In various industrial fields, openings or apertures in mechanical systems are essential for heat exchange or fluid flow to maintain the mechanical performance of systems such as home appliances, transformers, and cooling towers. In the mechanical systems, there are various noise sources such as motors and fans. However, since these noise sources cannot be completely enclosed by the structures, noise is emanated to the outside through the openings. In order to reduce this emanated noise, acoustic metasurfaces that can perfectly absorb sound through impedance matching have been proposed. However, even if perfect sound absorption is achieved within the structures, noise can still escape through openings. In this study, to reduce emanated noise through openings, complex impedances are controlled instead of satisfying the impedance matching condition. A design procedure of an acoustic metasurface using complex impedances is proposed as follows. First, when the noise source is inside a structure with an opening, distributions of effective impedances on the interior surfaces of the structure are derived through optimization to minimize the radiated sound power. Next, the effective impedances are implemented with the aid of the inverse design of acoustic metasurfaces consisting of subwavelength Helmholtz resonators. The resulting designed metasurfaces were found to reduce the radiated noise when a single monopole source of 1000 Hz is located inside a structure with an opening. The designed metasurfaces were fabricated through 3D printing, and a noise reduction performance of 13 dB was verified through experiments in an anechoic chamber. In addition, by designing the metasurfaces for various sound source conditions and geometric conditions of the structure, a possibility of radiated noise reduction in a situation closer to the actual conditions is confirmed.
산업 분야의 다양한 기계 시스템의 성능을 유지하기 위해서는 열교환과 유체의 흐름이 필요하며, 이를 위해 시스템에는 개구부나 틈새가 필수적이다. 시스템에는 다양한 소음원이 존재하지만, 구조물로 음원을 완전히 감쌀 수 없기 때문에 개구부를 통해 소음이 외부로 빠져나가는 문제가 발생한다. 소음 문제의 해결을 위하여 임피던스 매칭을 통해 소리를 완벽하게 흡수할 수 있는 음향 메타표면이 연구되고 있다. 하지만, 구조 내에서 완벽 흡음을 달성하더라도 개구부를 통해 온전히 빠져나가는 소음이 발생한다. 본 연구에서는 개구부를 통해 빠져나가는 소음을 저감하기 위하여, 임피던스 매칭이 아닌 다른 형태의 임피던스 조건을 찾고 음향 메타표면을 이용하여 이를 구현하는 방법론을 제안한다. 먼저, 소음원이 개구부가 있는 구조 내부에 있을 때, 최적화를 통해 음향 방사 파워를 최소로 하는 구조 내부 표면의 유효 임피던스 분포를 도출한다. 다음으로, 임피던스의 제어가 가능한 음향 메타표면을 역설계하여 도출된 유효 임피던스를 실제로 구현한다. 제안된 방법론의 결과로서, 1000Hz의 하나의 단극원이 개구부가 있는 구조 내부에 위치할 때, 방사 소음을 저감할 수 있는 메타표면을 설계하였다. 설계된 메타표면은 3D 프린팅을 통해 제작되고, 무향실에서의 실험을 통해 13dB의 소음 저감 성능을 검증하였다. 또한, 제안하는 방법론을 이용하여 다양한 음원 조건이나 시스템의 형상 조건에 대해 메타표면을 설계함으로써, 보다 실제 조건에 가까운 상황에서의 방사 소음 저감의 가능성을 확인한다.
