Резонанс Гельмгольца - Helmholtz resonance

Латунный сферический резонатор Гельмгольца по его оригинальной конструкции, примерно 1890-1900 гг.

Резонанс Гельмгольца или пульсация ветра это явление воздуха резонанс в полости, например, когда дуют через верхнюю часть пустой бутылки. Название происходит от устройства, созданного в 1850-х годах Герман фон Гельмгольц, то Резонатор Гельмгольца, который он использовал для определения различных частоты или музыкальные темы присутствует в Музыка и другие сложные звуки.^[1]

История

Подборка резонаторов Гельмгольца 1870 г., на Хантерианский музей и художественная галерея в Глазго.

Гельмгольц описал в своей книге 1862 г. Об ощущениях тона прибор, способный выделять определенные частоты из комплекса звук. Гельмгольц резонатор, как его теперь называют, состоит из жесткого контейнера известного объема, почти сферического по форме, с небольшой горловиной и отверстием на одном конце и большим отверстием на другом конце для излучения звука.

Когда «сосок» резонатора помещается в ухо, можно 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 затухать; но если звучит правильный тон резонатора, он наиболее сильно проникает в ухо ... ... Правильный тон резонатора иногда можно даже услышать в свисте ветра, грохоте колес экипажа, плескании воды ».

Был продан набор резонаторов различного размера для использования в качестве дискретных акустических фильтров для спектрального анализа сложных звуков. Также существует регулируемый тип, называемый универсальным резонатором, который состоит из двух цилиндры, один внутри другого, которые могут выдвигаться или выдвигаться, чтобы изменять объем полости в непрерывном диапазоне. Группа из 14 резонаторов этого типа использовалась в механической Анализатор 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 инерция 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 того, как звук начинается и прекращается.

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.

А брюхоногие моллюски ракушка может образовывать резонатор Гельмгольца с низким Добротность, усиливая многие частоты, создавая «звуки моря».

Термин «резонатор Гельмгольца» теперь более широко применяется для обозначения бутылок, звук из которых генерируется путем продувания воздухом через горловину бутылки. В этом случае длина и диаметр горлышка бутылки также влияют на резонансная частота и это Добротность.

Согласно одному определению, резонатор Гельмгольца увеличивает амплитуду колебательного движения замкнутого воздуха в камере за счет получения энергии от звуковых волн, проходящих в окружающем воздухе. В другом определении звуковые волны генерируются однородным потоком воздуха, проходящим через открытую верхнюю часть замкнутого объема воздуха.

Количественное объяснение

Смотрите также: Акустический резонанс § Резонанс воздушного шара (вентилируемого)

Это можно показать^[3] что резонансная угловая частота определяется выражением:

${\displaystyle \omega _{H}={\sqrt {\gamma {\frac {A^{2}}{m}}{\frac {P_{0}}{V_{0}}}}}}$ (рад / с),

куда:

• ${\displaystyle \gamma }$ (гамма) это индекс адиабаты или соотношение удельных плавок. Это значение обычно составляет 1,4 для воздуха и двухатомные газы.
• ${\displaystyle A}$ площадь поперечного сечения шеи;
• ${\displaystyle m}$ масса в области шеи;
• ${\displaystyle P_{0}}$ - статическое давление в полости;
• ${\displaystyle V_{0}}$ - статический объем полости.

Для цилиндрических или прямоугольных горловин имеем

${\displaystyle A={\frac {V_{n}}{L_{eq}}}}$,

куда:

• ${\displaystyle L_{eq}}$ эквивалентная длина шеи с конец исправления, который можно рассчитать как:${\displaystyle L_{eq}=L_{n}+0.3D}$, где ${\displaystyle L_{n}}$ это фактическая длина шеи и ${\displaystyle D}$ это гидравлический диаметр шеи;^[4]
• ${\displaystyle V_{n}}$ объем воздуха в шее,

таким образом:

${\displaystyle \omega _{H}={\sqrt {\gamma {\frac {A}{m}}{\frac {V_{n}}{L_{eq}}}{\frac {P_{0}}{V_{0}}}}}}$.

Из определения плотность вещества (${\displaystyle {\rho }}$): ${\displaystyle {\frac {V_{n}}{m}}={\frac {1}{\rho }}}$.

В скорость звука в газе дан кем-то:

${\displaystyle v={\sqrt {\gamma {\frac {P_{0}}{\rho }}}}}$ ,

Таким образом резонансная частота является:

${\displaystyle f_{H}={\frac {v}{2\pi }}{\sqrt {\frac {A}{V_{0}L_{eq}}}}}$.

