Что такое камера гельмгольца

Резонатор Гельмгольца – принцип (видео)

Не стоит путать резонатор Гельмгольца с наиболее часто встречающимся волновым резонатором – открытой полости в которой образуется стоячая волна на частоте зависящей от геометрических параметров камеры (этот принцип нередко используется в музыкальных инструментах). Неправильное понимание работы резонаторов обычно приводит к ошибочной интерпретации их возможного применения.

Обобщенно резонатор Гельмгольца можно представить как сосуд, снабженный горлышком – узким отростком или отверстием, через которое сосуд сообщается с окружающей средой.

Акустическая волна представляет собой периодические продольные волны сжатия и разрежения частиц среды, вызванные колебательными перемещением этих частиц вдоль направления распространения волны. Когда волна достигает резонатора она вызывает перемещения частиц в его горлышке. При перемещении среды, заполняющей горлышко, в одну и в другую сторону из-за воздействия внешней акустической волны, среда в сосуде испытывает сжатие и разрежение, и давление в ней изменяется. На открытом же конце горлышка давление все время остается неизменным (атмосферным — для резонатора Гельмгольца в воздухе). Разность давлений на концах горлышка ускоряет массу среды в горлышке. Ввиду узости горлышка скорость движения среды в нем велика по сравнению со скоростью среды внутри сосуда, так что кинетическая энергия сосредоточена в горлышке, несмотря на то, что фактическая масса среды в горлышке много меньше массы среды в сосуде. Упругая же энергия окажется сосредоточенной в среде внутри сосуда. Упругость системы обусловлена объемным сжатием внутри сосуда, а колеблющейся массой является среднее количество среды, которое колеблется внутри горлышка. Отличительная особенность такой системы состоит в том в том, что длина волны ее собственных колебаний значительно больше размеров самого резонатора.

Набор резонаторов с различными собственными (резонансными) частотами может применяться для анализа звука.

Длина волны на резонансной частоте не зависит от среды, заполняющей резонатор Гельмгольца, а только от его геометрических характеристик. Если вместо горлышка в стенке сосуда просто имеется малое отверстие, то скорость частиц в отверстии также будет повышена по сравнению со скоростью частиц в сосуде, так что можно считать, что кинетическая энергия сосредоточена в среде вблизи отверстия. Но движение среды в отверстии сложнее, чем движение в длинном горлышке: скорость имеет компоненту, как перпендикулярную к плоскости отверстия, так и-параллельную, и меняется также в обоих этих направлениях.

Резонатор Гельмгольца — препятствие, весьма сильно рассеивающее звук на своей резонансной частоте. Под действием первичной волны резонансной частоты резонатор приходит в интенсивные колебания и переизлучает в виде сферической волны монопольного типа такую же мощность, какая поступает к нему от падающей волны; это и есть рассеиваемая им энергия. На резонансной частоте давление в первичной волне синфазно со скоростью частиц в горлышке.

Иллюстрация в первой части видео:
Переизлучение энергии акустической волны резонатором Гельмгольца часто демонстрируют в качестве визуализации реального динамического воздействия. В первой части видео как раз реализован данный эксперимент. При совпадении частоты происходит активное движение частиц воздуха в горлышке бутылок, которое придает импульс и вызывает вращение конструкции. Движение частиц воздуха в горлышке хорошо заметно по движению дыма при замедленном воспроизведении.

При резонансной частоте ни объемная скорость, ни рассеиваемая мощность не зависят ни от конструкции, ни от размеров резонатора, но только от частоты. При наличии необратимых потерь в резонаторе он не только рассеивает, но и поглощает звуковую энергию. При наличии трения в горле резонатора в нём возникает сильное поглощение звука на собственной частоте. Это свойство, например, используется для создания резонансных звукопоглотителей в архитектурной акустике или инженерных системах.

Иллюстрация во второй части видео:
Продемонстрирована работа типичного глушителя шума в инженерных каналах. При открытии камеры, устроенной по типу резонатора Гельмгольца, свист, вызванный работой вентилятора, гасится. Это происходит при совпадении собственной частоты резонатора с частотой паразитного шума – колебания частиц воздуха во взаимоперпендикулярных направлениях (распространяющхся вдоль канала и возникающих в резонаторе перпендикулярно оси канала) снижает амплитуду звуковой волны.

