Қуыстағы ауа резонансы – Гельмгольц резонансы, дыбыс, физика, инженерлік салаларда маңызды. Қуыс пен мойыннан тұратын бұл құбылыс дыбыстық тербелістерді тудырады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қуыстағы ауа резонансы құбылысы
Phenomenon of air resonance in a cavity
Гельмгольц резонансы, сондай-ақ желдің дірілі деп те аталады, – қуыста ауаның резонанс құбылысына қатысты, және бұл әсер неміс физигі Герман фон Гельмгольцтің есімімен аталған. Бұл типтегі резонанс ауа қуысқа сорылып, одан шығарылғанда пайда болады, нәтижесінде қуыстағы ауа белгілі бір табиғи жиілікте дірілдейді. Бұл принцип күнделікті өмірде кеңінен кездеседі, әсіресе бөтелкенің аузынан үрлегенде естілетін резонанстық дыбыс осыған дәлел. Гельмгольц резонансы тұжырымдамасы акустика, инженерия және физика сияқты түрлі салаларда маңызды рөл атқарады. Гельмгольц резонаторы деп аталатын резонатордың өзі екі негізгі бөліктен тұрады: қуыс және мойын. Бұл компоненттердің мөлшері мен пішіні резонанстық жиілікті анықтауда шешуші роль атқарады, яғни жүйе табиғи түрде дірілдейтін жиілік. Акустика саласында Гельмгольц резонансы музыкалық аспаптарды жобалауда, сәулеттік акустикада және дыбыс инженериясында маңызды қолданысқа ие. Сонымен қатар, ол автомобиль өнеркәсібінде шуды азайту және эгзостық жүйелерді жобалау үшін де пайдаланылады. Негізгі принцип резонатордың мойнындағы ауа массасының діріліне негізделген, ол серіппедегі масса сияқты әрекет етеді. Ауа ағыны сияқты сыртқы күштер осы ауа массасын бұзғанда, ол дірілдеп, қуыстағы ауаның резонансқа келуіне себеп болады. Бұл құбылыс өткір және жоғары амплитудалы резонанстық қисықпен сипатталады, бұл оны акустикалық резонанстың басқа түрлерінен ерекшелендіреді. 19-шы ғасырда тұжырымдалғаннан бері Гельмгольц резонансы зерттеулер мен қолданулардың тақырыбы болып қала береді, қарапайым физикалық жүйелер мен күрделі діріл құбылыстары арасындағы байланысты көрсетеді.
Helmholtz resonance, also known as wind throb, refers to the phenomenon of air resonance in a cavity, an effect named after the German physicist Hermann von Helmholtz. This type of resonance occurs when air is forced in and out of a cavity, causing the air inside to vibrate at a specific natural frequency. The principle is widely observable in everyday life, notably when blowing across the top of a bottle, resulting in a resonant tone. The concept of Helmholtz resonance is fundamental in various fields, including acoustics, engineering, and physics. The resonator itself, termed a Helmholtz resonator, consists of two key components: a cavity and a neck. The size and shape of these components are crucial in determining the resonant frequency, which is the frequency at which the system naturally oscillates. In the context of acoustics, Helmholtz resonance is instrumental in the design and analysis of musical instruments, architectural acoustics, and sound engineering. It is also utilized in automotive engineering for noise reduction and in designing exhaust systems. The underlying principle involves the vibration of the air mass in the neck of the resonator, acting analogously to a mass on a spring. When external forces, such as airflow, disturb this air mass, it oscillates and causes the air within the cavity to resonate. This phenomenon is characterized by its sharp and high amplitude resonance curve, making it distinct from other types of acoustic resonance. Since its conceptualization in the 19th century, Helmholtz resonance has continued to be a subject of study and application, illustrating the interplay between simple physical systems and complex vibrational phenomena.