Длина шеи указана в знаменателе, потому что инерция воздуха в шее пропорциональна длине. Объем полости появляется в знаменателе, потому что жесткость пружины Количество воздуха в полости обратно пропорционально 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

Резонанс Гельмгольца находит применение в двигателях внутреннего сгорания (см. воздушный ящик ), сабвуферы и акустика. Системы впуска, описываемые как «Системы Гельмгольца», использовались в двигателе Chrysler V10, построенном как для Dodge Viper, так и для пикапа Ram, а также в некоторых двигателях. Buell трубно-рамная серия мотоциклов. У струнных инструментов столь же старых, как вина или ситар, или 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. An окарина по сути, представляет собой резонатор Гельмгольца, где общая площадь открытых отверстий для пальцев определяет ноту, которую играет инструмент.^[7] Западноафриканский джембе это оригинальный резонатор Гельмгольца с небольшой зоной шеи, придающей ему глубокий басовый тон. Он использовался тысячи лет.^{[нужна цитата ]}И наоборот, человеческий рот фактически является резонатором Гельмгольца, когда он используется в сочетании с челюстная арфа,^[8] пастуший свисток,^{[нужна цитата ]} свист в носу, носовая флейта. 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.^[9]

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 снижения потенциально громкого и неприятного шума двигателя, размеры которого рассчитаны таким образом, что волны, отраженные резонатором, помогают гасить определенные частоты звука в выхлопе.

В некоторых двухтактные двигатели резонатор Гельмгольца используется для устранения необходимости язычковый клапан. Подобный эффект также используется в выхлопной системе большинства двухтактных двигателей, используя отраженный импульс давления для наддува цилиндра (см. Эффект каденации.)

Витрувий, 1 век до н. э. Римский архитектор описал использование бронзовых или керамических резонаторов в классическом театральном дизайне.^[10]

Резонаторы Гельмгольца используются в архитектурная акустика для уменьшения нежелательных низкочастотных звуков (стоячие волны и т. д.), построив резонатор, настроенный на проблемную частоту, тем самым устранив ее.

Резонанс Гельмгольца также используется в Фазоинвертор корпуса динамиков с соблюдением соответствия массы воздуха внутри корпуса и массы воздуха в порту, образующих резонатор Гельмгольца. Путем настройки резонансной частоты резонатора Гельмгольца на нижнюю границу 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 сопротивление трением кожи на крыльях самолетов на 40%.^[11]

Резонанс Гельмгольца иногда возникает, когда приоткрытое окно одной машины издает очень громкий звук, также называемый тряской бокового стекла или пульсацией ветра.^[12]

Резонанс Гельмгольца - один из принципов, лежащих в основе пьезоэлектрического зуммеры Работа: пьезоэлектрический диск действует как источник возбуждения, но он полагается на резонанс акустической полости для создания слышимого звука.^[13]

Смотрите также

• Акустический резонанс # Резонанс воздушного шара (вентилируемого) для более детальной акустики (с точки зрения физики)
• Сосуд флейта для более детальной акустики (музыкальная перспектива)
• Резонанс

Примечания

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.
2. "Резонатор Гельмгольца в Западном резервном университете Кейса". Резонатор Гельмгольца. Получено 16 февраля 2016.
3. «Вывод уравнения для резонансной частоты резонатора Гельмгольца». lightandmatter.com. Архивировано из оригинал 28 февраля 2017 г.
4. «Коррекция конца на устье дымохода». Йохан Лильенкранц об органах, трубах, подаче воздуха. 30 сентября 2006 г.. Получено 29 октября, 2018.
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.
6. Формулы акустики
7. "Физика окарины - как работают окарины". ocarinaforest.com. Архивировано из оригинал на 2013-03-14. Получено 2012-12-31.
8. Никольский, Алексей (2020), Масатака, Нобуо (ред.), ""Говорящая еврейская арфа "и ее связь с гармонией гласных как парадигма формирующего влияния музыки на язык", Возвращение к истокам языка, Сингапур: Springer Singapore, стр. 217–322, Дои:10.1007/978-981-15-4250-3_8, ISBN  978-981-15-4249-7, получено 2020-08-24
9. Укехейди (21 сентября 2014 г.). "Noseflute.org: Физика носовой флейты - I". Noseflute.org. Получено 2019-11-20.
10. Wikisource: Десять книг по архитектуре / Книга V, Глава V: «Зондирование сосудов в театре». (полная текстовая ссылка)
11. «Крылья, которые покачиваются, могут снизить выбросы от самолетов на 20%». ScienceDaily. 22 мая 2009 г.. Получено 2019-11-20.
12. Торчинский, Джейсон (21 октября 2013 г.). «Почему приоткрытые окна автомобиля издают такой ужасный звук?». Ялопник. Получено 2019-11-20.
13. Аудио, PUI. «Дизайн камеры Гельмгольца». PUI Audio. Получено 29 октября, 2018.

дальнейшее чтение

• Oxford Physics Teaching, History Archive, "Приложение 3 - Резонаторы Гельмгольца. " (архивная фотография)
• Гиперфизическая акустическая лаборатория
• Гиперфизический резонанс полости
• Бутылки для напитков как резонаторы ГельмгольцаИдея научного проекта для студентов
• Этот вибрирующий «вуб-вуб-вуб», который возникает из-за разбивания окна в одном автомобиле? Это не только ты!
• Резонанс Гельмгольца (сайт по музыкальной акустике)
• Звуковой синтезатор Гельмгольца на альбоме "120 лет электронной музыки"