Возможно возникновение и обратного явления. Если вызвать гармонические колебания воздуха в горлышке сосуда, то возникает звуковая волна на собственной частоте резонатора Гельмгольца.

Иллюстрация в третьей части видео:
Если с нужным углом и определенной скоростью равномерно дуть поперек горлышка бутылки, то можно вызвать характерный звук, тональность которого будет зависеть от соответствующих параметров сосуда. Движение дыма при замедленном воспроизведении показывает вызываемые колебания частиц воздуха.

Источник

Акустические резонаторы Гельмгольца

Явление резонанса оказывает влияние на все колебательные процессы — механические, электрические, звуковые. Акустика — одна из таких прикладных дисциплин, где влияние резонанса особенно ощутимо. С нежелательными резонансами приходиться бороться, полезные нужно использовать. Динамические головки, используемые в системах воспроизведения звука — пример механической колебательной системы, работающей с заходом в область резонанса.

Читайте также:  Принтер мажет при печати после заправки картриджа почему

Кроме механических колебательных систем, в электроакустических преобразователях широко используются акустические колебательные системы, в которых отдельные элементы представляют собой газообразную среду. Акустические колебательные системы используются в виде полостей, каналов, объемных резонаторов, которые в сочетании могут образовывать сложные устройства, по своему действию аналогичные резонансным контурам, фильтрам и т.д. С их помощью можно выделять или подавлять определенные участки звукового диапазона частот.

Поведение механических колебательных систем обычно рассматривают на примере грузика на пружинке. Эту же модель часто используют и при анализе работы акустических систем — удобно и наглядно.

Примером простейшей акустической колебательной системы является резонатор Гельмгольца. Он представляет собой сосуд сферической формы с открытой горловиной. Воздух в горловине является колеблющейся массой, а объем воздуха в сосуде играет роль упругого элемента.

Резонанс Гельмгольца — явление резонанса воздуха в полости, примером которого является гудение пустой бутылки от потока воздуха направленного перпендикулярно её горлышку. Резонатор Гельмгольца — медный сосуд сферической формы с открытой горловиной, изобретённый Гельмгольцем около 1850 года для анализа акустических сигналов, на основе наблюдаемых в нём явлений Гельмгольцем и Рэлеем разработана количественная теория резонанса данного типа.
Wikipedia

Разумеется, такое разделение справедливо лишь приближенно, так как некоторая часть воздуха в полости обладает инерционным сопротивлением. Однако при достаточно большой величине отношения площади отверстия к площади сечения полости точность такого приближения вполне удовлетворительна.

Основная часть кинетической энергии колебаний оказывается сосредоточенной в горле резонатора, где колебательная скорость частиц воздуха имеет наибольшую величину.

Примерный вид резонатора Гельмгольца

Строго говоря, резонатор представляет собой систему с распределенными параметрами. Однако если размеры резонатора малы по сравнению с длиной волны действующих на резонатор колебаний, то практически можно рассматривать такую систему, как систему с сосредоточенными параметрами. Собственная частота резонатора Гельмгольца равна:

  • F — частота, Гц;
  • C — скорость звука в воздухе (340 м/с);
  • S — сечение отверстия, м 2 ;
  • L — длина отверстия, м;
  • V — объем резонатора, м 3 .

Например, для сосуда объемом 1 л с горловиной длиной 1 см и сечением 1 см 2 частота резонанса составит примерно 170 Гц. Обратите внимание, что длина волны для этой частоты составляет около 2 м, что значительно больше характерных размеров резонатора. Следовательно, не может быть и речи о стоячей акустической волне в самом резонаторе. Действительно, в полости можно возбудить только волны, длина которых меньше характерного размера резонатора:

Для данного примера это частоты выше 3 кГц.

Другой вариант резонатора — органная труба. Стоячие волны в таком резонаторе возможны лишь для тех случаев, когда на длине трубы укладывается нечетное число четвертей длин волн. Соответственно, резонансные частоты будут равны:

Хотя резонансных частот несколько, однако, сильнее всех выражена первая мода колебаний. Этому случаю соответствует четвертьволновый резонатор длиной:

Для частоты настройки 27 Гц длина трубы составит примерно 3,1 м. Неудивительно, что церковные органы имеют колоссальные размеры. Однако пора от теории перейти к практике.

Как уже отмечалось в начале статьи, акустические резонаторы можно использовать для усиления или ослабления определенного диапазона звуковых частот.

