Резонанс Гельмгольца: явление и применение

Введение

Феномен воздушного резонанса в полости

Резонанс Гельмгольца, также известный как пульсация воздуха, относится к явлению воздушного резонанса в полости, эффект, названный в честь немецкого физика Германна фон Гельмгольца. Этот тип резонанса возникает, когда воздух нагнетается и выводится из полости, заставляя воздух внутри вибрировать на определенной собственной частоте. Этот принцип широко наблюдается в повседневной жизни, особенно при обдуве горлышка бутылки, что приводит к возникновению резонансного тона. Концепция резонанса Гельмгольца является фундаментальной в различных областях, включая акустику, инженерию и физику. Сам резонатор, называемый резонатором Гельмгольца, состоит из двух ключевых компонентов: полости и горловины. Размер и форма этих компонентов имеют решающее значение для определения резонансной частоты, то есть частоты, на которой система естественным образом колеблется. В контексте акустики, резонанс Гельмгольца играет важную роль в проектировании и анализе музыкальных инструментов, архитектурной акустики и звукотехники. Он также используется в автомобилестроении для снижения шума и при разработке выхлопных систем. Основной принцип заключается в колебании массы воздуха в горловине резонатора, действующей аналогично массе на пружине. Когда внешние силы, такие как поток воздуха, воздействуют на эту массу воздуха, она начинает колебаться и вызывает резонанс воздуха внутри полости. Это явление характеризуется четкой и высокоамплитудной резонансной кривой, что отличает его от других типов акустического резонанса. С момента своей концептуализации в XIX веке, резонанс Гельмгольца продолжает оставаться предметом изучения и применения, иллюстрируя взаимодействие между простыми физическими системами и сложными колебательными явлениями.

История

Гельмгольц описал в своей книге 1862 года «О чувствах тона» аппарат, способный выделять отдельные частоты из сложного звука. Резонатор Гельмгольца, как его теперь называют, состоит из жёсткого контейнера известного объёма, почти сферической формы, с узким горлом и отверстием с одного конца и большим отверстием с другого для излучения звука. Когда «сосок» резонатора помещают в ухо, можно выделить и чётко услышать определённую частоту сложного звука. В своей книге Гельмгольц объясняет: «Когда мы прикладываем резонатор к уху, большинство тонов, производимых в окружающем воздухе, значительно ослабевают; но если звучит соответствующая частота резонатора, она особенно сильно проникает в ухо. Были проданы резонаторы различных размеров, которые использовались как дискретные акустические фильтры для спектрального анализа сложных звуков. Существует также регулируемый тип, называемый универсальным резонатором, который состоит из двух цилиндров, один внутри другого, способных скользить, чтобы изменять объём полости в непрерывном диапазоне. Массив из 14 таких резонаторов был использован в механическом фурье-анализаторе звука. Этот резонатор также может излучать тон переменной частоты при приводе потоком воздуха в «вариаторе тона», изобретённом Уильямом Стерном в 1897 году. Когда воздух нагнетается в полость, давление внутри увеличивается. Когда внешняя сила, толкающая воздух в полость, снимается, воздух с более высоким давлением внутри вытекает наружу. Из-за инерции движущегося воздуха в полости остаётся давление немного ниже внешнего, что приводит к обратному засасыванию воздуха. Этот процесс повторяется, при этом амплитуда колебаний давления возрастает и убывает асимптотически после начала и прекращения звука. Порт (горловина камеры) помещается в ухо, позволяя экспериментатору слышать звук и определять его громкость. Резонирующая масса воздуха в камере приводится в движение через второе, более широкое отверстие, не имеющее горла. Морская раковина может формировать резонатор Гельмгольца с низким коэффициентом добротности, усиливая множество частот и создавая «звуки моря». Термин «резонатор Гельмгольца» теперь применяется в более широком смысле, включая бутылки, из которых звук генерируется путём обдува воздуха через горлышко. В этом случае длина и диаметр горлышка бутылки также влияют на резонансную частоту и коэффициент добротности. Согласно одному из определений, резонатор Гельмгольца увеличивает амплитуду колебательного движения заключённого в камере воздуха, получая энергию от звуковых волн, проходящих в окружающем воздухе. Согласно другому определению, звуковые волны генерируются равномерным потоком воздуха, обтекающим открытый верх замкнутого объёма воздуха.

