Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Латунный сферический резонатор Гельмгольца по его оригинальной конструкции, примерно 1890-1900 гг.

Резонанс Гельмгольца или пульсация ветра - это явление резонанса воздуха в полости, например, когда дуют через верхнюю часть пустой бутылки. Название происходит от устройства, созданного в 1850-х годах Германом фон Гельмгольцем , резонатора Гельмгольца , который он использовал для определения различных частот или музыкальных нот, присутствующих в музыке и других сложных звуках. [1]

Резонаторы Гельмгольца также используются для подавления резонанса. Если резонатор настроен на антирезонанс на определенной частоте, тогда внешняя резонансная частота может быть подавлена.

История [ править ]

Подборка резонаторов Гельмгольца 1870 года в Хантерианском музее и художественной галерее в Глазго .

Гельмгольц описал в своей книге 1862 года « Об ощущениях тона» устройство, способное выделять определенные частоты из сложного звука . Резонатор Гельмгольца , как его теперь называют, состоит из жесткого контейнера известного объема, почти сферической формы, с небольшой горловиной и отверстием на одном конце и большим отверстием на другом конце для излучения звука.

Когда «сосок» резонатора помещается в ухо, можно четко выделить и четко услышать определенную частоту сложного звука. В своей книге Гельмгольц объясняет: «Когда мы« прикладываем резонатор к уху, большая часть тонов, производимых в окружающем воздухе, будет значительно приглушена; но если звучит правильный тон резонатора, он наиболее сильно проникает в ухо ... » «Правильный тон резонатора иногда можно услышать даже в свисте ветра, грохоте колес тележки, плескании воды».

Был продан набор резонаторов разного размера для использования в качестве дискретных акустических фильтров для спектрального анализа сложных звуков. Существует также регулируемый тип, называемый универсальным резонатором, который состоит из двух цилиндров , один внутри другого, которые могут выдвигаться или выдвигаться для изменения объема полости в непрерывном диапазоне. Матрица из 14 резонаторов этого типа была использована в механическом анализаторе звука Фурье . Этот резонатор также может излучать тон переменной частоты, когда он приводится в движение потоком воздуха в «вариаторе тона», изобретенном Уильямом Стерном в 1897 году [2].

Когда воздух нагнетается в полость, давление внутри увеличивается. Когда внешняя сила, толкающая воздух в полость, устранена, воздух под более высоким давлением внутри выйдет наружу. Из-за инерции движущегося воздуха в полости останется давление, немного меньшее, чем снаружи, в результате чего воздух будет втянут обратно. Этот процесс повторяется, причем величина колебаний давления увеличивается и уменьшается асимптотически после начала звука и останавливается.

Порт (горлышко камеры) помещается во внешний проход уха, позволяя экспериментатору слышать звук и определять его громкость. Резонансная масса воздуха в камере приводится в движение через второе отверстие, которое больше и не имеет горловины.

Брюхоногая ракушка может образовать резонатор Гельмгольца с низким коэффициентом Q , усиливая много частот, в результате чего «звуков моря».

Термин «резонатор Гельмгольца» теперь более широко применяется для обозначения бутылок, звук из которых генерируется путем продувания воздуха через горловину бутылки. В этом случае длина и диаметр горлышка бутылки также влияют на резонансную частоту и ее добротность .

Согласно одному определению, резонатор Гельмгольца увеличивает амплитуду колебательного движения замкнутого воздуха в камере, забирая энергию из звуковых волн, проходящих в окружающем воздухе. В другом определении звуковые волны генерируются равномерным потоком воздуха, протекающим через открытую вершину замкнутого объема воздуха.

Количественное объяснение [ править ]

Можно показать [3], что резонансная угловая частота определяется выражением:

( рад / с),

куда:

  • (гамма) - индекс адиабаты или отношение удельных теплоемкостей. Это значение обычно составляет 1,4 для воздуха и двухатомных газов .
  • площадь поперечного сечения шеи;
  • масса в области шеи;
  • - статическое давление в полости;
  • - статический объем полости.

Для цилиндрических или прямоугольных горловин имеем

,

куда:

  • - эквивалентная длина горловины с поправкой на концы , которую можно рассчитать как:, где - фактическая длина горловины, - гидравлический диаметр горловины; [4]
  • объем воздуха в шее,

таким образом:

.

Из определения плотности массы ( ): .

Скорость звука в газе определяется по формуле:

,

таким образом, резонансная частота равна:

.