Тарих
Гельмгольц өзінің 1862 жылғы «Тондардың сезімдері» атты кітабында күрделі дыбыстан белгілі бір жиілікті бөліп алуға қабілетті құралды сипаттады. Қазір Гельмгольц резонаторы деп аталатын бұл құрал, белгілі көлемді, шар тәрізді пішінді, кішкентай мойны мен бір жағындағы тесігі және дыбысты шығаратын үлкен тесігі бар қатты ыдыстан тұрады. Резонатордың «тілігі» құлаққа орналастырылғанда, күрделі дыбыстың нақты бір жиілігі анық естіледі. Гельмгольц кітабында былай түсіндіреді: «Резонаторды құлаққа тигізгенде, қоршаған ауадағы көптеген дыбыстар әлсірейді; бірақ резонатордың сәйкес тоны естілсе, ол құлаққа өте күшті әсер етеді. Резонатордың дұрыс тоны желдің сызылуында, аттың арбасының шуында, су шашырағанда да естілуі мүмкін». Әртүрлі өлшемдегі резонаторлар жиынтығы күрделі дыбыстарды спектрлік талдау үшін дискретті акустикалық сүзгілер ретінде сатылды. Сонымен қатар, екі цилиндрден – бірі екіншісінің ішінде – құралған, көлемін өзгертуге мүмкіндік беретін реттелетін, «әмбебап резонатор» деп аталатын түрі де бар. Осы типтегі резонатордың 14-і механикалық Фурье дыбыс талдағышында қолданылған. Бұл резонатор 1897 жылы Уильям Стерн ойлап тапқан «тондық өзгергіште» ауа ағынымен қоздырылғанда өзгермелі жиілікті дыбыс шығара алады. Ауа қуысқа енгенде, ішіндегі қысым артады. Сыртқы күш тоқтатылғанда, ішіндегі жоғары қысымды ауа сыртқа ағып шығады. Ауаның инерциясы салдарынан қуыстағы қысым сыртқы қысымнан сәл төмендейді, соның нәтижесінде ауа қайтадан сорылады. Бұл процесс қайталанады, дыбыс басталғанда және тоқтағанда қысым тербелісінің амплитудасы асимптотикалық түрде өседі және төмендейді. Порт (камераның мойны) құлаққа орналастырылып, тәжірибешіге дыбысты естіп, оның күшін анықтауға мүмкіндік береді. Камерадағы ауаның резонанстық массасы үлкенірек және мойны жоқ екінші тесіктен қозғалады. Гастроподтың қабықшасы төмен Q коэффициентімен Гельмгольц резонаторын құрап, көптеген жиіліктерді күшейтеді, нәтижесінде «теңіздің шуы» пайда болады. «Гельмгольц резонаторы» термині қазір ауа үрлеу арқылы дыбыс шығаратын бөтелкелерді де қамтиды. Мұндай жағдайда бөтелке мойнының ұзындығы мен диаметрі де резонанстық жиілікке және оның Q коэффициентіне әсер етеді. Бір анықтама бойынша, Гельмгольц резонаторы қоршаған ауадан дыбыс толқындарынан энергия алып, камерадағы жабық ауаның тербелістік қозғалысының амплитудасын арттырады. Екінші анықтама бойынша, дыбыс толқындары жабық ауа көлемінің ашық бетінен ағып өтетін біркелкі ауа ағыны арқылы пайда болады.
Helmholtz described in his 1862 book On the Sensations of Tone an apparatus able to pick out specific frequencies from a complex sound. The Helmholtz resonator, as it is now called, consists of a rigid container of a known volume, nearly spherical in shape, with a small neck and hole in one end and a larger hole in the other end to emit the sound. When the resonator's 'nipple' is placed inside one's ear, a specific frequency of the complex sound can be picked out and heard clearly. In his book Helmholtz explains: When we "apply a resonator to the ear, most of the tones produced in the surrounding air will be considerably damped; but if the proper tone of the resonator is sounded, it brays into the ear most powerfully The proper tone of the resonator may even be sometimes heard cropping up in the whistling of the wind, the rattling of carriage wheels, the splashing of water." A set of varied size resonators was sold to be used as discrete acoustic filters for the spectral analysis of complex sounds. There is also an adjustable type, called a universal resonator, which consists of two cylinders, one inside the other, which can slide in or out to change the volume of the cavity over a continuous range. An array of 14 of this type of resonator has been employed in a mechanical Fourier sound analyzer. This resonator can also emit a variable frequency tone when driven by a stream of air in the "tone variator" invented by William Stern, 1897. When air is forced into a cavity, the pressure inside increases. When the external force pushing the air into the cavity is removed, the higher pressure air inside will flow out. Due to the inertia of the moving air the cavity will be left at a pressure slightly lower than the outside, causing air to be drawn back in. This process repeats, with the magnitude of the pressure oscillations increasing and decreasing asymptotically after the sound starts and stops. The port (the neck of the chamber) is placed in the ear, allowing the experimenter to hear the sound and to determine its loudness. The resonant mass of air in the chamber is set in motion through the second hole, which is larger and doesn't have a neck. A gastropod seashell can form a Helmholtz resonator with low Q factor, amplifying many frequencies, resulting in the "sounds of the sea". The term Helmholtz resonator is now more generally applied to include bottles from which sound is generated by blowing air across the mouth of the bottle. In this case the length and diameter of the bottle neck also contribute to the resonance frequency and its Q factor. By one definition a Helmholtz resonator augments the amplitude of the vibratory motion of the enclosed air in a chamber by taking energy from sound waves passing in the surrounding air. In the other definition the sound waves are generated by a uniform stream of air flowing across the open top of an enclosed volume of air.
