영구자석을 이용한 자기 유변 탄성체의 음향 투과 손실 성능 시험

1. 서 론

현대 사회에 이르러 급속한 산업의 발전에 따른 생활 편의 시설과 산업 제품의 제조 시설 등 다양한 시설과 고속 도로 및 철도 등에서 다양한 소음 공해가 발생하고 급격히 증가하고 있는 실정이다. 삶의 질이 향상됨에 따라 주거 환경에 대한 관심과 많은 요구 사항의 증가로 생활 환경 소음 문제가 이슈화되고 있다. 환경 소음은 일상생활에서 가장 빈번하게 접할 수 있는 공해로 소음 레벨이 증가하고 지속 시간이 증가할수록 불쾌감이 증가하고 정신적 피로와 스트레스의 주요 원인이 되고 있다. 이러한 환경 소음 문제에 따른 정숙한 생활 환경 조성 요구의 증가와 설치, 조성 유지를 위해 산업시설 및 도로의 소음을 저감하기 위한 다양한 연구와 저감 장치에 대한 개발이 진행되고 있다.

일반적인 소음의 저감 방법으로는 다음의 세 가지를 적용할 수 있다. 첫째, 소음 발생원(source)에서 저감시키는 방법과 둘째, 전달 경로상(path)의 저감방법, 셋째, 수음 지점(receiver)에서 소음을 저감시키는 방법으로 분류할 수 있다. 가장 근본적인 저감 방법으로 소음 발생원에서 발생하는 소음을 저감시키는 방법이 있으나 이는 장비나 기계의 가진(excitation) 성능에 따라 계획, 설치 단계에서 제약이 발생하는 문제점을 가지고 있어 소음 발생 매커니즘을 근본적으로 해소하는데 한계가 있다^(1,2).

전달 경로상의 소음 저감 방법은 소음이 대기를 통해 전달되는 과정에서 전달 경로를 증가시키거나 차단하여 소음을 저감하는 방법으로써 대표적인 사례로 도로에 설치된 방음벽(sound barrier), 방음 터널(sound barrier tunnel)이 있다^(3,4). 수음 지점에서 소음 저감 방법으로는 민원 예상되는 지점에 소음 저감 방안을 적용하는 방법이며, 수음 지점의 분포가 넓은 경우, 설치 비용이 과도하게 증가하는 문제가 발생하여 실제 적용에 있어 많은 애로 사항이 있다^(5,6).

한편, 소음 저감 및 제어에 적용되는 방법으로는 수동(passive) 제어와 능동(active) 제어, 그리고 반능동(semi-active) 제어가 있다. 주거 공간 및 도로에서 발생하는 소음 저감을 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법은 수동 제어이며, 소음원의 주파수에 관계없이 전달 경로상의 소음을 제거하기 때문에 시간에 따라 소음원이 변화하는 장소 또는 시설에 적용하기에 많은 한계가 있다^(7,8).

반면, 능동 소음 제어(active noise control, ANC) 방법은 소음원으로부터 발생한 소음의 주파수와 파장의 반대 신호를 인위적으로 생성시켜 소음을 상쇄시키는 방법이다. 이 방법은 시간에 따른 소음원의 크기와 주파수가 고정된 자동차 분야에서 많은 연구가 진행되고 있다^(9~11). 반능동 제어는 재료 자체가 외부 제어 입력(전압, 전류, 자기장, 전기장 등)에 의해 강성과 감쇠가 변하는 특성을 이용하여 실시간으로 반응하는 전기 유변 유체(electrorheological fluids, ERFs)와 자기 유변 유체(magnetorheological fluids, MRFs)를 이용한 많은 연구들이 진행되고 있다^(12,13).

따라서, 이 연구에서는 스마트 재료로서 기계 및 구조물 등의 동적인 시스템에서 진동 제어를 위한 진동 절연(isolator)과 동적 흡진(dynamic absorber)의 원리를 적용한 자기 유변 탄성체(magnetorheological elastomer, MRE)를 이용하여 on-off 및 자기장 세기 변화에 따른 차음 저감 성능에 대한 실험적 고찰을 하였다.

