In this study, the effects of flow on sound insulation of phononic crystals and metaliners are identified. Phononic crystal is made of periodic scatterers embedded in a matrix with high impedance contrast, preventing sound transmission in a bandgap frequency range through Bragg scattering. Metaliner is a metastructure-based acoustic liner with a subwavelength scale capable of high sound insulation for a duct in the low-frequency range while allowing fluid passage without causing flow resistance. However, most previous studies have been done within a framework of the stationary medium, and only a few researchers have studied the change in sound insulation for phononic crystals or metaliners by considering the effect of flow. Firstly, this study identifies the effects of flow on bandgap characteristics of phononic crystals for steady and turbulent flows. For steady flows such as uniform and compressible potential flows, the effective speed of propagation can be slowed inside the phononic crystals, and the reflectance spectra are shifted to lower frequencies by the factor 1-M_eff^(2 ) (M_eff: effective Mach number) due to fluid convection. For turbulent flows, the bandgap characteristics of phononic crystals for various combinations of the inflow speed, filling ratio, and the number of layers are investigated. A bandgap quenching phenomenon of phononic crystal in a moving medium is identified, accounting for the effects of aerodynamic noise and convection. Secondly, the effects of flow on sound insulation and absorption of metaliners are investigated. An effective impedance model of the metaliner is established by considering the flow effect, and transmission loss and absorption coefficient of the metaliner are numerically predicted in a duct with the flow. Then, this study presents a design procedure for a metaliner with high transmission loss for various flow speeds. Experiments show that the designed metaliners exhibit transmission loss above 45 dB/m within ±5% of the target frequencies of 500 Hz or 1000 Hz for different flow speeds of 0, 17, and 34 m/s.
본 연구에서는 유체 흐름이 포노닉 크리스탈과 메타라이너의 차음 성능에 미치는 영향을 규명한다. 포노닉 크리스탈은 매질과 임피던스 차이가 큰 음향 산란체를 주기적으로 배열한 구조로 브래그 산란에 의해 밴드갭 주파수 대역에서 음파의 투과를 완벽히 차단한다. 메타라이너는 파장 이하 스케일의 메타구조를 음향 라이너에 적용한 구조로, 덕트를 통한 유체의 흐름은 허용하면서 저주파 대역의 소음을 효과적으로 차단할 수 있다. 하지만 대부분의 기존 문헌들은 정지 매질 내 포노닉 크리스탈의 밴드갭 성능과 메타구조 기반 음향 라이너의 소음 차단 성능을 연구하였으며, 유체 흐름이 존재할 때 그 성능의 변화를 연구한 문헌들은 거의 없었다. 먼저, 본 연구에서는 유체 흐름이 포노닉 크리스탈의 밴드갭 특성에 미치는 영향을 체계적으로 규명하기 위해 배경 유동을 정상 유동과 난류 유동으로 구분하고, 각 유동의 효과를 분석한다. 균일 유동 및 정상 포텐셜 유동을 포함하는 정상 유동의 대류 효과에 의해, 정상 유동장 내에서 포노닉 크리스탈 내부의 유효 전파 속도는 느려지며, 1-M_eff^2 (M_eff: 유효 마하 수)에 비례해 포노닉 크리스탈의 밴드갭 주파수가 저 주파 영역으로 이동함을 수치 해석을 통해 검증한다. 그리고 난류 유동장 내에서 입류 유속, 포노닉 크리스탈의 충진율, 레이어 수에 따른 밴드갭 특성을 분석하고, 난류 유동장 내 포노닉 크리스탈의 밴드갭이 사라지는 현상을 공력 소음 및 대류 효과와 관련 지어 규명한다. 다음으로, 유체 흐름이 메타라이너의 소음 저감 성능에 미치는 영향을 규명한다. 유동의 영향을 고려하여 메타라이너의 유효 임피던스 이론 모델을 수립하고, 유동장 내 메타라이너의 투과 손실 및 흡음 성능을 수치적으로 예측한다. 그리고 다양한 유속의 유동장 내에서 차음 성능이 우수한 메타라이너를 설계하는 방법을 제안한다. 설계된 메타라이너가 평균 유속 0, 17, 34 m/s의 유동장 내에서 목표 주파수(500, 1000 Hz)의 ±5% 주파수 대역에 대해 목표 투과 손실 45 dB/m 이상의 높은 차음 성능을 달성함을 실험을 통해 검증한다.
