흡음
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목차
1. 개요
흡음은 소리가 매질을 통과할 때 에너지의 일부가 소산되는 현상을 의미하며, 음향 임피던스, 에너지 소산, 흡음재, 흡음의 응용 분야 등으로 설명된다. 흡음의 원리는 음향 임피던스를 통해 설명되며, 이는 매질의 저항과 리액턴스 특성을 결합한 것이다. 흡음재는 소리의 반사를 줄여 소음 수준을 낮추는 데 사용되며, 흡음 계수를 통해 흡음 성능을 평가한다. 흡음은 방음, 음성 녹음 및 재생, 스피커 설계, 건축 음향 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 무향실은 음향 실험 및 측정을 위해 소리를 최대한 흡수하도록 설계된 공간이다.
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| 흡음 | |
|---|---|
| 흡음 | |
 | |
| 유형 | 다공성 흡수 공진 흡수 |
| 응용 분야 | 건축 음향 소음 제어 자동차 산업 항공우주 산업 기타 산업 |
| 특징 | 음향 에너지 소산 반사 감소 잔향 제어 |
| 상세 정보 | |
| 다공성 흡수 | 다공성 재료 내부의 마찰을 통해 음향 에너지를 열 에너지로 변환 |
| 공진 흡수 | 특정 주파수에서 공진하여 음향 에너지를 흡수 |
| 흡음 계수 | 재료가 흡수하는 음향 에너지의 비율 |
| 흡음 메커니즘 | |
| 다공성 재료 | 공기 흐름 저항, 다공성, 구조적 인자 |
| 공진 흡수기 | 질량-스프링 시스템, 헬름홀츠 공진기 |
| 흡음 재료 | |
| 다공성 재료 | 섬유 유리 암면 흡음 폼 펠트 카펫 |
| 공진 흡수기 | 패널 다이어프램 헬름홀츠 공진기 |
| 고려 사항 | |
| 주파수 의존성 | 흡음재의 성능은 주파수에 따라 다름 |
| 설치 | 흡음재의 효과는 설치 방법에 따라 달라질 수 있음 |
| 환경적 요인 | 온도, 습도, 공기 흐름 등이 흡음에 영향을 줄 수 있음 |
2. 흡음의 원리
2. 1. 음향 임피던스
음파가 매질을 통과하면서 소모되는 에너지 소산은 저항이나 기계적 운동 전달 시스템의 댐퍼에서 소모되는 에너지와 유사하다. 이 세 가지는 모두 저항 요소와 리액턴스 요소의 시스템에서 저항 성분과 동일하다. 저항 요소는 에너지를 소모하고 (열로 비가역적으로 변환) 리액턴스 요소는 에너지를 저장하고 방출한다(작은 손실은 무시하고 가역적으로 변환). 음향 매질의 리액턴스 부분은 체적 탄성률과 밀도에 의해 결정되며, 각각 캐패시터와 인덕터와 유사하며, 각각 질량에 부착된 스프링 (장치)과 유사하다.소산은 저항 요소에만 의존하므로 주파수와 무관하다는 점에 유의해야 한다. 그러나 실제로는 저항 요소가 주파수에 따라 변한다. 예를 들어, 대부분의 재료의 진동은 물리적 구조를 변화시키므로 물리적 특성도 변화하며, 그 결과 '저항' 등가물이 변화한다. 또한, 대부분의 재료에서 압축 (물리)과 희소화의 순환은 주파수의 함수인 이력 현상을 나타내므로, 모든 압축에 대해 희소화가 발생하며, 이력 현상으로 인해 소모되는 총 에너지량은 주파수에 따라 변한다. 또한, 일부 재료는 비뉴턴 방식으로 작동하여 압축 및 희소화 동안 경험하는 전단 변형률의 속도에 따라 점성이 변한다. 이 역시 주파수에 따라 달라진다. 기체와 액체는 일반적으로 고체 재료보다 이력 현상이 적고 (예: 음파는 단열 압축 및 희소화를 유발함) 대부분 뉴턴 방식으로 작동한다.
결합된 음향 매질의 저항 및 리액턴스 특성은 음향 임피던스를 형성한다. 다른 매질을 만나는 음파의 거동은 서로 다른 음향 임피던스에 의해 결정된다. 전기 임피던스와 마찬가지로 임피던스 정합 및 불일치가 있으며, 특정 주파수에 대해서는 에너지가 전달될 수 있고 (최대 거의 100%), 다른 주파수에 대해서는 대부분 반사될 수 있다 (역시 매우 큰 비율까지).
