정밀한 음향 시스템 설계를 위해서는 구조 진동과 음향 방사의 상호작용을 정확히 이해하고 예측하는 것이 필수적입니다. 스피커폰이나 배열 스피커와 같은 오디오 장치의 경우, 설계 형상과 재료, 구동 조건에 따라 소리의 전달 특성이 크게 달라지므로, 실험만으로는 한계가 존재합니다. 이에 따라 수치 해석 기반의 설계 접근은 성능 확보와 설계 효율성 모두를 만족시킬 수 있는 중요한 해법으로 주목받고 있습니다.

  본 연구실은 다양한 음향 시스템을 대상으로 수치 해석 기반의 성능 예측 기법을 개발하고 있습니다. 구조-음향 연성 해석을 통해 방사 음압, 공진 모드, 지향성 특성 등을 정량적으로 분석하며, 유한요소법(FEM)과 집중 모델(Lumped Parameter Model)을 병행하여 해석 정확도와 계산 효율의 균형을 추구합니다. 또한, HATS(Head and Torso Simulator)와 음향 챔버를 활용한 시뮬레이션을 통해 실제 청취 환경에 가까운 예측이 가능하도록 하고 있습니다.

  이러한 수치 해석 기반 접근은 설계 초기 단계에서 성능을 정량적으로 평가하고, 제품 개발 과정에서 최적의 구조를 도출하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 우리 연구실은 앞으로도 시뮬레이션을 중심으로 한 음향 시스템 설계 기술을 고도화하고, 이를 다양한 산업 분야에 적용 가능한 실용 기술로 확장해 나갈 계획입니다.

 효율적인 음향 및 진동 제어를 위해서는 구조와 음향의 상호작용을 고려한 지능적 설계 방법이 필요합니다. 전통적인 설계 방식은 주로 경험적 지식이나 반복적인 시제품 제작에 의존하였기 때문에, 복잡한 음향-진동 시스템의 다중 성능 지표를 동시에 만족 시키는 데 한계가 있었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 최근에는 위상 최적화와 형상 최적화를 활용한 체계적 설계 방법론이 적극적으로 연구되고 있습니다. 

 형상 최적화(Shape Optimization) 는 구조물의 곡면 형상이나 두께 분포를 조정하여 음향 성능을 개선하는 기법입니다. 예를 들어, 음향 렌즈의 곡면을 최적화하여 파동 집속을 강화하거나, 판 구조물의 두께 분포를 조절해 특정 주파수에서 전달손실(Transmission Loss, STL)을 극대화할 수 있습니다. 이러한 방법은 비교적 직관적이고 구현이 용이하다는 장점이 있습니다. 

  위상 최적화(Topology Optimization) 는 설계 영역 내의 재료 분포 자체를 결정하는 방법으로, 기존 형상의 제약을 넘어서는 새로운 설계 개념을 제공합니다. 음향 지향성 지수(Directivity Index)를 일정하게 유지하기 위한 구조 설계, 구조-음향 연성(acoustic-structure interaction) 문제의 해석, 그리고 유한요소 기반의 경계 음향 문제 최적화 등 다양한 사례에 위상 최적화를 적용하였습니다. 

최적 설계는 음향 및 진동 문제 해결을 위한 강력한 도구로서, 단순한 성능 향상을 넘어 새로운 구조와 설계 개념을 창출할 수 있습니다. 이러한 방법론은 스피커, 자동차, 건축 음향 등 다양한 산업 분야에서 실질적인 응용 가능성을 지니며, 향후 실험적 검증과 제품 개발 과정에서 핵심적인 역할을 담당할 것입니다. 

  기존의 방음·방진 소재는 단순한 흡음 또는 차음 메커니즘에 의존하기 때문에 구조적으로 무겁고, 저주파 영역에 대한 제어 성능이 제한적이라는 한계가 있습니다. 이를 효과적으로 차단하기 위해서는 재료의 두께나 밀도를 증가시켜야 하지만, 경량화가 중요한 현대 구조물에 적용하기 어렵습니다.

  이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 주목받는 것이 바로 메타물질(Metamaterial)입니다. 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하도록 인공적으로 설계된 복합 구조체로, 그 물성은 화학적 조성이 아닌 기하학적 구조와 배열에 의해 결정됩니다. 특히, 단위 셀(Unit Cell) 기반의 구조 설계를 통해 기존 소재로는 구현하기 어려운 서브파장(Subwavelength) 스케일에서의 파동 제어가 가능하며, 특정 주파수 대역의 소음과 진동을 선택적으로 차단할 수 있습니다. 이로 인해, 가볍고 얇은 구조에서도 뛰어난 방음·방진 성능을 발휘할 수 있습니다.

  이처럼 메타물질은 기존 소재의 물리적 한계를 뛰어넘는 혁신적인 파동 제어 기술로 주목받고 있으며, 우리 연구실은 이를 진동 및 소음 저감을 위한 실용 기술로 발전시키기 위한 연구를 활발히 수행 중입니다.