Длина шеи указана в знаменателе, потому что инерция воздуха в шее пропорциональна длине. Объем полости появляется в знаменателе, потому что жесткость пружины воздуха в полости обратно пропорциональна ее объему. [5] Площадь шеи имеет значение по двум причинам. Увеличение площади шеи пропорционально увеличивает инерцию воздуха, но также снижает скорость, с которой воздух устремляется внутрь и наружу.

В зависимости от точной формы отверстия, относительной толщины листа по отношению к размеру отверстия и размера полости эта формула может иметь ограничения. Более сложные формулы могут быть получены аналитически с аналогичными физическими объяснениями (хотя некоторые различия имеют значение). См. Например книгу Ф. Мечелса. [6] Кроме того, если средний поток через резонатор высок (обычно с числом Маха выше 0,3), необходимо внести некоторые поправки.

Приложения [ править ]

Резонанс Гельмгольца находит применение в двигателях внутреннего сгорания (см. Воздушный короб ), сабвуферах и акустике . Системы впуска, описываемые как «Системы Гельмгольца», использовались в двигателе Chrysler V10, созданном как для Dodge Viper, так и для пикапа Ram, а также в нескольких мотоциклах серии Buell с трубчатой ​​рамой. У струнных инструментов, таких же старых, как вина или ситар, или таких недавних, как гитара и скрипка, резонансная кривая инструмента имеет резонанс Гельмгольца в качестве одного из своих пиков, наряду с другими пиками, возникающими из резонансов вибрации дерева. Окарина [7]по сути, представляет собой резонатор Гельмгольца, в котором общая площадь открытых отверстий для пальцев определяет ноту, которую играет инструмент. [8] Западноафриканский джембе - оригинальный резонатор Гельмгольца с небольшой шейкой, что придает ему глубокий басовый тон. Он использовался тысячи лет. [ необходима цитата ] И наоборот, человеческий рот фактически является резонатором Гельмгольца, когда он используется в сочетании с челюстной арфой , [9] пастушьим свистком , [ необходима цитата ] носовым свистком , носовой флейтой. Нос выдувает воздух через открытый наконечник в воздуховод и через край, прилегающий к открытому рту, создавая резонатор. Объем и форма ротовой полости увеличивают высоту тона. [10]

Теория резонаторов Гельмгольца используется в выхлопных газах мотоциклов и автомобилей для изменения звука выхлопных газов и различий в подаче мощности путем добавления камер к выхлопу. Выхлопные резонаторы также используются для уменьшения потенциально громкого и неприятного шума двигателя, размеры которого рассчитаны таким образом, что отраженные резонатором волны помогают гасить определенные частоты звука в выхлопе.

В некоторых двухтактных двигателях резонатор Гельмгольца используется для устранения необходимости в пластинчатом клапане . Подобный эффект также используется в выхлопной системе большинства двухтактных двигателей, используя отраженный импульс давления для наддува цилиндра (см. Эффект Каденаци ).

Витрувий , римский архитектор I века до н.э., описал использование бронзовых или керамических резонаторов в классическом театральном дизайне. [11]

Резонаторы Гельмгольца используются в архитектурной акустике для уменьшения нежелательных низкочастотных звуков ( стоячие волны и т. Д.) Путем создания резонатора, настроенного на проблемную частоту, тем самым устраняя его.

Резонанс Гельмгольца также используется в корпусах динамиков с фазоинвертором , при условии соответствия массы воздуха внутри корпуса и массы воздуха в порте, образующем резонатор Гельмгольца. Путем настройки резонансной частоты резонатора Гельмгольца на нижний предел используемого частотного диапазона громкоговорителя улучшаются низкочастотные характеристики громкоговорителя.

Резонаторы Гельмгольца также используются для создания акустических лайнеров, например, для снижения шума авиационных двигателей. Эти акустические лайнеры состоят из двух компонентов:

  • простой лист металла (или другого материала), перфорированный с небольшими отверстиями, расположенными в правильном или неправильном порядке; это называется резистивным листом;
  • серия так называемых ячеистых полостей (ямки сотовой формы, но на самом деле имеет значение только их объем).

Такие акустические вкладыши используются в большинстве современных авиационных двигателей. Перфорированный лист обычно виден изнутри или снаружи самолета; соты прямо под ним. Как показано выше, важна толщина перфорированного листа. Иногда бывает два слоя вкладышей; их тогда называют «вкладышами с двумя степенями свободы» (DOF означает «степени свободы»), в отличие от «вкладышами с одной степенью свободы».

