흡음재(베이스트랩) 종류와 특성, 제작 설계

이번 글은 흡음재(베이스트랩) 종류와 특성에 대해서 공부한 내용을 간단히 정리해 보려 합니다.
흡음재 재료, 종류에 따라 흡음 특성을 집고 넘어간 다음 구글링 하다가 찾아낸 베이스트랩 직접 설계 할 때 쉽게 가지고 놀수 있는 사이트를 소개하려 합니다. 

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링크는 http://www.acousticmodelling.com/   요기 구요,

Acoustic Modelling - Home Page

직접 베이스트랩 종류별 수치를 변화시켜서 어느대역을 흡수하는지 알수 있습니다. 
ㅎㅎㅎㅎ 여기 좀 더 일찍 알았다면....첫 자작품에 약간 결함이 있다는걸 여기서 시뮬해보고 깨달았습니다.ㅎㅎ귀찮지만 다시 뜯어서 고칠까..고민중입니다 ㅠㅠㅠ

아무튼 정리하고자 하는 내용은 다음과 같습니다.
http://www.acousticmodelling.com/ 여기 사이트에서 수치를 변화시켜 가면서 흡수대역이 어떻게 변하는지 알아보도록 하겠습니다.

 

베이스트랩 (흡음) 원리

흡음이란 무엇일까요?
음파에너지를 다른 에너지로 변환 하여 음파에너지를 줄여주는 과정을 말합니다.
다른에너지로 변환되어 흡수 된다라고 표현도 가능합니다.
다른에너지의 종류에는 크게 두가지로

1. 열에너지 (다공성 흡음재)

2. 공명 진동에너지 (헬름홀쯔, 멤브레인 베이스트랩)

나눌수 있을것 같습니다.

 

1. 열에너지 (다공성 흡음재)

열에너지 변환은 이해가 쉬운 편입니다. 음파의 진동(공기의 진동)이 다공성 물질과 만나게 되면 공기마찰에 의해서 음파에너지가 열에너지로 변환됩니다. 이 과정을 통해서 음파가 흡수되게 됩니다. 
공기 마찰에 의해서 흡수가 이루어지기 때문에 전대역 흡수가 가능하다는 장점이 있습니다.

하지만 고주파수대역을 쉽게 흡수하지만 저주파수대역(100hz 이하)을 흡수하려면 상당한 두께가 필요한 단점이 있습니다. 또한 모든 대역을 다 흡수 하기 때문에 잘못 설치하면 전대역 흡수로 인해 소리가 상당히 답답해질 우려가 있습니다.

http://www.acousticmodelling.com/porous.php

사이트에서 다공성흡음재의 두께와 flow resistivty 변화시켜보면 흡음특성이 바뀌는 것을 확인 할 수 있습니다.

흡수률을 나타내는 그래프로 값이 1에 가까울수록 흡수를 잘한다는 의미 입니다.
파란색은 1번 셋팅, 초록색은 2번 세팅입니다.

 

Flow resistivity 차이에 의한 흡수률 차이

 

flow resistivity란 값이 생소 하시죠? 저도 처음에 저 값을 어디서 찾을지... 고민했는데 구글링 하니깐 참고할만한 논문이 있어서 거기 있는 표를 따왔습니다. 표를 보니깐 밀도와 flow resistivity가 거의 일치하는것을 알수 있었습니다.

시중에서 많이 파는 흡음충진재(미네랄울, 폴리에스터) 밀도가 보통 25k~45k 사이입니다.

25k밀도는 flow reisitivity 2500정도, 45k는 5000 근처네요.

 

 

 

 

다공성 흡음재 두께에 따른 흡음률 차이

밀도가 높을수록, 두꺼울수록 흡음률이 높고 저음역 흡수률이 증가하는것을 확인할 수 있었습니다.

 

2. 공명 진동에너지 (헬름홀쯔, 멤브레인 베이스트랩)

공명 진동에너지 변환은 좀 더 다양한 편인데, 크게 헬름홀츠 공명과 판넬의 하모닉 진동을 이용하여 흡음을 유도 합니다. 특정 주파수에 반응하는 공명을 일으켜 목표한 주파수만 흡수 할 수 있는 장점 있지만 정확한 제작이 힘들다는 단점이 있죠.

