Helmholtz resonator has high transmission loss at the resonance frequency in a relatively low frequency region where general porous materials do not perform well. However, it has only high transmission loss in a narrow band at the resonance frequency. In order to obtain broad band transmission loss, the study of a silencer using various resonator arrays have been carried out. This previous study has been limited to low incident sound pressure level conditions with no change of impedance with respect to pressure. When high incident sound pressure occurs, the nonlinear behavior in the narrow entrance of the resonator affects the effective length of the neck and acoustic energy loss mechanism, and finally the resistance increases and reactance decreases. In addition to, under grazing flow condition, the mean flow also affects the impedance of a resonator by effective area change of the orifice. In this study, a combined acoustic impedance model is proposed from the existing empirical formulas to consider high sound pressure and grazing mean flow at once. Measurements of the impedance and transmission loss of a resonator are conducted to verify this proposed impedance model. This impedance change depending on the sound pressure level and grazing mean flow should be considered for decision of the number of resonators to obtain the desired transmission loss performance. Furthermore, the arrangement order considering resonance frequency and the transmission loss superposition of each resonator are also important design variables. To decide these design parameters for the desired transmission loss shape depending on noise spectrum, the arrangement method with a proper objective function is proposed in the frequency range of interest. This study demonstrates the possibility about effective design of a silencer using resonator arrays with high sound pressure level and grazing mean flow by simplifying the design parameters.
헬름홀쯔 공명기는 상대적으로 흡음재의 성능이 떨어지는 저주파 대역에서도 해당 공명주파수에서 높은 투과손실을 가진다. 하지만 공명주파수의 좁은 대역에서만 그 성능을 나타낸다. 보다 넓은 대역에서 우수한 투과손실을 얻기 위해 다수의 공명기 배열을 이용하는 소음기에 대한 연구가 수행된 바 있다. 이는 오직 임피던스 특성이 변하지 않는 저음압하에서의 연구로 제한적이다. 고음압이 입사되면 좁은 공명기 목 입구에서의 비선형 거동으로 인하여 목의 유효 길이와 음향 에너지 소실 과정에 영향을 주게 되어, 결국 레지스턴스는 증가하고 리액턴스는 감소하게 된다. 추가적으로 유동이 존재하는 환경에서는 평균 유동 역시 공명기 목의 유효 단면적의 변화에 영향을 주어 임피던스가 변화하게 된다. 본 연구에서는 기존의 경험식을 바탕으로 고음압과 유동의 영향을 동시에 고려한 임피던스 모델을 제안하였다. 단일 공명기의 임피던스와 투과손실 측정 실험을 통하여 제안된 임피던스 모델과 비교하였다. 음압 레벨과 유속에 의한 임피던스 변화는 원하는 투과손실 성능을 얻기 위한 공명기의 개수를 결정하기 위하여 고려되어야 한다. 뿐만 아니라 각각의 공명기들의 공명주파수를 고려한 배열 순서와 투과손실의 중첩효과 또한 중요한 설계 변수로 작용하게 된다. 따라서 저감하고자 하는 소음 특성에 맞는 투과손실을 얻기 위한 설계 변수들을 결정하기 위해 관심 주파수 범위 내에서 적절한 목적 함수를 이용하는 공명기의 배열 설계 방법을 제안하였다. 본 연구는 고음압과 유동이 존재하는 환경에서 설계 변수들의 최소화를 통하여 공명기 배열형 소음기의 효율적인 배열 방법에 대한 가능성을 보여주었다.