지금까지 MRE 연구는 진동 제어를 위한 진동 절연(vibration isolator)과 동적 흡진기(dynamic absorber)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 차량의 현가 장치와 샤시 서브 프레임 모듈에 적용되고 있는 부시류와 마운트에 대한 연구는 초보 단계에 있으며, 아직까지 MRE를 이용한 소음 저감과 제어에 관한 연구 또한 미미한 실정이다^(14~17).

MRE는 천연 고무 또는 실리콘 고무를 기반으로 다양한 촉진제 및 활성화제 등과 배합하여 자기장에 반응하는 입자인 CIP(carbonyl iron powder)를 혼합하여 제작한 스마트 재료로써 인가되는 자기장 크기에 따라 강성과 감쇠가 변화하는 성질을 가진 소재로 천연 고무 기반의 MRE를 이용하여 차음판을 제작하고, 자기장 크기 변화에 따른 차음 성능을 실험적으로 고찰하였다. 자기장을 인가할 수 있는 장치로 영구자석(permanent magnet)을 이용하여, MRE와 영구자석의 거리에 따른 변화로 구현하였다. 차음 성능 평가 항목으로 음향 투과 손실(sound transmission loss)과 차음도(noise reduction, NR)를 측정할 수 있는 잔향실에 마이크로폰을 설치하고 음원을 방사하여 50 Hz ~ 6300 Hz 대역에서 주파수 변화에 따른 차음 성능을 평가하였다.

2. MRE 특성 및 자기장 해석

2.1 MRE 특성

Fig. 1은 MRE에 인가되는 자기장 강도와 자속 밀도의 관계를 나타낸 것으로 차음 성능 평가를 위한 자기장을 0 Tesla에서 1.0 Tesla까지 인가할 때 자기장 강도가 선형적으로 변화하는 것을 알 수 있다. Fig. 2는 자기장의 세기가 변함에 따라 MRE의 변형률에 따른 응력을 나타낸 것으로 재료의 이력(hysteresis) 현상이 발생함을 알 수 있고 자기장의 세기가 증가하면서 탄성 계수가 증가함을 확인할 수 있다.

Fig. 1

B-H curve of MR elastomer

Fig. 2

Hysteresis curves of MR elastomer

2.2 Magnetic Analysis

자기장 인가시 MRE의 차음 성능을 평가하기 위해 Fig. 3과 같이 MRE와 영구자석으로 구성하여 해석을 수행하였고 자기장의 세기는 MRE와 영구자석의 거리로 표현되며 식 (1)과 같이 쓸 수 있다.

Fig. 3

Magnetic field analysis model for varying distances

$\[ B=k\frac{I}{r} \]$

(1)

여기서, B는 자기장, r은 거리, I는 전류의 세기를 나타낸다. Fig. 3과 같이 자기장 해석을 위해 영구자석의 사용에 따라 MRE에 인가되는 자기장과 영구자석의 크기와 최적의 배치를 위해 상용 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 자기장 해석을 수행하였다. 자기장 해석을 통해 구한 자기장 인가 세기에 따른 MRE의 차음 성능을 산출하였고 차음 성능 측정 방법에 의한 측정값과 비교하였다. 영구자석은 MRE의 충분한 자기장 형성을 위해 0.3 Tesla의 자기력이 구현되는 영구자석을 적용하였다.

이 연구에서는 자기장 해석을 위해 MRE와 영구자석과의 거리를 2 mm, 3 mm, 5 mm, 7 mm 및 10 mm로 설정하였다. Fig. 4는 2 mm와 10 mm인 유한요소 모델을 나타내었다. MRE와 영구자석과의 거리를 최소 2 mm로 설정한 것은 이 연구에서 적용한 MRE가 0.3 T에서 자기 포화 상태가 발생하였고, 이때의 거리는 약 1.7 mm였다. 거리 2 mm일 경우 0.2 T 크기의 자기장이 발생함을 확인하였으며, MRE에 인가되는 자기장은 각 자석 사이에서 형성됨을 예비 실험을 통해 확인하였다. 또한, MRE에 인가되는 자기장의 세기는 2 mm인 경우 최대 0.28 T, 10 mm인 경우 0.09 T가 각각 발생하였다. 3 mm인 경우는 0.19 T, 5 mm는 0.14 T, 7 mm의 경우 0.11 T의 최대 자기장의 세기를 나타내었다.

