기존의 헬름홀츠 공명기는 저주파수 대역에서 높은 흡음계수를 가지고 있기 때문에 기계 설비류의 소음 저감에 널리 사용되고 있다. 그러나 단순한 구조로 인해 흡음특성이 저주파수에 한정적이며, 협대역이라는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 중저주파수 대역에서 광대역 흡음성능 및 높은 흡음계수를 가지는 다공 패널형 공명기의 흡음특성에 대하여 다루고자 한다. 다공 패널형 공명기는 기존의 단순 공명기의 목 대신에 크기가 작은 구멍이 다수 뚫려 있는 다공 패널이 결합된 구조로써 다양한 음향제어 요소를 가지고 있어 효과적인 흡음설계가 가능하다는 장점이 있다.
다공 패널형 공명기의 흡음특성을 이해하기 위해 단순 공명기와 다공 패널에 대한 이론적 검토가 선행되었으며, 다공 패널형 공명기의 흡음계수를 예측하기 위해 전기음향등가회로법 및 전달행렬법을 이용하여 계산하였다. 그리고 다공 패널형 공명기 내의 음장에 대한 음파 거동특성을 살펴보기 위해 유한요소법을 이용한 음향 해석을 수행하였다.
한편, 다공 패널형 공명기의 흡음계수를 측정하기 위한 실험은 두 개의 마이크로폰을 이용한 전달함수법으로 수행하였으며, 공명기에 적용한 체적형 흡음재의 유동저항을 실험을 통해 구하였다.
다공 패널형 공명기의 흡음특성을 정확히 계산하기 위해서 실험결과와의 오차율을 줄일 수 있는 보정계수를 반영하여 다공 패널의 음향임피던스 수정 모델을 정립하였다.
다공 패널형 공명기의 다양한 음향제어 요소에 따른 흡음특성을 알아보기 위해 유효한 음향제어 요소들을 선정하였다. 다공 패널형 공명기의 음향제어 요소로써 기본적인 다공 패널의 공극률, 구멍 지름, 패널의 두께 외에도 다공 패널의 수, 다공 패널의 삽입 위치, 배열 순서, 공동의 형상 변화 그리고 체적형 흡음재와의 조합 배열이 검토되었다.
다공 패널형 공명기는 기존의 단순 공명기보다 중저주파수 대역에서 광대역 흡음성능과 높은 흡음계수를 가지며, 여러 음향제어 요소에 따라 다양한 흡음 설계가 가능함을 실험 및 계산 그리고 음향해석 결과로부터 확인하였다. 그리고 다공 패널에 대한 각 음향제어 요소는 공명기의 음향음피던스를 변화시키며, 이러한 음향임피던스의 변화에 따라 흡음특성이 결정된다.
중저주파수 대역에서 광대역 흡음성능을 확보하기 위해서는 단일 다공 패널 보다 다중 다공 패널이 삽입된 공명기가 효과적이다. 그리고 다중 다공 패널이 공동의 외부에 위치해 있는 것보다는 공동의 내부에 위치해 있는 것이 설계상 공명기의 전체 체적을 줄일 수 있다는 점에서 더 효용적이다.
다중 다공 패널이 삽입된 공명기의 경우 공명주파수간에 흡음계수가 급격히 저하되는 반공명주파수 대역이 발생하며 이러한 반공명주파수 대역에서의 흡음성능 저하를 개선시키기 위해서는 흡음재를 다중 다공 패널 사이에 적절히 삽입함으로써 개선시킬 수 있다.
단일 다공 패널이 삽입된 공명기의 경우 흡음계수는 다공 패널의 공극률과 구멍 지름에 의해 크게 좌우되며, 상대적으로 두께에 대한 변화는 미미한 것으로 확인되었다.
다공 패널형 공명기의 공동 지름에 대한 길이의 비인 L/D 비에 따라 흡음특성이 달라지며, 이는 단면 경계부에서의 단면 급확대로 인한 음향임피던스의 부정합(mismatching) 효과 때문이다.
다중 다공 패널형 공명기의 경우 다공 패널의 음향임피던스가 정합이 되도록 설치해야 광대역 흡음성능을 확보할 수 있다. 그리고 다공 패널이 2개 삽입된 공명기의 경우 2차 공명주파수는 다공 패널의 간격에 비례하여 저주파수대역으로 이동하였다.