증폭기 및 스피커 설계에서 시스템의 전기 임피던스, 기계 임피던스 및 음향 임피던스는 광범위한 스펙트럼에서 재생된 사운드를 주파수 및 위상 응답이 최소한으로 변경하면서 청취자에게 적절한 사운드 레벨을 생성하도록 균형을 맞춰야 한다. 전기 회로에서 오랫동안 사용된 것과 동일(또는 유사)한 기술을 사용하여 음향 시스템을 모델링함으로써 음향 설계자에게 새롭고 강력한 설계 도구를 제공했다.
2. 2. 에너지 소산
음파가 매질을 통과하면서 소모되는 에너지 소산은 저항이나 기계적 운동 전달 시스템의 댐퍼에서 소모되는 에너지와 유사하다. 이 세 가지는 모두 저항 요소와 리액턴스 요소의 시스템에서 저항 성분과 동일하다. 저항 요소는 에너지를 소모하고 (열로 비가역적으로 변환) 리액턴스 요소는 에너지를 저장하고 방출한다(작은 손실은 무시하고 가역적으로 변환). 음향 매질의 리액턴스 부분은 체적 탄성률과 밀도에 의해 결정되며, 각각 캐패시터와 인덕터와 유사하며, 각각 질량에 부착된 스프링 (장치)과 유사하다.소산은 저항 요소에만 의존하므로 주파수와 무관하다는 점에 유의해야 한다. 그러나 실제로는 저항 요소가 주파수에 따라 변한다. 예를 들어, 대부분의 재료의 진동은 물리적 구조를 변화시키므로 물리적 특성도 변화하며, 그 결과 '저항' 등가물이 변화한다. 또한, 대부분의 재료에서 압축 (물리)과 희소화의 순환은 주파수의 함수인 이력 현상을 나타내므로, 모든 압축에 대해 희소화가 발생하며, 이력 현상으로 인해 소모되는 총 에너지량은 주파수에 따라 변한다. 또한, 일부 재료는 비뉴턴 방식으로 작동하여 압축 및 희소화 동안 경험하는 전단 변형률의 속도에 따라 점성이 변한다. 이 역시 주파수에 따라 달라진다. 기체와 액체는 일반적으로 고체 재료보다 이력 현상이 적고 (예: 음파는 단열 압축 및 희소화를 유발함) 대부분 뉴턴 방식으로 작동한다.
결합된 음향 매질의 저항 및 리액턴스 특성은 음향 임피던스를 형성한다. 다른 매질을 만나는 음파의 거동은 서로 다른 음향 임피던스에 의해 결정된다. 전기 임피던스와 마찬가지로 임피던스 정합 및 미스매치가 있으며, 특정 주파수에 대해서는 에너지가 전달될 수 있고 (최대 거의 100%), 다른 주파수에 대해서는 대부분 반사될 수 있다 (역시 매우 큰 비율까지).
증폭기 및 스피커 설계에서 시스템의 전기 임피던스, 기계 임피던스 및 음향 임피던스는 광범위한 스펙트럼에서 재생된 사운드를 주파수 및 위상 응답이 최소한으로 변경하면서 청취자에게 적절한 사운드 레벨을 생성하도록 균형을 맞춰야 한다. 전기 회로에서 오랫동안 사용된 것과 동일(또는 유사)한 기술을 사용하여 음향 시스템을 모델링함으로써 음향 설계자에게 새롭고 강력한 설계 도구를 제공했다.
2. 2. 1. 재료의 물리적 특성 변화
(소스 내용 없음)2. 2. 2. 압축 및 희소화
압축과 희소화 과정에서, 어떤 경우에는 압력의 변화가 그에 상응하는 밀도 변화와 즉시 일치하지 않고 지연될 수 있다. 이러한 지연, 또는 이력 현상은 음파의 에너지 일부가 열로 변환되면서 발생하는 에너지 손실의 원인이 된다.2. 2. 3. 점성
비뉴턴 유체의 점성 변화와 흡음의 관계에 대한 내용은 현재 제공된 자료에 없습니다.3. 흡음재
3. 1. 흡음 계수
흡음 계수는 재료나 표면에서 반사되지 않고 흡수되는 소리 에너지의 비율을 나타낸다.[5] 흡음 계수는 0에서 1 사이의 값을 가지며, 0은 소리가 전혀 흡수되지 않음을, 1은 소리가 완전히 흡수됨을 의미한다.흡음 계수는 일반적으로 특정 주파수에서 측정되며, 다양한 주파수에서의 흡음 계수를 측정하여 재료의 흡음 특성을 파악한다.