공명이란 단어를 좀 짚고 넘어가야 하는데, 공명(공진)이란 물체의 모양, 종류에 따라서 특정 진동수에 쉽게 반응하는 현상을 말하고 이러한 특정 진동수를 고유진동수라고 합니다. 물체는 고유진동수에 쉽게 반응하기 때문에 작은 에너지로도(심지어 다른 에너지형태라도) 쉽게 고유진동수 진동이 가능합니다.

종을 생각하시면 편할 겁니다. 종의 모양, 크기, 재질에 따라 종 특유의 고유진동수를 가지게 되는데 종을 물리적인 힘으로 타격하게되면 (타격 진동에너지) 종이 쉽게 진동가능한 고유진동수로 떨게 되고 소리(음파에너지 변환)를 내게 됩니다. 물리적인 타격진동을 특정 주파수를 가진 음파에너지로 변환시켜는 장치가 바로 종입니다.

공명을 사용한 흡음재들은 반대되는 전략을 세운 경우입니다. 
원하는 주파수를 흡수시키기 위해서 해당 주파수를 고유진동수로 가지는 물체를 만든 다음 특정 주파수를 공명시켜 진동에너지로 변화시켜 흡수시키는 전략을 세웁니다.

 

어떤 공명특성을 사용하느냐에 따라 

1. 타공형(헬름홀츠 공명)

2. 멤브레인형(판상흡음재 진동 공명)

으로 나눌 수 있습니다.
저는 멤브레인형에 좀 더 집중해보았습니다.

 

멤브레인형 베이스 트랩 

멤브레인 (판상) 흡음재는 북을 생각하시면 편합니다.
북은 북채로 북면(멤브레인)을 타격하여 밀폐된 내부 공간크기에 따라 공명진동수가 달라지게 됩니다.
똑같은 재질로 만들더라도 작은 북보다, 북의 크기 깊이가 커질 수록 더 웅장한(낮은 저역)의 소리를 내게 되는데 판상 흡음재도 같은 원리입니다. 

진동할수 있는 판막(멤브레인)을 밀폐된 상자구조로 만들게 되면 설계된 고유진동수(공명진동수)에 반응하여 소리를 물체의 진동에너지로 변화 시켜 해당 주파수를 흡수하게 됩니다.

기본적인 구조는 다음과 같습니다.

http://ethanwiner.com/BTPlans.gif

http://ethanwiner.com/acoustics.html

[http://ethanwiner.com/BTPlans.gif], [http://ethanwiner.com/acoustics.html]

 

멤브레인 베이스트랩에서 고려해야 하는 변수는 다음과 같습니다.

1. 멤브레인 판막의 밀도

2. 상자의 깊이

3. 흡음재의 밀도, 두께, 위치

4. 상자 몸체(인클로저)의 두께

5. 멤브레인의 고정방식

 

이중 이론적인 값으로 시뮬레이션으로 계산 가능한 부분은 1,2,3번입니다.
4, 5번 변수는 의도치 않은 흡수대역의 변화를 가져옵니다. 인클로저 두께가 얇으면 통울림으로 인해서 다른 대역 흡수픽이 생기고, 고정방식에 따라 멤브레인이 이상적인 진동과 차이가 나서 흡음 주파수가 변하게 됩니다.

그럼 한번 사이트에서 멤브레인형 흡음재 시뮬레이션을 해보겠습니다.
multi-layer asorber 로 들어갑니다.
http://www.acousticmodelling.com/multi.php

셋팅화면

각 레이어마다 세팅이 가능합니다. 시뮬레이션 한계로 4개 레이어까지 분석 가능합니다.

air 는 공기층,
porous absrbent 는 다공성 흡음충진재(미네랄울, 폴리에스터25k 기준  flow resistivity 대략 2500)
limp membrane 은 진동가능한 판막 (저는 스테인리스 430, 2mm 밀도값 7.6kg/m2 사용)
perforated, slooted panel을 헬름홀쯔 공명판 이므로 여기선 사용하기 않습니다.

