Numerous studies have been performed to understand the coupling mechanism between the structure and the space. Many investigations have been conducted under the assumption of weakly coupled or larger structural impedance in comparison to that of contained fluid. For example, structural vibration is not affected by acoustic pressure distribution of the medium albeit this is valid in many practical situations. However, if the structure is either a membrane or thin plate or if the medium has significantly high impedance (for example, water), then this assumption is no longer valid. In this case, structural vibration is affected by the pressure distribution on the structure or the other way around and we call this a "full coupling problem." Coupling problems in which a wall separates two unbounded spaces or two bounded spaces are common and solutions are available but if the wall separates bounded and unbounded spaces then the wall's role in transporting the acoustic characteristics is not well defined.
Numerous numerical and experimental investigations have been conducted to understand the physical mechanism between structural vibration and fluid pressure distribution over the structure by many researchers. Dowell, Gorman, Smith and Junger presented a general approach of the structural-acoustic coupled problem to sound radiation associated with coupling. The effect of structural-acoustic interaction on structural vibration has been studied by Maidanik, Dowell, Voss, Pretlove, and Guy. Sound transmission in a structural-acoustic coupling problem has been studied by Lyon, Guy, Bhattacharya and Pan et al. Possible shapes of the coupling system, other than rectangular, have been studied by Fuller, Fahy, Craggs and Nefske et al. Smith, Felt, Liu, Ko, and Pan have studied the sound radiation associated with structural-acoustic interaction. Recently, to explain more general structure-acoustic coupling mechanism, Kim and Kim performed theoretical and experimental study of a partially opened two-dimensional membrane-cavity system that has two different modally reacting boundary conditions. A typical example of such a general coupling problem can be observed in a musical instrument like a guitar which has vibrating plates and an echoing cavity with an opening.
The previous works studied the system to get a good noise control means. Therefore, they implicitly interested in getting a weak coupling, and did not attempt to design the external pressure field using structural-acoustic interaction. To design an efficient radiator, one has to obtain various and significant insights on the coupling system. This study aims to propose the design procedure of having an efficient radiator using structural-acoustic interaction. This requires predicting the pressure distribution and radiation pattern of a structural-acoustic coupling system and will be presented a design example of an efficient radiator that has high emission power and low side level by using the dual optimal design algorithm.
To understanding the coupling mechanism between the acoustic space and the flexible structures, a general coupling system composed by a finite space, a semi-infinite space, two plates and an opening is selected. The structure represents a "volume interaction" element, and the opening represents a "pressure interaction" element. An approximated solution that predicts energy distribution and energy flow in the two spaces separated by structures and an opening has been developed. Its computational examples are also presented. The energy distribution (pressure) and energy flow (active intensity) of the two spaces have been visualized to describe the coupling system's behavior. Three typical radiation patterns (steered, focused, and omni-directed) have been presented. The steered beam can be applied for noise control, and the focused beam can be used for designing an efficient radiator or directivity pattern.
In order to design of coupled radiator, three steps of design procedure is proposed. First, the velocity on the flexible walls and the opening is evaluated by using the modal superposition method. Second, the radiation pattern and the energy distribution in semi-infinite spaces are predicting using convolution integral method or spatial Fourier transform method. Last, object function in spatial domain or wave number domain is obtained from radiation pattern and energy distribution. The design examples that is a focused radiator with high radiating power and low side lobe level has been presented by proposed design procedure.