Этот эффект также можно использовать для уменьшения сопротивления поверхностного трения крыльев самолета на 40%. [12]

Резонанс Гельмгольца иногда возникает, когда приоткрытое окно одной машины издает очень громкий звук, также называемый тряской бокового стекла или пульсацией ветра. [13]

Резонанс Гельмгольца является одним из принципов работы пьезоэлектрических зуммеров : пьезоэлектрический диск действует как источник возбуждения, но он полагается на резонанс акустической полости для создания слышимого звука. [14]

См. Также [ править ]

  • Акустический резонанс # Резонанс сферы воздуха (вентилируемый) для более детальной акустики (с точки зрения физики)
  • Сосудовая флейта для более детальной акустики (музыкальная перспектива)
  • Резонанс

Заметки [ править ]

  1. ^ Гельмгольц, Герман фон (1885), Об ощущениях тона как физиологической основе теории музыки , Второе английское издание, переведенное Александром Дж. Эллисом. Лондон: Longmans, Green, and Co., стр. 44. Проверено 12 октября 2010 г.
  2. ^ "Резонатор Гельмгольца в Западном Резервном Университете Кейса" . Резонатор Гельмгольца . Проверено 16 февраля +2016 .
  3. ^ "Вывод уравнения для резонансной частоты резонатора Гельмгольца" . lightandmatter.com . Архивировано из оригинального 28 февраля 2017 года.
  4. ^ «Концевая коррекция на устье дымовой трубы» . Йохан Лильенкранц об органах, трубах, подаче воздуха . 30 сентября 2006 . Проверено 29 октября 2018 года .
  5. ^ Грин, Чад А .; Арго IV, Теодор Ф .; Уилсон, Престон С. (2009). «Эксперимент с резонатором Гельмгольца для проекта Listen Up» . Материалы совещаний по акустике. ASA: 025001. дои : 10,1121 / 1,3112687 . Cite journal requires |journal= (help)
  6. ^ Формулы акустики
  7. ^ Для обзора доисторических инструментов типа окарины и лингвистического анализа возможного происхождения слова окарина , ср. Пероно Каччафоко, Франческо. (2019). Доисторический «Маленький гусь»: новая этимология слова «окарина». Летопись Университета Крайовы: Серия Филология, Лингвистика , XLI, 1-2: 356-369, Бумага .
  8. ^ "Физика окарины - Как работают окарины" . ocarinaforest.com. Архивировано из оригинала на 2013-03-14 . Проверено 31 декабря 2012 .
  9. ^ Никольский, Алексей (2020), Masataka, Нобуо, (ред.) « » Арфа Talking еврея «и его связь с гласного Гармонии как парадигма формирующего влияния музыки на язык» , Происхождение языка Revisited , Сингапуре: Springer Сингапур ., стр 217-322, DOI : 10.1007 / 978-981-15-4250-3_8 , ISBN 978-981-15-4249-7, дата обращения 24.08.2020
  10. ^ Ukeheidi (2014-09-21). "Noseflute.org: Физика носовой флейты - I" . Noseflute.org . Проверено 20 ноября 2019 .
  11. ^ Wikisource: Десять книг по архитектуре / Книга V , Глава V: «Звуковые сосуды в театре». (полная текстовая ссылка)
  12. ^ «Крылья, которые покачиваются, могут снизить выбросы самолетов на 20%» . ScienceDaily . 22 мая 2009 года . Проверено 20 ноября 2019 .
  13. ^ Torchinski, Джейсон (21 октября 2013). «Почему приоткрытые окна автомобиля издают такой ужасный звук?» . Ялопник . Проверено 20 ноября 2019 .
  14. ^ Аудио, PUI. «Дизайн камеры Гельмгольца» . PUI Audio . Проверено 29 октября 2018 года .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Oxford Physics Teaching, History Archive, « Приложение 3 - резонаторы Гельмгольца » (архивная фотография)
  • Гиперфизическая акустическая лаборатория
  • Гиперфизический резонанс полости
  • Бутылки для напитков как идея научного проекта резонаторов Гельмгольца для студентов
  • Этот вибрирующий «Wub Wub Wub», который исходит от взлома одного окна автомобиля? Это не только ты!
  • Helmholtz Resonance (веб-сайт по музыкальной акустике)
  • Звуковой синтезатор Гельмгольца на альбоме "120 лет электронной музыки"
  • Пероно Каччафоко, Франческо. (2019). Доисторический «Маленький гусь»: новая этимология слова «окарина». Летопись Университета Крайовы: Серия Филология, Лингвистика , XLI, 1-2: 356-369, Бумага