소음기_머플러(1)

 

 자동차나 오토바이크의 엔진은 연료의 연소로 동력을 얻기 때문에 강한 폭발음이 발생한다. 엔진의 실린더 내에서 연료개스가 연소 폭발하여 배기밸브로 연소개스가 분출될 때, 고온 고압 상태가 되기 때문에 배기관 끝에서 급격한 부피 팽창으로 강한 폭발음이 발생하게 된다.  총구나 대포의 포신 끝에서도 같은 현상이 발생한다.  

 

 폭발음은 너무 강하기 때문에 소리를 줄이기 위해서 소음기(消音器=muffler=silencer)를 장착한다. 총이나 대포의 소음기는 총구, 포구에 장착하지만 자동차의 경우는 배기관 중간 위치에 달아서 사용한다. 그림 1에서 보는 바와같이 소음기는 참으로 다양하다. 속을 볼 수 없어서 그렇지 아마도 소음기도 다양성에서는 결코 무엇과도 비교될 수 없을 정도일 것이다. 배기 폭발음의 차별화로 상품가치를 높이는 Harley-Davidson bike만 보아도 알 수 있다. 아무튼 오토바이크는 소음기를 장착했음에도 엔진 폭발음이 큰데 이는 소음기의 기능이 나빠서 그런 것은 아니고 상술에 의한 것이다. 오토바이크의 앤진소음이 작으면 팔리지 않을까 두려운 나머지 소리를 크게 나도록하는 소음기를 달아서 판매하고 있는 것이다. 반면에 스쿠터형은 소음기가 제 기능을 발휘하도록 만든다. 

              

                                  그림1. 다양한 머플러(from toyota.com.au, flowmastermufflers.com)

 

 머플러의 원리는 간단하다.  머플러는 배기관 중간에서 일차 폭발을 유도하여 배기관 끝단에서 발생하는 배기개스의 급격한 팽창을 완화시키는 장치이다. 즉, 그림1에서 보는 바와같이 배기관보다 단면적이 큰 금속튜브를 배기관 중간에 달음으로써 일차 팽창으로 배기개스의 압력을 떨어뜨려 최종 폭발음을 약화시키는 원리가 소음기의 기본원리라고 할 수 있다. 그러므로 머플러는 단순히 단면적이 큰 금속튜브로 볼 수 있다. 근래에는 연소개스나 산화에 대한 내구성을 감안하여 소위 스덴(stainless steel=SUS)으로 머플러를 만든다.   

 

 

                                                       그림 2. 기본 소음기 (muffler)

 

 머플러의 기본구조를 그림2에 주었다. 그림1에 주어진 머플러는 내부 구조가 복잡한데 이는 머플러 내부의 공간변화를 통하여 배기개스의 팽창폭발을 다단계로 일어나도록 설계하거나 배기관의 길이를 증가시키면서 폭발을 여러번 일어나도록 설계하여 제작하기 때문이다. 아무튼 머플러가 소리의 세기를 어느정도 약화 시키는지, 또 어떤 물리량의 영향을 받는지는 음향학적으로 해석 가능하다.  

 

 그림2와 같이 기본 머플러가 주어져 있을 때 소리파동에 대한 전달 및 반사 관계를 설정하여 소위 전달 손실(Transmission loss)을 구할 수 있다.  소리의 전달 손실()은 다음 식과 같이 주어지며, 단위는 dB이다.

 

                                            

 

 이 식에서 c는 음속이며, 는 각주파수(angular frequency)이다. 이 식이 흥미로운점은 머플러의 길이 L은 sine함수의 제곱관계로 소리의 전달손실에 기여한다는 점이고 그 외에 배기튜브의 단면적(A1)과 머플러의 단면적(A2)의 비(比)에만 의존한다는 사실이다. 

 

 그림3에 실제로 측정한 전달손실값과 전달손실 수식으로부터 계산된 이론값을 주었다. 그림3에서 각 점은 실측치를 준 것이고 실선은 이론값을 그린 것으로 서로 잘 일치함을 확인 할 수 있다.  

 

 

                                       그림 3. 기본 머플러의 단면적 비에 대한 전달손실

 

 그림3에서 보면, 배기관의 단면적(A1)에 대한 머플러의 단면적(A2)의 비값이 클수록 전달손실이 크게 나타남으로써 머플러의 단면적을 크게 할수록 더 효과적임을 알 수 있다. 실제로 비값이 4정도일 경우는 10dB 손실되지만 비값이 64인 경우는 손실이 30dB이 된다. 그런데 최대 손실이 발생하는 최소 주파수는 빨간 선으로 표시한 위치로써 140Hz로 서로 같다. 이는 머플러의 길이가 60cm로 동일하게 고정하여 실측했기 때문이다. 또, 이 최대 손실위치가 140Hz의 홀수배로 반복되는 것은 길이 L인 머플러가 마치 폐관(참조-금관악기의 원리)의 공진처럼 작동한다는 의미가 된다. 대신 파란선으로 표시한 부분의 주파수에서는 머플러의 소음(消音)효과는 거의 제로이다. 그러므로 머플러의 길이를 선정할 경우에는 엔진의 폭발음이 가장 강한 주파수성분을 주로 감쇄시키도록  설계해야 한다.

 

 이로써 머플러의 전달손실에 관여하는 물리적 인자는 배기관과 머플러의 단면적의 비와 머플러의 길이가 됨을 확인 하였다. 실제로 머플러의 양끝을 직각[그림3]으로하던지 아니면 경사지거나 둥그스럼하게 하던지 양끝의 모양과는 관계가 없다. 그러나 머플러의 구조적인 전달손실보다 더 많은 소음(消音)효과를 보기 위해, 고온에 견디면서 흡음효과가 있는 Stainless steel wool이나 Ceramic fiber를 머플러 일부에 채워 넣기도 한다. 

 

 

 

                     --------------------- by  Dajaehun