Fig. 4

Magnetic field analysis results for varying distances

3. 실험 및 고찰

3.1 벽의 투과 손실 측정

투과 손실의 측정 방법은 Fig. 5에 나타낸 것과 같이 서로 인접한 2개의 음향 측정용 공간에 공통의벽체에 시료 충진부에 MRE 그리드(MRE 및 영구자석이 장착된 시료)를 장착하고 한쪽은 음원실과 다른 쪽은 수음실로 하여 투과 손실을 측정한다. 소음원(sound power source)을 구동할 때 음원실 및 수음실의 음압 레벨을 각각 SPL₁과 SPL₂라고 하면 이때의 투과손실은 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 5

Schematic diagram for laboratory test

$\[ TL=SP{L}_1-SP{L}_2-10\log \left(\frac{S}{A}\right)\left(\mathrm{d}\mathrm{B}\right) \]$

(2)

여기서, S는 수음실 전체 표면적이고 A는 흡음력을 나타낸다. 투과 손실의 산출은 현장 측정값으로부터 산출하였고, 벽의 차음도(noise reduction, NR)는 식 (3) 및 식 (4)와 같이 표현할 수 있다.

$\[ NR=SP{L}_1-SP{L}_2=TL+6 \left(\mathrm{d}\mathrm{B}\right) \]$

(3)

$\[ TL=NR-6\mathrm{ }\left(\mathrm{d}\mathrm{B}\right) \]$

(4)

3.2 실험 장치 구성

MRE에 영구자석을 균일한 거리를 두고 배치하여 음원실과 수음실에 노출되는 MRE의 면적을 최대로 하여 접촉 면적을 최소화하였다. Fig. 6(a)에서 보는 바와 같이 영구자석과 MRE의 이격 거리를 고정시킬 수 있고 자기장을 형성에 영향을 주지 않는 재료(non-permeable media, 비 자성체)를 적용하여 제작한 격자 구조물(grid structure)은 벽체의 진동 등에 의한 일치 효과에 의한 차음 성능 저하를 방지하기 위한 구조로 제작되었다. 비 자성체 재질을 적용한 fixture에 Fig. 6(b)에서 보는 바와 같이 영구자석을 결합하였다. 자석의 위치는 자기장 해석에서 적용한 위치와 동일한 구조로 제작하였고 빈 공간은 음이 투과되도록 하였다. 이 실험장치에서 MRE를 적용한 MRE 재질 최대 크기는 200 mm × 200 mm에 두께 1 mm이다. 이때 영구자석은 20 mm × 20 mm에 5 mm 두께를 가지는 것을 적용하였다.

Fig. 6

Grid structure for sound insulation test

Fig. 7과 Fig. 8에서 보는 바와 같이 자기장이 인가된 MRE의 차음 성능 평가를 위하여 음원실인 잔향실(reverberation room)과 수음실인 완전 무향실(full anechoic chamber)에 최대 면적을 노출시키고 음원실과 수음실의 벽 사이에 MRE와 영구자석이 부착된 차음판을 설치한다. 음원실에 음원을 방사하여 측정된 음압레벨(SPL₁)과 수음실에서 측정된 음압레벨(SPL₂)을 측정하였다. 이 때의 소음 측정 지점은 MRE가 설치된 개구부에서 약 1.2 m 떨어진 지점에 소음계(sound level meter)를 설치하여 측정하고 주파수별 특성을 검토하였다. 또한 자기장의 인가의 세기에 조절하기 위하여 MRE와 영구자석의 거리를 2 mm, 3 mm, 5 mm, 7 mm, 10 mm로 각각 조절하여 실험장치를 구성하였고 Table 1에 나타내었다.