Автомобильдік
Гельмгольц резонансы кейде бір автокөлік терезесінің сәл ашық болуынан өте қатты дыбыс пайда болғанда туындайды, бұл жақтағы терезелердің дірілдеуі немесе желдің соғуы деп те аталады. Гельмгольц резонансы ішкі жану қозғалтқыштарында, субвуферлерде және акустикада қолданылады. "Helmholtz Systems" деп сипатталатын сорғы жүйелері Chrysler V10 қозғалтқышында, Dodge Viper және Ram пикап машиналарында, сондай-ақ бірнеше Buell түтікшелі рамалы мотоциклдер сериясында қолданылған. Гельмгольц резонаторларының теориясы мотоциклдер мен автомобильдердің эгзостық жүйелерінде дыбысты өзгерту үшін және эгзостқа қосымша камералар арқылы қуат беруді өзгерту үшін қолданылады. Эгзост резонаторлары қозғалтқыштың ықтимал қатты шуын азайту үшін де қолданылады, мұнда резонатордың шағылысқан толқындары эгзост дыбысының белгілі бір жиіліктерін жоюға көмектесетіндей етіп өлшемдер есептеледі. Кейбір екі тактілі қозғалтқыштарда қамыс клапанының қажеттілігін жою үшін Гельмгольц резонаторы қолданылады. Ұқсас әсер екі тактілі қозғалтқыштардың көпшілігінің эгзостық жүйесінде де қолданылады, цилиндрді үрлеу үшін кері қайтарылған қысым импульсі пайдаланылады. 2010 жылдардың басында Формула-1 командаларының кейбіреулері өз машиналарынның эгзостық жүйелерінде Гельмгольц резонаторларын қолданып, диффузорлардың шеттерін жабыстыру үшін қолданылатын газдар ағынын тегістеуге көмектесті.
Helmholtz resonance sometimes occurs when a slightly open single car window makes a very loud sound, also called side window buffeting or wind throb. Helmholtz resonance finds application in internal combustion engines , subwoofers and acoustics. Intake systems described as 'Helmholtz Systems' have been used in the Chrysler V10 engine built for both the Dodge Viper and the Ram pickup truck, and several of the Buell tube frame series of motorcycles. The theory of Helmholtz resonators is used in motorcycle and car exhausts to alter the sound of the exhaust note and for differences in power delivery by adding chambers to the exhaust. Exhaust resonators are also used to reduce potentially loud engine noise where the dimensions are calculated so that the waves reflected by the resonator help cancel out certain frequencies of sound in the exhaust. In some two stroke engines, a Helmholtz resonator is used to remove the need for a reed valve. A similar effect is also used in the exhaust system of most two stroke engines, using a reflected pressure pulse to supercharge the cylinder
During the early 2010s, some Formula 1 teams used Helmholtz resonators in their cars' exhaust systems to help even out the flow of gasses that were being used to seal the edges of their diffusers as part of their exhaust blow diffuser systems.
Сәулет
Б.з.б. 1 ғасырдағы римдік сәулетші Витрувий классикалық театр дизайнында қола немесе қыштан жасалған резонаторлардың қолданылуын сипаттады. Гельмгольц резонаторлары сәулет акустикасында жағымсыз төмен жиілікті дыбыстарды (тұрақты толқындар сияқты) азайту үшін қолданылады, бұл үшін проблемалық жиілікке сәйкес резонатор жасалып, осылайша олар жойылады.