Самый наглядный пример акустического «усилителя» — фазоинвертор акустической системы, представляющий собой все тот же резонатор Гельмгольца, возбуждаемый «изнутри».

Если резонатор Гельмгольца возбуждать снаружи, он становится режекторным (подавляющим) фильтром, поглощающим энергию внешних колебаний. Глубину режекции можно увеличить, увеличив потери в горле резонатора при помощи звукопоглощающего материала.

В акустических системах первой отечественной стереофонической радиолы «Симфония» в качестве низкодобротного двухчастотного режекторного фильтра использовался резонатор Гельмгольца. Он представлял собой отдельный объем в нижней части корпуса с двумя отверстиями диаметрами 23 и 31 мм в горизонтальной перегородке.

Частоты настройки составляли 50 и 100 Гц. Фильтр предназначался для частичного подавления 1-й и 2-й гармоник сетевой частоты лампового усилительного тракта, а также устранял неизбежный «горб» на АЧХ в области 60–80 Гц, характерный для обычных в то время высокодобротных динамиков (Q ts

Пример провала на АЧХ с участием резонатора Гельгольца

Кстати, и сегодня этот путь можно считать очень перспективным для использования высокодобротных динамических головок в корпусах небольшого объема. Это позволяет сохранить высокую чувствительность акустической системы и получить при этом гладкую АЧХ, что актуально именно для car audio. Методика расчета предельно проста.

Сначала рассчитываем или измеряем частоту резонанса головки в корпусе заданного объема, затем рассчитываем на эту частоту резонатор Гельмгольца. В конструкции современных акустических систем, однако, резонатор Гельмгольца используется крайне редко. Динамические головки низкой добротности и высокая мощность усилителей позволяют обойтись без этих ухищрений. Все же несколько примеров удалось найти.

Профессиональный сабвуфер DYNACORD Alpha B-3 использует запатентованную технологию Planar WaveguideTM — плоский волновод со встроенным резонатором Гельмгольца. Благодаря взаимодействию резонанса волновода и резонатора Гельмгольца получен высокий уровень звукового давления на низких частотах.

Аналогичную конструкцию имеет автомобильный сабвуфер Pioneer TS-WX30. При объеме корпуса всего 5 литров его чувствительность достигает 100 дБ, но, правда, Гельмгольц здесь ни при чем. В данном случае режекторный фильтр в основном предназначен для подавления струйных шумов фазоинвертора.

Читайте также:  Принтер пишет добавить тонер что это

Автомобильный сабвуфер с резонатором Гельмгольца Pioneer TS-WX30

Резонатор Гельмгольца иногда используют при акустической обработке салонов автомобилей для подавления низкочастотных объемных резонансов салона. Однако данный конструктивный прием труднореализуем на практике ввиду существенных габаритов резонаторной батареи, проблем ее компоновки, уменьшения полезного объема багажного отделения и т.п.

С ростом частоты настройки габариты резонаторов существенно уменьшаются, поэтому в области средних частот они используются заметно чаще. Акустические резонаторы — «голосовики» использовали много столетий назад при строительстве соборов и театров. И сегодня четвертьволновые резонаторы, и резонаторы Гельмгольца успешно используются в качестве элементов акустических студий и концертных залов.

Немало примеров можно найти и других областях. Система впуска современного двигателя легкового автомобиля оборудуется устройствами шумопоглощения. Это или резонаторы Гельмгольца «в чистом виде», подключенные параллельно к участкам впускного трубопровода, или семейство горлышек, образованное отверстиями перфорации трубопровода и охваченное герметичным кожухом. Также используют четвертьволновые резонаторы в виде тупиковых трубчатых отростков с жестким донышком, подключаемых к участкам трубопровода.

В патенте Германии № 4033269 описан глушитель выхлопа ДВС с перестраиваемым резонатором Гельмгольца. Частота настройки такого режекторного фильтра изменяется в зависимости от оборотов двигателя специальной следящей системой. Кстати, череп, как и любая замкнутая полость с отверстием, тоже является резонатором Гельмгольца. По некоторым данным, резонансной областью для черепа являются частоты 20–25 Гц. Как известно, облучение человека звуковыми колебаниями частотой 25 Гц в течение 30 минут при определенной интенсивности источника вызывает эпилептический припадок…

C принципом работы резонатора Гельмгольца, вы можете ознакомится на познавательном видео:

Источник

Глушители выхлопа, отличающиеся по принципу действия: .с использованием резонанса – F01N 1/02

Этот классический опыт демонстрирует образование узлов и пучностей на вибрирующих пластинах разной формы.