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.

Автомобильная промышленность

Резонанс Гельмгольца иногда возникает, когда слегка приоткрытое окно автомобиля издает очень громкий звук, также называемый "боковым ударом" или "пульсацией ветра". Резонанс Гельмгольца находит применение в двигателях внутреннего сгорания, сабвуферах и акустике. Системы впуска, описываемые как "системы Гельмгольца", использовались в двигателе Chrysler V10, устанавливаемом как на Dodge Viper, так и на пикап Ram, а также в нескольких сериях мотоциклов Buell с трубчатой рамой. Теория резонаторов Гельмгольца используется в выхлопных системах мотоциклов и автомобилей для изменения звука выхлопа и для изменения характеристик подачи мощности путем добавления камер в выхлопную систему. Выхлопные резонаторы также используются для снижения потенциально громкого шума двигателя, при этом их размеры рассчитываются таким образом, чтобы отраженные резонатором волны гасили определенные частоты звука в выхлопе. В некоторых двухтактных двигателях резонатор Гельмгольца используется для устранения необходимости в лепестковом клапане. Аналогичный эффект также применяется в выхлопной системе большинства двухтактных двигателей, используя отраженный импульс давления для наддува цилиндра. В начале 2010-х годов некоторые команды Формулы-1 использовали резонаторы Гельмгольца в выхлопных системах своих автомобилей для выравнивания потока газов, которые использовались для уплотнения краев диффузоров в рамках системы выдува выхлопных газов.

Архитектура

Витрувий, римский архитектор I века до н. э., описал использование бронзовых или керамических резонаторов в классическом театральном дизайне. Резонаторы Гельмгольца используются в архитектурной акустике для снижения нежелательных низкочастотных звуков (стоячих волн и т. п.), создавая резонатор, настроенный на проблемную частоту, что позволяет их устранить.

Музыка (инструменты и усиление)

Во всех струнных инструментах, от вины или ситары до современной гитары и скрипки, кривая отклика инструмента состоит из серии мод резонанса Гельмгольца, связанных с размером и формой резонансной полости (гармониками основной моды полости), а также с демпфированием вибраций из-за поглощения материалом резонансной полости (обычно деревом). Окарина по сути является резонатором Гельмгольца, где суммарная площадь открытых отверстий для пальцев определяет издаваемую ноту. Западноафриканский джембе связан с резонатором Гельмгольца с небольшим сечением горловины, что придает ему глубокий басовый тон, но его натянутая кожа, тесно связанная с полостью, делает его более сложной и музыкально интересной резонансной системой. Он используется на протяжении тысячелетий. Напротив, человеческий рот эффективно функционирует как резонатор Гельмгольца при использовании с челюстной арфой, пастушеским свистком, носовым свистком или носовой флейтой. Воздух выдувается носом через открытый носовой канал в воздуховод и направляется к краю, прилегающему к открытому рту, формируя резонатор. Объем и форма полости рта усиливают высоту тона. Резонанс Гельмгольца также применяется в корпусах динамиков с фазоинвертором, где податливость массы воздуха внутри корпуса и масса воздуха в порте образуют резонатор Гельмгольца. Настраивая резонансную частоту резонатора Гельмгольца на нижнюю границу полезного частотного диапазона динамика, улучшается его низкочастотная производительность.

Другое

Резонанс Гельмгольца — один из принципов, лежащих в основе работы пьезоэлектрических зуммеров: пьезоэлектрический диск служит источником возбуждения, но для создания слышимого звука он использует резонанс акустической полости.