 

먼저 흡음재 내부 두께에 따른 흡음진동수 변화를 보겠습니다.
시뮬레이션 프로그램상 흡음재가 있어야 시뮬이 가능하므로, 

1. 흡음재가 별로 없는 (에어갭 55, 흡음재5)

2. 흡음재로 꽉채운 (흡음재 60)

비교를 해보겠습니다.

 

먼저 제가 해본 계산식에 따른 간이 계산입니다.

 

이론상 댐핑재가 상자를 채우게 되면 내부 공기층이 무거워지는 효과가 나타나서 더 낮은 진동수를 흡수할수 있습니다. 시뮬레이션 해보면 그 결과도 비슷합니다. 

 

내부흡음재 두께에 따른 흡음특성

 

시뮬 결과는 흡음재 거의 없을때 87.7hz,  다 채웠을때 78hz 입니다. 

흡음 충진재 밀도영향으로 간이 계산값과는 조금 차이나는 걸로 보입니다. 

하지만 흡음재를 채웟을때 흡음 진동수가 낮아지는 현상은 관찰 가능합니다. 

게다가 흡음재를 꽉 채웠을때 흡음률이 더 올라가네요.

 

흡음재가 얇을때 위치에 따른 흡수률 변화

 

여기까지가 멤브레인형에서 고려해야 하는 변수중

1. 멤브레인 판막의 밀도

2. 상자의 깊이

3. 흡음재의 밀도, 두께, 위치

4. 상자 몸체(인클로저)의 두께

5. 멤브레인의 고정방식

 

1, 2, 3번의 효과를 알아 보았습니다.
요약하자면 상자의 깊이가 깊을수록 흡음재의 두께가 두꺼울수록 저음을 흡수하고, 흡음재의 두께 두꺼울수록 흡수률이 올라갑니다. 흡음재의 두께가 얇을때는 뒷면에 공기층이 있는 경우 흡수률이 올라갑니다.

 

멤브레인 흡음재를 얇게 만들면서도 저음을 효과적으로 흡수하려면

1. 멤브레인 판막의 밀도가 높아야 하고

2. 흡음재를 꽉채운 상태에서 (살짝 윗부분 여유는 남기고) 만들면 됩니다.

 

 4번 인클로저 두께에 따른 효과는.... 자료 있었는데 날렸네요... 나중에 자료 추가하겠습니다.
5번 멤브레인 고정방식은 측정자료는 못찾았지만 참고할만한 내용들은 인터넷에 많았습니다.

1. 못질

2. impaler 사용

3. 반고정형

 

3번 반고정형이 재미있는데 다음에는 반고정형으로 한번 제작해볼 예정입니다 ㅎㅎ
primacoustic gotrap이라는 제품이 반고정형으로 제작되네요.

유투브와 홈페이지를 참고하면 간략 설계도면과 구조를 대략 알수 있었습니다.

 

 

음....제가 이쪽을 잘 몰라서 유명한 회사인지는 잘 모르겠는데 그래도 회사에서 전문가가 최적의 구조로 만들었으리라고 믿습니다 ㅎㅎㅎ 다음에는 70hz 대역을 저렇게 반고정형으로 멤브레인을 만들고 내부는 흡음재로 가득채워서 만들 예정입니다 ㅎㅎ;

어떻게 하다보니 삘받아서 여기까지 왔네요... 다음 제작기는 아마 이사하고나서 이지않을까 싶습니다. 
읽어주셔서 감사합니다. 

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참고한 페이지

흡음재의 특성 by 강성훈

http://dogbreath.de/misc/PlaneAbsorberResonance.pdf

https://www.researchgate.net/publication/306108014

http://www.noizup.com/#!Bass-Trap-Myths-베이스-트랩에-대한-오해/c1kod/58beb949f21c550d0effa370

http://ethanwiner.com/basstrap.html

https://www.youtube.com/watch?v=rOEHfjLtWFE

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