Обычно в эксперименте используются квадратная, круглая и треугольная пластины на подставках (рис. 7.14). На пластины насыпают ровным слоем мелкий песок (можно манную крупу) и проводят по краю пластин сверху вниз смычком. При колебаниях пластины песок сбрасывается с тех мест, где колебания пластин наиболее интенсивные, и собирается там, где возникают узлы колебаний.

Рис. 7.14. Пластины для демонстрации фигур Хладни

Картина распределения узлов и пучностей на пластинах зависит от их формы и места возбуждения смычком. Если пластину придержать пальцем, то характер распределения узлов и пучностей изменится: в месте касания обязательно установится узел колебаний.

Среди самых красивых и загадочных демонстрационных объектов кабинета физики, сохранившихся с начала 1900-х гг., одно из первых мест занимает комплект резонаторов Гельмгольца (рис. 7.15). Кому-то

Рис. 7.15. Резонаторы Гельмгольца

они напоминают русских матрешек, кому-то фарфоровых слоников, украшавших комоды в середине XX в. На самом деле эти латунные сферы уменьшающегося диаметра представляют собой акустические резонаторы, впервые изученные «отцом» акустики — немецким физиком и математиком Г. Гельмгольцем (1821-1894).

Итак, резонаторы Гельмгольца представляют собой латунные сферические сосуды с открытой горловиной. Воздух в горловине является колеблющейся массой, а объем воздуха в сосуде играет роль упругого элемента. По аналогии с электрическим колебательным контуром воздух в горловине — это катушка (здесь запасена кинетическая энергия колебаний воздуха), а воздух в сосуде — конденсатор (где запасена потенциальная энергия резонатора). Такое разделение является условным и справедливо, если отношение площади горловины к площади сечения сферы достаточно велико.

Собственная частота резонатора Гельмгольца связана с его размерами следующим соотношением (рис. 7.16):

v — скорость звука (-340 м/с); S—

сечение горловины, м 2 ; / — длина горловины, м;
V
— объем резонатора, м 3 .

Для сосуда объемом 1 л (диаметр резонатора — 12 см) с горловиной / = 1 см и сечением S=

1 см 2 частота Т- 170 Гц. Длина волны для этой частоты
X
=
v /F =
2 м, что значительно больше, чем диаметр резонатора. Поэтому ни о каких акустических волнах, стоячих или бегущих, здесь говорить не приходится.

Рис. 7.16. К расчету резонансной частоты резонатора Гельмгольца

Иная ситуация имеет место в органных трубах, демонстрационные модели которых также имеются в демонстрационном кабинете (рис. 7.17). В этом случае в объеме органной трубы возбуждаются стоячие волны, такие, что на длине трубы укладывается целое число полуволн (если оба конца трубы закрыты) или целое число с четвертью полуволн (если один конец открыт). Связь частоты основного тона с длиной волны дается формулой

где С —длина органной трубы; v—скорость звука.

Например, если L

= 0,5 м, v = 340 м/с, то
F=
340 Гц. Правда, есть еще обертоны на более высоких частотах.

Существует множество способов демонстрации резонаторов Гельмгольца и органных труб. Можно взять несколько резонаторов и расположить их на одной линии на демонстрационном столе так, чтобы

малые слегка вытянутые отверстия резонаторов были расположены на одной высоте. Перед этими отверстиями ставят одинаковые бумажные вертушки. Со стороны больших отверстий резонаторов находится репродуктор, соединенный со звуковым генератором. Возбуждая репродуктор переменным током различной частоты и создавая тем самым сильные звуковые поля, можно добиться резонанса у одного из резонаторов, который убедительно проявляется в том, что вращается только соответствующая вертушка. Меняя частоту генератора, можно заставить вращаться поочередно все вертушки.

Читайте также:  Принтер не проталкивает бумагу что делать

Применение

Резонанс Гельмгольца применяется в двигателях внутреннего сгорания и в акустических системах. Системы впрыска топлива называемые системами Гельмгольца

использовались в двигателях Chrysler V10, которыми комплектовались автомобили Dodge Viper и пикапы Ram, а также в мотоциклах Buell. В струнных инструментах с полой декой, таких, как гитара или скрипка, один из пиков кривой резонанса — это резонанс Гельмгольца (остальные — это резонансные частоты деревянных частей инструмента). Окарина — резонатор с изменяемым сечением горлышка. Западноафриканский барабан джембе имеет относительно узкое горлышко, что придаёт ему глубокий басовый тон.