다공 패널형 공명기의 흡음성능을 예측하기 위해 보정계수를 반영한 음향임피던스 모델을 제시하였으며, 본 연구에서 선정한 다양한 음향제어 요소에 적용하여 계산한 결과가 실험결과와 잘 일치하였다. 아울러 이상의 수행 결과들로부터 중저주파수 대역에서 우수한 흡음성능을 가지는 다공 패널형 공명기를 설계할 수 있음을 확인하였으며, 제안한 여러 흡음설계 방법을 이용하면, 다공 패널형 공명기가 다양한 소음제어 문제에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

The helmholtz resonator has been widely used to suppress the noise in industrial equipment and machinery because it has the outstanding absorption coefficient at the low frequency range. However, the conventional resonator has demerits that the absorption characteristics is limited at low frequency and the absorption bandwidth is very narrow due to the limited simple structure.
Therefore, The purpose of this study is to examine the sound absorption characteristics of a perforated panel-type resonator with broadband sound absorption characteristics and a high value of sound absorption coefficient at a middle-low frequency band.
The perforated panel-type resonator has merit that is able to do the effective absorption design because it has the various acoustic-control elements. The perforated panel-type resonator consists of structure which the perforated panel with a lot of small holes as an alternative to the neck of conventional simple resonator is combined with cavity of resonator.
The theoretical research regarding the simple resonator and the perforated panel is preceded to understand the absorption characteristics of the perforated panel-type resonator. The absorption coefficient of the perforated panel-type resonator is calculated by the equivalent electro-acoustic circuit approach and transfer matrix method. The sound wave propagation characteristics in the perforated panel-type resonator is observed by the acoustic analysis method using FEM.
The experiment is conducted to measure the absorption coefficient by transfer function method using two-microphone. The flow resistivity of the sound absorbing material is obtained through experiment.
The reliable acoustic impedance model of perforated panel by applying the correction coefficient is established to reduce the discrepancy between the experimental and calculated result.
The effective acoustic-control element is selected to validate the sound absorption characteristics depending on the various acoustic-control element of perforated panel-type resonator. There are several effective acoustic-control elements such as porosity, diameter of hole, thickness, the number of perforated panel, the insertion position of panel, the order of arrangement, shape change of cavity and arrangement with sound absorbing material.
The perforated panel-type resonator have the broadband sound absorption characteristics and a high value of sound absorption coefficient at a middle-low frequency band in comparison with the simple resonator. And the perforated panel-type resonator have advantage of being able to do the various absorption design depending on the various acoustic-control element. This possibility is verified by result of experiment, calculation and acoustic analysis. The acoustic-control element changes the acoustic impedance of resonator, And the sound absorption characteristics changes depending on the acoustic impedance.
To ensure the broadband sound absorption performance at a middle-low frequency band, the resonator with the multiple layer perforated panel is more effective than the resonator with the single layer perforated panel. And the resonator embedded with multiple layer perforated panel inside of cavity can be more effective than being outside of cavity because of advantage that is able to reduce the overall volume of the resonator from a design aspect. The resonator with the multiple layer perforated panel has demerit that the absorption performance is not so outstanding in an anti-resonance frequency and high frequency band. In order to overcome these problems, it can be improved by inserting sound absorbing material between the perforated panels.
In case of the resonator embedded with single layer perforated panel, the absorption coefficient is depended greatly on the porosity and the diameter of hole for perforated panel. However, the absorption coefficient is relatively less influenced by changing the thickness of panel.
Also, the sound absorption characteristics of a perforated panel-type resonator can be depended on ratio of the length to diameter of cavity. This is because of the mismatching effect of the acoustic impedance caused by the rapid expansion at the cross-section boundary. In case of resonator embedded with multiple layer perforated panel, the perforated panel should be installed to meet the impedance matching condition to ensure the broadband sound absorption performance. In case of resonator inserted with perforated panels of 2, the 2nd resonance frequency is shifted to low frequency band in proportion to distance between perforated panels.
In this study, the acoustic impedance model by applying correction coefficient is proposed to predict exactly the absorption performance of perforated panel-type resonator. The experimental results are in good agreement with the theoretical results. In addition, it has been confirmed from the above results that the perforated panel-type resonator having excellent sound absorption performance at the middle-low frequency band can be designed. Using the proposed sound absorption design method, the perforated panel-type resonator is expected to be usefully applied to various noise control problems.