다음은 일반적인 재료의 주파수별 흡음 계수를 나타낸 표이다.[5]
| 재료 | 주파수별 흡음 계수 (Hz) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 125 | 250 | 500 | 1,000 | 2,000 | |
| 흡음 타일 (천장) | .80 | .90 | .90 | .95 | .90 |
| 벽돌 | .03 | .03 | .03 | .04 | .05 |
| 콘크리트 바닥의 카펫 | .08 | .25 | .60 | .70 | .72 |
| 두꺼운 커튼 | .15 | .35 | .55 | .75 | .70 |
| 대리석 | .01 | .01 | .01 | .01 | .02 |
| 페인트칠된 콘크리트 | .10 | .05 | .06 | .07 | .09 |
| 콘크리트 플라스터 | .10 | .10 | .08 | .05 | .05 |
| 스터드 위의 합판 | .30 | .20 | .15 | .10 | .09 |
| 매끄러운 콘크리트 | .01 | .01 | .01 | .02 | .02 |
| 나무 바닥 | .15 | .11 | .10 | .07 | .06 |
3. 2. 흡음재의 종류
흡음재는 소리를 흡수하여 실내 소음 수준을 줄이는 데 사용되는 다양한 재료를 말한다. 흡음재의 종류에 따라 흡음 성능이 달라지며, 흡음 성능은 흡음 계수로 나타낸다.[5]다음은 일반적인 재료의 흡음 계수를 나타낸 표이다.[5]
| 재료 | 주파수별 흡음 계수 (Hz) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 125 | 250 | 500 | 1,000 | 2,000 | |
| 흡음 타일 (천장) | 0.80 | 0.90 | 0.90 | 0.95 | 0.90 |
| 벽돌 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.04 | 0.05 |
| 콘크리트 바닥의 카펫 | 0.08 | 0.25 | 0.60 | 0.70 | 0.72 |
| 두꺼운 커튼 | 0.15 | 0.35 | 0.55 | 0.75 | 0.70 |
| 대리석 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.02 |
| 페인트칠된 콘크리트 | 0.10 | 0.05 | 0.06 | 0.07 | 0.09 |
| 콘크리트 플라스터 | 0.10 | 0.10 | 0.08 | 0.05 | 0.05 |
| 스터드 위의 합판 | 0.30 | 0.20 | 0.15 | 0.10 | 0.09 |
| 매끄러운 콘크리트 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.02 | 0.02 |
| 나무 바닥 | 0.15 | 0.11 | 0.10 | 0.07 | 0.06 |
흡음 계수는 0에서 1 사이의 값을 가지며, 1에 가까울수록 흡음 성능이 우수하다. 표에서 볼 수 있듯이, 흡음 타일, 카펫, 두꺼운 커튼 등은 흡음 계수가 높아 흡음 성능이 우수한 반면, 대리석, 콘크리트 등은 흡음 계수가 낮아 흡음 성능이 떨어진다.
4. 흡음의 응용 분야
흡음은 방음, 음성 녹음 및 재생, 스피커 설계, 음향 전송선, 실내 음향, 건축 음향, 소나, 방음벽과 같은 분야에서 매우 중요하다.
- 방음: 흡음은 소음을 줄여 조용한 환경을 조성하는 데 중요한 역할을 한다.
- 음성 녹음 및 재생: 녹음 스튜디오나 방송 시설에서는 음질을 높이기 위해 흡음 기술을 적극적으로 활용한다.
- 스피커 디자인: 흡음재는 스피커 설계에서 불필요한 공진을 줄이고 음질을 향상시키는 데 필수적이다.
- 음향 전송선: 흡음재는 음향 전송선에서 소리의 반사를 줄이고, 음향 에너지 손실을 최소화하여 효율적인 소리 전달을 가능하게 한다.
- 실내 음향: 흡음재는 실내 공간의 잔향 시간을 조절하여 음향 환경을 개선하고, 명료한 소리 전달을 돕는다.