Vitruvius, a 1st century B. C. Roman architect, described the use of bronze or pottery resonators in classical theater design. Helmholtz resonators are used in architectural acoustics to reduce undesirable low frequency sounds (standing waves, etc.) by building a resonator tuned to the problem frequency, thereby eliminating it.
Музыка (құралдар және күшейткіш)
Барлық кыллы аспаптарда, венадан немесе ситарадан бастап қазіргі заманғы гитара мен скрипкаға дейін, аспаптың реакция қисығы резонанс қуысының мөлшері мен пішініне байланысты Гельмгольц резонанс режимдерінен тұрады (негізгі қуыс режимінің гармоникалары), сондай-ақ резонанс қуысы материалының (әдетте ағаш) сіңіруінен туындаған тербелістің өшуінен тұрады. Окарина – бұл Гельмгольц резонаторы, онда ашық саусақ тесіктерінің жалпы ауданы аспаптың қандай нотаны ойнайтынын анықтайды. Батыс Африка джембесі кішкентай мойын бөлігі бар Гельмгольц резонаторына ұқсас, бұл оған терең бас дыбысын береді, бірақ оның керілген терісі қуысқа тығыз байланысқандықтан, оны күрделірек және музыкалық тұрғыдан қызықты резонанстық жүйеге айналдырады. Ол мыңдаған жылдар бойы қолданылып келеді. Керісінше, адам аузы, егер ол жақ арфасымен, шопан сыбызғысымен, мұрын сыбызғысымен қолданылса, тиімді Гельмгольц резонаторы болып табылады. Мұрын ауаны ашық мұрын тесігі арқылы ауа арнасына және ашық ауызға жақын жиекке үрлейді, бұл резонаторды жасайды. Ауыз қуысының көлемі мен пішіні дыбыстың биіктігін арттырады. Гельмгольц резонансы бас рефлекстік динамиктер корпустарында да қолданылады, корпустың ішіндегі ауа массасы мен порттағы ауа массасының серпімділігі Гельмгольц резонаторын құрайды. Гельмгольц резонаторының резонанстық жиілігін динамиктің қолданылатын жиілік диапазонының төменгі шегіне келтіру арқылы динамиктің төмен жиілікті өнімділігі жақсартылады.
In all stringed instruments, from the veena or sitar to the modern guitar and violin, the response curve of the instrument consists of a series of Helmholtz resonance modes associated with the size and shape of the resonance cavity (harmonics of the fundamental cavity mode), as well as vibration damping from absorption by the resonance cavity material (typically wood). An ocarina is essentially a Helmholtz resonator where the combined area of the opened finger holes determines the note played by the instrument. The West African djembe is related to a Helmholtz resonator with a small neck area, giving it a deep bass tone, but its stretched skin, strongly coupled to the cavity makes it a more complex, and musically interesting, resonant system. It has been in use for thousands of years. Conversely, the human mouth is effectively a Helmholtz resonator when it is used in conjunction with a jaw harp, shepherd's whistle, nose whistle, nose flute. The nose blows air through an open nosepiece, into an air duct, and across an edge adjacent to the open mouth, creating the resonator. The volume and shape of the mouth cavity augments the pitch of the tone. Helmholtz resonance is also used in bass reflex speaker enclosures, with the compliance of the air mass inside the enclosure and the mass of air in the port forming a Helmholtz resonator. By tuning the resonant frequency of the Helmholtz resonator to the lower end of the loudspeaker's usable frequency range, the speaker's low frequency performance is improved.
Басқа
Гельмгольц резонансы – пьезоэлектрлік дыбыс шығару құрылымдарының жұмыс істеу принципінің бірі: пьезоэлектрлік диск қоздырушы көз ретінде қызмет етеді, бірақ естілетін дыбыс тудыру үшін акустикалық қуыстың резонансына тәуелді болады.
Helmholtz resonance is one of the principles behind the way piezoelectric buzzers work: a piezoelectric disc acts as the excitation source, but it relies on the acoustic cavity resonance to produce an audible sound.