡선이 높은 주파수 대역이 일치한다. 이러한 특성을 이용해 단위체를 최적 설계하고 최적 설계된 단위체를 배열하여 차량용 소음기를 구성한다. 이후 유한요소해석을 통해 차량용 소음기의 성능 확인하고 실제 모델을 제작해 음향 실험을 진행해 소음 저감 성능의 유효성을 평가한다. 그 결과 음향 메타물질의 차량용 소음기에 적용 가능성을 확인했고 목표 주파수 대역에서 소음 저감 성능이 우수하고 압력손실은 낮은 음향 메타물질 기반 차량용 소음기를 개발했다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study explains the structure of acoustic metamaterials and presents an optimal
design method for vehicle silencers using them. It was intended to develop a silencer
that has better noise reduction performance than existing vehicle silencers using acoustic
metamaterials. Existing vehicle silencers have complex internal structures such as
bulkheads, baffles, inconsistencies between entrance and exit, and perforation of flow
paths inside the silencer to improve noise reduction performance. The complex internal
structure of the vehicle silencer designed to improve noise reduction performance results
in a large pressure loss of the silencer. Since such a pressure loss adversely affects the
fuel efficiency of the vehicle, it is necessary to develop a silencer with a small pressure
loss. Therefore, in this study, we develop a vehicle silencer consisting of acoustic
metamaterials optimized for vehicle silencers with relatively simple internal structure and
intuitive entrance and exit. At this time, the acoustic metamaterial is called a unit body,
and a dispersion curve of the unit body is used to optimally design the unit body. A
variance curve is a curve representing the relationship between a wave frequency and a
frequency. A frequency band in which a relationship between a frequency and a frequency
is not established in a distributed curve is called a band gap. Comparing the transmission
loss curve and the distribution curve, which are one of the noise reduction performance
indicators, the frequency band of the band gap and the frequency band with the high
transmission loss curve coincide. Using these characteristics, the unit is optimally
designed, and the optimally designed unit is arranged to constitute a vehicle silencer.
After that, the performance of the vehicle silencer is checked through finite element
analysis, and an actual model is produced, and an acoustic experiment is conducted to
evaluate the effectiveness of the noise reduction performance. As a result, we confirmed
the applicability of acoustic metamaterials to vehicle silencers and developed acoustic
metamaterial-based silencers with excellent noise reduction performance and low- pressure loss in the target frequency band.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목표 및 연구 내용 3
• 제 2 장 차량용 소음기 설계 문제 정의 5
• 2.1 문제 정의 5
• 2.2 음향 메타물질 10
• 2.3 해결 전략 11
• 제 3장 음향 메타물질 단위체 설계 전략 14
• 3.1 음향 메타물질 단위체 설계 전략 14
• 3.2 음향 메타물질 단위체 최적설계 16
• 3.2.1 저주파수 대역 음향 메타물질 단위체 최적설계 18
• 3.2.2 중주파수 대역 음향 메타물질 단위체 최적설계 27
• 3.2.3 고주파수 대역 음향 메타물질 단위체 최적설계 35
• 제 4 장 Optimal silencer 1 평가 및 제작 42
• 4.1 설계된 단위체들로 구성된 Optimal silencer 1 평가 및 제작 42
• 4.2 설계 보완점 49
• 4.3 저주파수 대역 음향 메타물질 단위체 재설계 50
• 제 5 장 Optimal silencer 2 평가 및 제작 58
• 5.1 설계된 단위체들로 구성된 Optimal silencer 2 평가 및 제작 58
• 제 6장 결론 70
• 제 7장 참고문헌 71