- 건축 음향: 건축물의 실내 음향 환경을 개선하여 쾌적하고 기능적인 공간을 만드는 데 중요한 역할을 한다. 한국의 건축법규는 건축물의 용도와 규모에 따라 흡음 기준을 규정하고 있다. 특히, 공동주택의 경우 층간 소음 문제를 해결하기 위해 바닥, 벽, 천장 등에 흡음재를 사용하도록 규정하고 있다.
- 소나: 수중 음파 탐지기인 소나에서 흡음 기술은 불필요한 반향을 줄이고, 탐지 성능을 높이는 데 활용된다.
- 방음벽: 도로변이나 철도변에 설치되는 방음벽은 소음을 흡수하여 주변 지역의 소음 피해를 줄이는 역할을 한다.
- 무향실: 무향실은 가능한 많은 소리를 흡수하도록 설계된 방으로, 음향 관련 실험 및 측정에 사용된다.
4. 1. 건축 음향
흡음은 방음, 음성 녹음 및 재생, 스피커 설계, 음향 전송선, 실내 음향, 건축 음향, 소나, 방음벽과 같은 분야에서 매우 중요하다. 특히 건축 음향은 건축물의 실내 음향 환경을 개선하여 쾌적하고 기능적인 공간을 만드는 데 중요한 역할을 한다.한국의 건축법규는 건축물의 용도와 규모에 따라 흡음 기준을 규정하고 있다. 이러한 기준은 소음 공해를 줄이고, 실내 음향 환경을 개선하여 거주자의 건강과 편안함을 증진하는 것을 목표로 한다. 특히, 공동주택의 경우 층간 소음 문제가 심각하기 때문에, 바닥, 벽, 천장 등에 흡음재를 사용하여 소음을 줄이도록 규정하고 있다. 이러한 노력은 더 나은 주거 환경을 조성하는 데 기여하고 있다.
4. 1. 1. 방음
흡음은 다음과 같은 분야에서 매우 중요하다.4. 1. 2. 실내 음향
흡음은 방음, 음성 녹음 및 재생, 스피커 설계, 음향 전송선, 실내 음향, 건축 음향, 소나, 방음벽과 같은 분야에서 매우 중요하다.4. 2. 음향 기기
흡음은 음성 녹음 및 재생 분야에서 매우 중요하다. 특히 녹음 스튜디오나 방송 시설에서는 음질을 높이기 위해 흡음 기술을 적극적으로 활용한다.스피커 설계에서 흡음은 매우 중요하다. 스피커 디자인, 음향 전송선 등에서 흡음재의 역할은 필수적이다.
4. 2. 1. 녹음 및 재생
흡음은 음성 녹음 및 재생 분야에서 매우 중요하다. 특히 녹음 스튜디오나 방송 시설에서는 음질을 높이기 위해 흡음 기술을 적극적으로 활용한다.4. 2. 2. 스피커 디자인
스피커 설계에서 흡음은 매우 중요하다. 스피커 디자인, 음향 전송선 등에서 흡음재의 역할은 필수적이다.4. 3. 기타 분야
흡음은 다음과 같은 분야에서 매우 중요하다.- 소나 : 수중 음파 탐지기인 소나에서 흡음 기술이 활용된다.
- 무향실 : 무향실은 가능한 많은 소리를 흡수하도록 설계된 방이다. 벽은 반사되는 소리의 일부가 방 안으로 다시 반사되는 대신 다른 배플로 향하도록 배열된 흡음성이 높은 재료를 가진 여러 개의 배플로 구성된다. 이는 무향실에서 반향이 거의 없어 소스 음압 레벨을 측정하고 다양한 실험 및 측정을 수행하는 데 유용하다.
무향실은 여러 가지 이유로 인해 비싸기 때문에 흔하지 않다.
무향실은 외부 영향(예: 비행기, 기차, 자동차, 스노모빌, 엘리베이터, 펌프 등, 즉 무향실 내부의 측정에 간섭할 수 있는 모든 소스)으로부터 격리되어야 하며 물리적으로 커야 한다. 첫 번째, 환경 격리는 대부분의 경우 특수하게 제작되고 거의 항상 튼튼하며 두껍게 제작된 벽, 바닥 및 천장이 필요하다. 이러한 챔버는 종종 더 큰 건물 내에 스프링으로 지지되는 격리된 방으로 건설된다. 캐나다 국립 연구 위원회는 현대적인 무향실을 가지고 있으며, 이러한 내용과 기타 건설 세부 사항을 언급하는 비디오를 웹에 게시했다. 문은 특수 제작되어야 하며, 문에 대한 밀봉은 음향적으로 완벽해야 하고(가장자리 주변에 누출이 없어야 함), 환기(있는 경우)는 신중하게 관리해야 하며, 조명은 조용하게 선택해야 한다.
