저주파 소음 저감을 위한 미로형 다중 경로 메타 소음기의 설계 및 성능 검증 = Design and Performance Evaluation of a Labyrinth Multi-Path Meta Silencer for Low-Frequency Noise Control

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 차량과 선박 등 제한된 내부 공간에서 발생하는 소음 문제를 개선하기 위해, 메타 구조 원리를 적용한 다중 경로 반사형 소음기를 새롭게 설계하였다. 소음기의 음향 거동은 전달 행렬법(Transfer Matrix Method, TMM)과 유한요소해석(Finite Element Method, FEM)을 통해 이론적, 수치적으로 분석하였다. 내부 반사 경로의 길이와 개수를 조절함으로써 공진 주파수의 이동 및 투과 손실(Sound Transmission Loss, STL) 변화를 확인하였으며, 상이한 구조 단위를 직렬로 배열할 경우 소음 저감 주파수 대역이 확장됨을 규명하였다. 또한, 제안된 구조를 실제로 제작하여 임피던스 튜브 실험을 수행한 결과, 해석 결과와 높은 일치도를 보이며 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 특히 본 연구의 설계 개념은 기존의 단일 공명형 소음기에 비해 보다 작은 체적에서도 광대역 저주파 감쇠 성능을 확보할 수 있다는 점에서 차별성을 가진다. 이는 제한된 공간에서 구조적 제약을 받는 차량·선박용 배기계의 소음 저감 설계에 실질적인 대안을 제시하며, 향후 공력·열적 영향이 고려된 복합 물리 기반 최적화 연구로 확장될 수 있다. 이러한 결과는 메타 구조 기반 다중 경로 설계 개념이 저주파 소음 제어에 매우 효과적임을 입증하고, 실용화 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a novel multi-path reflective silencer based on the principle of metamaterial structures was designed to mitigate noise problems occurring in confined spaces such as vehicles and ships. The acoustic behavior of the proposed silencer was analyzed theoretically and numerically using the Transfer Matrix Method (TMM) and Finite Element Method (FEM). By adjusting the length and number of internal reflection paths, the shifts in resonance frequencies and variations in sound transmission loss (STL) were investigated. It was also confirmed that when different structural units are arranged in series, the effective noise reduction bandwidth can be significantly expanded.
Furthermore, the proposed structure was fabricated and experimentally validated through impedance tube measurements, showing excellent agreement with the analytical results and thereby verifying the accuracy of the numerical model.
Notably, the design concept presented in this study demonstrates superior broadband low-frequency attenuation performance even within a smaller volume compared to conventional single-resonance silencers. This highlights its potential as a practical solution for noise reduction in vehicle and marine exhaust systems with strict spatial constraints. The findings suggest that the proposed meta-structure-based multi-path design concept is highly effective for low-frequency noise control and can be further extended to multi-physics optimization studies incorporating aerodynamic and thermal effects.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 연구의 배경과 목적 1
• Ⅱ. 전달 행렬법을 이용한 음향 특성 해석 방법 3
• 1. 메타 소음기 공진 구조체의 전달행렬 구성 및 특성 분석 3
• 2. 메타 소음기 공진 구조체의 음향 투과 특성 분석 7
• Ⅲ. 소음 저감 특성의 수치 해석과 실험을 통한 검증 9
• 1. 4 Microphone Method를 이용한 음향 투과 손실 계산 이론 9
• 2. 설계 변수 변화에 따른 메타 구조체의 음향 응답 특성 해석 11
• 가. 벽체 길이 변화에 따른 메타 소음기 음향 거동 분석 11
• 나. 벽체 개수 변화에 따른 메타 소음기 음향 거동 분석 12
• 다. 이종 메타 구조체 직렬 결합 구조의 음향 거동 분석 12
• Ⅳ. 메타 소음기 소음 저감 실험 16
• 1. 임피던스 튜브 실험을 이용한 메타 소음기 음향 성능 평가 16
• 2. 삽입 손실 측정 실험 19
• 참고문헌 23
• Abstract 27