Acoustic materials or acoustic structures have been widely used as solutions for the sound absorption and sound insulation problems in various industries. When conventional acoustic materials or structures are used, their thickness must inevitably be thick for low-frequency sound absorption because the thickness must be similar to the incident wavelength. Recently, in order to overcome the limitations of existing acoustic materials or structures, research on sound-absorbing structures using acoustic metamaterials or metasurfaces with subwavelength scales has been actively conducted. Subwavelength Helmholtz resonators are the resonant structures widely used in the metasurface design because they are structurally solid and easy to fabricate via three-dimensional printing technology. Since the acoustic path inside the resonator is very small compared to the wavelength, the effects of visco-thermal losses plays an important role. In this study, we propose an acoustic metasurface for generating hybrid resonance between adjacent resonators at a target frequency. For the proposed acoustic metasurface, we provide a complete and systematic procedure for theoretical analysis and design of the metasurface with a consideration of the visco-thermal effects in the medium. By fabricating the metasurfaces obtained from the design procedures via 3D printing technology, their absorption coefficients are experimentally measured in impedance tube, and compared to the state-of-the-art absorbers. Furthermore, we propose a new type of hybrid resonators with multiple micro-perforations and embedded necks to realize further broadband absorption of low-frequency sounds.
다양한 음향 재료 혹은 음향 구조 등은 여러 산업 분야에서 흡음 및 방음 문제에 대한 해결책으로 널리 사용되고 있다. 종래의 음향 재료 혹은 구조를 사용하면 두께가 입사 파장과 비슷해야 하기 때문에, 저주파수 흡음을 위해서는 불가피하게 재료 혹은 구조의 부피가 커져야만 한다. 기존 음향 물질이나 구조의 한계를 뛰어넘기 위해, 최근 아파장 크기를 가진 음향 메타물질 혹은 메타표면을 사용하는 흡음 구조에 대한 연구가 활발하게 진행되었다. 아파장 헬름홀츠 공명기는 구조적으로 견고하고 3D 프린팅을 통해 쉽게 제작할 수 있기 때문에 다양한 목적의 음향 메타물질 혹은 음향 메타표면 설계에 널리 사용되는 공명 구조 중 하나이며, 내부의 음향 경로(예, 공명기의 목부)가 파장에 비해 매우 작기 때문에 열/점성 소산 효과의 영향이 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 인접한 헬름홀츠 공명기 사이의 혼합 공명 현상을 원하는 주파수에서 일으키기 위한 음향 메타표면을 제안하고, 제안한 음향 메타표면에 대해 매질의 열/점성 효과를 고려한 이론 모델 및 설계 방법론을 제안한다. 제안한 이론 모델 및 설계 방법론을 이용해, 다중 주파수에서 소리를 완벽하게 흡수하는 음향 메타 표면을 설계하고, 3D 프린팅을 이용해 메타표면을 제작하여 임피던스 튜브 실험으로 측정한 흡음 성능을 최신 연구의 흡음 구조와 정량적으로 비교한다. 더 나아가, 미세 천공과 삽입된 목이 결합된 새로운 형태의 혼합형 공명 구조를 제안하여, 광대역에서 고흡음 성능을 구현하고 실험적으로 검증한다.
