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개방된 공간에서 틈새 소음까지 효과적으로 줄일 수 있는 새로운 개념의 소음 차단 기술이 개발됐다.

KAIST는 기계공학과 전원주 교수 연구팀이 구조물의 틈새나 개구부에서의 열 교환과 공기의 흐름을 허용하면서도, 소음은 효과적으로 차단할 수 있는 신개념 음향 메타물질인 ‘복소 임피던스 타일’을 개발했다고 6일 밝혔다.

소리는 작은 구멍이나 틈새만으로도 전달되는 특징을 가졌다.
틈새로 빠져나온 소리는 넓은 공간까지 전파돼 틈새를 막지 않고서는 외부 소리가 안에서 들리지 않게 하거나 내부 소리가 바깥으로 새어 나가지 않도록 하는 것이 어렵다.

예컨대 건조기·에어컨·공기청정기 등 가전제품과 냉각탑·변압기 등 기계 및 전력 설비, 항공 택시·드론 등 도심 항공 모빌리티 등 다양한 산업 분야의 구조물에는 열 교환이나 공기의 흐름을 위해 개방형 공간(개구부 또는 틈새)이 반드시 필요하다.

이때 제품과 설비 내부에 위치한 팬과 모터 등 소음원으로부터 발생하는 소음이 외부로 빠져나가는 문제는 불가피하고, 외부로 빠져나간 소음은 일상생활의 질을 떨어뜨리는 동시에 극단적으로는 청각 장애 등 문제를 야기할 수 있다.

하지만 연구팀이 개발한 복소 임피던스 타일은 음향 임피던스를 원하는 복소수 값으로 조절해 소음을 효과적으로 차단하는 기능을 한다.

음향 임피던스는 소리가 전파되는 매질(공기, 물 등)이 가진 고유의 음향학적 특성을 말한다.
소리는 일반적으로 매질의 밀도와 음속의 곱셈으로 표현되기 때문에 그 값이 실수이며, 매질이 정해지면 원하는 값으로 자유롭게 조절하는 것이 불가능하다.

이와 달리 연구팀이 개발한 복소 임피던스 타일은 소리가 경계면에 부딪혀서 반사될 때 반사되는 소리의 크기 뿐 아니라, 방향까지도 조절하는 것이 가능하다.

이는 구조물 벽면에서 소리를 흡수만 하는 기존 기술과는 달리 소리의 크기와 방향을 적절하게 조절해 소리가 틈새로 거의 빠져나가지 않고 구조물 내에서 가둬진 채 줄어들도록 한다.

연구팀은 이러한 원리의 복소 임피던스 타일을 적용해 밖으로 빠져나가는 소리를 90% 이상 저감할 수 있음을 정밀한 전산 시뮬레이션으로 예측한 후 제작과 실험을 통해 소음 저감 성능을 검증했다.

특히 구조물 내벽에서 소리를 100% 완벽하게 흡수하는 경우보다도 복소 임피던스 타일을 사용했을 때 밖으로 빠져나가는 소리를 훨씬 큰 폭으로 저감할 수 있음을 확인했다.

전원주 교수는 “복소 임피던스 타일은 개구부나 틈새를 전혀 막지 않으면서도 소리는 밖으로 빠져나가지 못하게 할 수 있고, 얇은 두께를 갖기 때문에 상대적으로 협소한 공간 안에 설치된 시스템에도 적용할 수 있는 특징이 있다”고 설명했다.

그러면서 “무엇보다 재료가 아닌 구조의 형상적인 특징을 이용하기 때문에 습도나 온도 변화에 따른 유지 보수가 쉽고, 제작이 용이한 장점을 가졌다”며 “이는 헤어드라이어, 청소기 등 전자제품부터 미래 교통수단으로 주목받는 도심 항공 모빌리티까지 다양한 시스템의 소음 저감에 새로운 솔루션으로 활용하는 것을 가능케 할 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 KAIST 도약연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
연구 결과는 기계공학 분야의 국제 학술지인 `메카니컬 시스템 앤 시그널 프로세싱'에 지난 3월 1일자로 게재됐다.
논문 작성에는 KAIST 기계공학과 박사과정 양은진 학생과 김지완 학생이 공동 제1 저자로 참여했다.