구조물과 음향계의 연성 작용에 의해 형성되는 음장을 소음제어의 측면에서 줄이거나, 또는 방사체의 설계에 효과적으로 이용하기 위해서는 음장과 유연한 경계로 구성된 연성계의 메커니즘을 설명할 수 있어야 한다. 이를 위해서 많은 선행 연구가 진행되었으며, 그 중 많은 연구는 구조물의 임피던스가 매질의 임피던스에 비해 매우 큰 경우를 다루고 있다. 이 경우 이론적 접근 방법은 주변 매질이 구조물의 진동에 영향을 미치지 않는다는 가정을 기본으로 출발한다. 따라서 구조물의 진동을 먼저 해석하고 그 결과를 바탕으로 방사음장을 구하는 즉, 일방 연성 문제로 취급하는 경우이다. 이러한 접근은 채택한 가정이 과감하게 보임에도 불구하고 많은 실제적인 문제의 경우에 매우 유용하게 적용할 수 있다. 그러나 박막이나 얇은 평판과 같이 구조물의 강성이 매우 작거나, 수중에서와 같이 매질의 임피던스가 큰 경우 등과 같이 상대적으로 구조물의 임피던스가 매질의 임피던스에 비해 크지 않은 경우는 매질의 거동이 구조물의 진동에 영향을 주어 구조물의 진동과 매질의 거동을 동시에 고려해야 하는 완전 연성 문제로 취급하여야 한다. 원하는 방향으로 최대의 방사파워를 방출할 수 있고 상대적으로 낮은 부엽 준위를 갖는 방사체를 설계할 수 있는 방법론을 정립하는 것이 본 논문의 목적이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 “연성계에 대한 이해”, “연성계에 대한 해석 및 분석”, “연성계의 설계 방법”과 같은 단계로 나누어 접근하였다. 구조-음향 연성계의 가장 단순한 경우에 대해서 각 계의 특성을 대표하는 물리량인 음향계의 임피던스와 구조계의 모빌리티를 이용하여 연성계를 표현하였다. 이로부터 음향계와 구조계가 어떤 메커니즘으로 결합되어 있는가를 분석하였다. 또한 음향 임피던스와 구조물의 연성 모빌리티의 곱이 연성의 정도를 판단하는 기준이 됨을 보였다. 공간에서의 음향 특성이 위치의 함수로 표현되는 1 차원 덕트에 대해서 이론해와 모드 함수의 합을 이용한 해석결과를 비교하였다. 이로부터 모드 함수의 합을 이용한 해석을 수행할 경우 모드 간의 연성을 고려하는 경우에 정확한 결과를 얻을 수 있음을 보였다. 또한 모드 개수에 따른 오차와 수렴성에 대해 분석하였다. 일반적인 형태의 연성계에 대해서 모드 함수의 합을 이용한 해석 방법을 적용하여 행렬과 벡터의 형태로 일반화된 연성 방정식을 유도하였다. 이로부터 단순계를 이용한 해석의 결과와 동일한 형태의 결과가 됨을 보여 물리적 의미를 설명하였다. 연성의 정도는 구조계의 질량에 반비례하고, 음향계의 강성에 비례함을 보였다. 또한 모드 간의 결합 정도를 나타내는 연성계수의 크기와 비례하며, 가진 주파수와 부계(음향계 또는 구조계)의 공진 주파수와의 차에 반비례 함을 보였다. 구조-음향 연성 현상을 보다 구체적으로 파악하고 이를 통하여 방사체 설계와 직접적으로 관련된 물리량 들을 분석하기 위해서 구조-음향 연성계가 가질 수 있는 일반적인 특성을 모두 포함하고 수학적으로 해를 구할 수 있는 연성계를 대상으로 음장 특성의 변화를 고찰하였다. 이 과정에서 모드 조합을 이용한 방법이 가질 수 있는 오차와 수렴성에 대해 분석하였다. 강한 연성 현상에 의해 발생하는 구조-우세 모드 중 효율적인 방사의 형태와 비 효율적인 방사의 형태를 살펴보고 외부 음장의 크기를 제어할 수 있는 방법에 대해 살펴보았다. 공동-우세 모드를 관찰하여 조향 빔 패턴, 지향성 빔 패턴, 그리고 무 지향성 빔 패턴을 구조-음향 연성 현상을 이용하여 만들 수 있는 가능성을 확인하고, 방사체를 설계할 수 있는 기본적인 방향을 제시하였다. 강한 구조-음향 연성 현상을 이용하여 큰 방사파워와 낮은 부엽준위를 갖는 방사체를 설계하는 구체적인 절차를 제안하였다. 특히 목적함수를 계산하는 방법에 따라 컨볼루션 적분을 통한 최적 설계 방법과 파수 영역에서 설계하는 방법으로 나누어 제안하였다. 설계변수로 평판의 강성을 지배하는 두께, 압력에 의한 상호작용과 체적에 의한 상호작용의 비를 결정하는 입구의 넓이, 그리고 가진 주파수를 선택하였다. 목적함수로는 방사음압을 최대로 하며 부엽준위를 최소로 하는 다목적 함수를 선택하였다. 이로부터 제안된 방법을 검증하기 위해 모의 설계를 수행하여 초기값에 비하여 개선된 특성을 갖는 구조-음향 방사체를 설계하였다.