Fig. 7

Source (reverberation) room

Fig. 8

Receiver (full anechoic chamber) room

Table 1

Experimental equipment and devices

3.3 실험 결과

Fig. 9에 나타낸 바와 같이 MRE의 차음 성능은 자기장을 인가하지 않은 상태, 즉 0 T(off 상태)에서 최대 0.2 T까지 인가한 상태에서 음향 투과 손실을 1/3 옥타브 밴드 분석을 통해 차음 성능을 측정하였다. 그 결과를 살펴보면, 125 Hz ~ 160 Hz 대역은 off 상태(비인가 상태)에서의 차음 성능이 자기장을 인가한 상태보다 약 3 dB 높게 나타났고 250 Hz ~ 2500 Hz 대역에서 자기장 인가에 따른 차음 성능이 개선되는 결과를 가지지 못하였다. 좀 더 상세히 구분하여 보면, 영역 Ⅰ은 음원실과 수음실의 cut-off frequency(차단 또는 유효 주파수) 영역인 100 Hz 미만으로 측정의 정확성과 정밀도가 낮은 영역이므로 분석 대상에서 제외하였다. 영역 Ⅱ는 125 Hz ~ 163 Hz 영역에서는 자기장 인가 시 차음 성능이 저하되는 결과를 보였다. 영역 Ⅲ의 250 Hz 대역은 이 실험에 적용된 격자 구조의 차음 패널이 갖는 공진주파수(f_r) 영역으로 판단된다. 영역 Ⅳ, Ⅴ는 Fig. 11과 Fig. 12에서 보여지는 바와 같이 자기장의 세기에 따른 차음 성능의 개선 결과를 확인하기 어려웠다. 이는 MRE의 기본 소재 성분과 CIP 투입 비율에 따라 서로 다른 결과를 나타내기 때문이다.

Fig. 9

Sound transmission loss of MRE with magnetic field

Fig. 10

Noise reduction of MRE with varying magnetic field (160 Hz band)

Fig. 11

Noise reduction of MRE with varying magnetic field (250 Hz band)

Fig. 12

Noise reduction of MRE with varying magnetic field (2.5 kHz band)

4. 결 론

이 연구는 영구자석을 활용하여 자기장이 인가되지 않은 MRE부터 0.2 T까지 자기장을 인가한 다음 MRE의 차음 성능을 측정하여 평가하였고 영구자석 자체에 의한 차음 효과는 고려 대상에서 제외하였다. 자기장 해석과 차음 성능 평가를 통해 얻은 결론은 다음과 같다. 첫째는 MRE의 효과적인 차음 성능을 얻기 위해서 250 Hz이상 2500 Hz 영역에서 0.16 T 이상의 자기장을 인가하는 것이 효과적으로 나타났고 해당 영역에서의 차음 성능은 0.16 T 이상 인가한 경우에 자기장을 인가하지 않은 경우와 비교시 음향 투과 손실은 약 5 dB가 개선되었다. 둘째, MRE에서 2500 Hz 대역의 차음 성능의 향상을 위해 0.16 T 이상의 자기장 인가가 필요하며, 이때 측정된 음향 투과손실 값은 18 dB를 나타냈다. 셋째, 500 Hz ~ 2500 Hz 대역에서의 차음 성능의 차이는 3 dB로 단일 벽의 차음 특성의 질량 법칙(mass law)의 영역으로 자기장 인가에 따른 차음 성능의 변화가 미세한 증가를 보였다.

이것은 자기장의 인가 여부에 따른 MRE의 음향 투과 손실의 성능 측정 결과를 통해 250 Hz ~ 2500 Hz 주파수 대역에서 차음 소재로서 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

이 논문에서는 차음 소재로서 MRE 재질의 자기장 인가를 통한 적용 가능성 검토를 위한 선행 연구로 검토한 것이다.

따라서, 이 연구에서 실험한 MRE 재질의 조성을 다양하게 배합하고 제조하여 추가적인 연구를 진행할 필요가 있다. 현재까지는 장점이 발생한 주파수 대역이 좁기 때문에 현재 사용되고 있는 방음벽보다 큰 장점은 나타나지 않음을 볼 수 있고, 개선된 차음 성능 및 소음 방지 대책으로서 차음 벽을 구성하는 MRE Grid 구조물의 간극, 틈새 등을 제거하는 방안으로 구조적인 개선과 음원에 흡음재를 장착한 개선 등 기존 차음 재료를 병용하여 개선하는 방안과 MRE 소재의 기본 베이스 재질과 CIP 입자의 다양한 혼합 비율과 배합 조성을 통한 재질의 음향 투과 성능 평가를 통한 추가 연구가 필요하다고 판단된다.

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