두 번째 요구 사항은 부분적으로 첫 번째 요구 사항과, 예를 들어 테스트 중인 음원에서 발생하는 방 내부의 잔향을 방지해야 할 필요성에서 비롯된다. 반향을 방지하는 것은 거의 항상 벽, 바닥 및 천장에 흡음성 폼 웨지를 사용하여 수행되며, 낮은 주파수에서 효과적이려면 이러한 웨지가 물리적으로 커야 한다. 흡수해야 할 주파수가 낮을수록 웨지는 더 커야 한다.
따라서 무향실은 흡수재와 격리 체계를 수용하기 위해 커야 하지만, 실험 장치와 테스트 중인 장치를 위한 공간도 허용해야 한다.
4. 3. 1. 소나
수중 음파 탐지기인 소나에서 흡음 기술이 활용된다.4. 3. 2. 무향실
무향실은 가능한 많은 소리를 흡수하도록 설계된 방이다. 벽은 반사되는 소리의 일부가 방 안으로 다시 반사되는 대신 다른 배플로 향하도록 배열된 흡음성이 높은 재료를 가진 여러 개의 배플로 구성된다. 이는 무향실에서 반향이 거의 없어 소스 음압 레벨을 측정하고 다양한 실험 및 측정을 수행하는 데 유용하다.무향실은 여러 가지 이유로 인해 비싸기 때문에 흔하지 않다.
무향실은 외부 영향(예: 비행기, 기차, 자동차, 스노모빌, 엘리베이터, 펌프 등, 즉 무향실 내부의 측정에 간섭할 수 있는 모든 소스)으로부터 격리되어야 하며 물리적으로 커야 한다. 첫 번째, 환경 격리는 대부분의 경우 특수하게 제작되고 거의 항상 튼튼하며 두껍게 제작된 벽, 바닥 및 천장이 필요하다. 이러한 챔버는 종종 더 큰 건물 내에 스프링으로 지지되는 격리된 방으로 건설된다. 캐나다 국립 연구 위원회는 현대적인 무향실을 가지고 있으며, 이러한 내용과 기타 건설 세부 사항을 언급하는 비디오를 웹에 게시했다. 문은 특수 제작되어야 하며, 문에 대한 밀봉은 음향적으로 완벽해야 하고(가장자리 주변에 누출이 없어야 함), 환기(있는 경우)는 신중하게 관리해야 하며, 조명은 조용하게 선택해야 한다.
두 번째 요구 사항은 부분적으로 첫 번째 요구 사항과, 예를 들어 테스트 중인 음원에서 발생하는 방 내부의 잔향을 방지해야 할 필요성에서 비롯된다. 반향을 방지하는 것은 거의 항상 벽, 바닥 및 천장에 흡음성 폼 웨지를 사용하여 수행되며, 낮은 주파수에서 효과적이려면 이러한 웨지가 물리적으로 커야 한다. 흡수해야 할 주파수가 낮을수록 웨지는 더 커야 한다.
따라서 무향실은 흡수재와 격리 체계를 수용하기 위해 커야 하지만, 실험 장치와 테스트 중인 장치를 위한 공간도 허용해야 한다.
참조
[1]
서적
Acoustic Absorbers and Diffusers: Theory, Design and Applicatio
CRC Press
2009
[2]
웹사이트
Refraction of Sound
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2013-02-20
[3]
웹사이트
Acoustics absorption and sound insulation
https://www.zoomit.i[...]
zoomito
[4]
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Sound Absorption Coefficient
http://hyperphysics.[...]
[5]
서적
Good vibrations : the physics of music
https://books.google[...]
Johns Hopkins University Press
2009-12-15
[6]
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Acoustic Absorbers and Diffusers: Theory, Design and Applicatio
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2009
[7]
웹인용
Refraction of Sound
https://web.archive.[...]
2013-02-20
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