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소형화된 헬름홀츠 공진기를 이용한 수중 반향음 감소해석 모의실험
박성준,김제도,Park, SungJun,Kim, Jedo 한국음향학회 2019 韓國音響學會誌 Vol.38 No.1
In this study, we investigate the echo reduction performance of miniaturinzed Helmholtz resonators using smaller than wavelength acoustic metamaterial structures. The Helmholtz resonators are formed using air structures which exhibit large impedance mismatch with the surrounding underwater environment. Using the multi-physics software package, we find that significant reduction in the sonar signature is expected and frequency tailoring is possible by controlling the degree of space coiling and inner volume of the resonators. We find that for the basic Helmholtz resonators, up to 7 dB reduction in echo is expected at 10,000 Hz while when the miniaturized Helmoholtz resonators are used, up to 14 dB reduction in echo is expected at 5,000 Hz. In addition, frequency tailoring is demonstrated by varying the internal volume of the Helmholtz resonators and broadband characteristic is shown using superposition of various degree of space coiled structures. Through this study we investigate the effectiveness of the miniaturized Helmholtz resonators formed using air structures and the echo reduction results show promisses in the application of achieving underwater stealth. 본 연구에서는 파장보다 작은 구조물로 이루어진 음향메타물질을 이용하여 소형화된 헬름홀츠 공진기의 반향음 감소 성능예측 연구를 진행하였다. 본 논문에서 제안된 헬름홀츠 공진기는 수중 환경과 임피던스 차이가 큰 공기구조물로 형성하였다. 다중물리 유한요소 시뮬레이션 패키지를 이용하여 수중 음향학적 분석을 진행한 결과 수중 반향음의 감소가 예상되었고 헬름홀츠 공진기 입구의 공간 압축(space coiling) 정도와 내부 체적의 폭에 따라 주파수 특성을 제어할 수 있었다. 기본적인 헬름홀츠 공진기는 약 10,000 Hz 이상에서 최대 7 dB의 반향음 감소 효과를 보였으나 공간 압축 메타물질을 이용한 초소형 헬름홀츠 공진기는 약 5,000 Hz 이상에서 최대 14 dB의 반향음 감소가 나타났다. 추가적으로 헬름홀츠 공진기의 내부 체적을 제어하여 주파수 특성이 변화하는 것을 확인하고 공간압축 비율이 서로 다른 공진기를 조합함으로써 광대역 반향음 감소 효과를 얻을 수 있었다. 본 연구를 통해 수중 환경에서 공기구조물을 이용한 소형화된 헬름홀츠 공진기의 성능을 연구하였으며 반향음 감소 효과는 효과적인 스텔스 기술을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
박성준,송경준,김제도,Park, SungJun,Song, Kyungjun,Kim, Jedo 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.5
본 연구는 지그재그 형상의 음향메타물질 구조체를 1:1, 1:2와 1:4의 축척으로 구성하여 순차배치시킴으로써 나타나는 광대역 음파차단 현상을 유한요소법을 이용하여 분석하였다. 그 결과 단위격자를 축소시킨 구조체의 투과 음압레벨(Sound Pressure Level, SPL)은 각 구조체의 독립적인 투과 특성을 중첩한 것과 같은 효과를 얻었으며 이로인해 음파차단 대역폭과 크기가 현저히 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 유효물질 이론을 이용하여 음향메타물질이 매질의 임피던스와 굴절률을 높이는 것을 확인 하였다. 본 연구를 통해 다양한 메타물질을 이용하고 이를 단위격자를 축소시킴으로써 효과적인 광대역 소리차단을 실현 할 수 있을 것으로 기대된다. In this study, we use 1:1, 1:2, and 1:4 scale zig-zag shape acoustic metamaterial structure to achieve broad and effective sound blocking at the subwavelength scale. The SPL(Sound Pressure Level) results show that the SPL loss of the scaled metamaterial slab in series is a superposition of individual SPL losses. Also, we show that the metamaterial tailors the material properties to achieve high impedance and high refractive index using effective medium theory. Our results show that broad and effective sound blocking is possible at the subwavelength scale just by scaling acoustic metamaterial.