Теория резонанса Гельмгольца используется при проектировании выхлопных труб автомобилей и мотоциклов, с целью сделать звук двигателя более тихим или более красивым.

Ссылки

  • Hermann von Helmholtz.
    On the sensations of tone as a physiological basis for the theory of music / Alexander John Ellis. — Longmans, Green, 1885. — 576 с.
  • [nature.web.ru/db/msg.html?mid=1175042&uri=page30.html Колебания и волны. Лекции.] В. А. Алешкевич, Л. Г. Деденко, В. А. Караваев (Физический факультет МГУ) Издательство Физического факультета МГУ, 2001 г.
  • Резонатор акустический
    — статья из Большой советской энциклопедии.
Это заготовка статьи по физике. Вы можете помочь проекту, дополнив её.

Качественное объяснение

Когда воздух нагнетается в полость, давление в полости возрастает. Когда внешняя сила, нагнетающая воздух в полость, исчезает, повышенное давление заставляет воздух вытекать обратно. Через некоторое время давление внутри и снаружи сравняется, но воздух все равно продолжит выходить вовне, поскольку струя воздуха в горлышке обладает массой и ненулевой скоростью, а значит, и кинетической энергией. Через некоторое время воздух перестанет выходить из полости, и при этом давление внутри полости будет меньше давления снаружи. Воздух снова устремится в полость. Этот цикл будет повторяться множество раз, с затухающей амплитудой. Частота цикла (собственная, или резонансная частота) зависит от формы полости. Если внешняя сила будет возникать и исчезать с частотой, равной собственной частоте полости, возникнет резонанс — колебания воздуха не будут затухать.

Отрывок, характеризующий Резонатор Гельмгольца

– О, и очень! Мой брат знает его: он не раз обедал у него, у теперешнего императора, в Париже и говорил мне, что он не видал более утонченного и хитрого дипломата: знаете, соединение французской ловкости и итальянского актерства? Вы знаете его анекдоты с графом Марковым? Только один граф Марков умел с ним обращаться. Вы знаете историю платка? Это прелесть! И словоохотливый Долгоруков, обращаясь то к Борису, то к князю Андрею, рассказал, как Бонапарт, желая испытать Маркова, нашего посланника, нарочно уронил перед ним платок и остановился, глядя на него, ожидая, вероятно, услуги от Маркова и как, Марков тотчас же уронил рядом свой платок и поднял свой, не поднимая платка Бонапарта. – Charmant, [Очаровательно,] – сказал Болконский, – но вот что, князь, я пришел к вам просителем за этого молодого человека. Видите ли что?… Но князь Андрей не успел докончить, как в комнату вошел адъютант, который звал князя Долгорукова к императору. – Ах, какая досада! – сказал Долгоруков, поспешно вставая и пожимая руки князя Андрея и Бориса. – Вы знаете, я очень рад сделать всё, что от меня зависит, и для вас и для этого милого молодого человека. – Он еще раз пожал руку Бориса с выражением добродушного, искреннего и оживленного легкомыслия. – Но вы видите… до другого раза! Бориса волновала мысль о той близости к высшей власти, в которой он в эту минуту чувствовал себя. Он сознавал себя здесь в соприкосновении с теми пружинами, которые руководили всеми теми громадными движениями масс, которых он в своем полку чувствовал себя маленькою, покорною и ничтожной» частью. Они вышли в коридор вслед за князем Долгоруковым и встретили выходившего (из той двери комнаты государя, в которую вошел Долгоруков) невысокого человека в штатском платье, с умным лицом и резкой чертой выставленной вперед челюсти, которая, не портя его, придавала ему особенную живость и изворотливость выражения. Этот невысокий человек кивнул, как своему, Долгорукому и пристально холодным взглядом стал вглядываться в князя Андрея, идя прямо на него и видимо, ожидая, чтобы князь Андрей поклонился ему или дал дорогу. Князь Андрей не сделал ни того, ни другого; в лице его выразилась злоба, и молодой человек, отвернувшись, прошел стороной коридора.

Количественное объяснение

Модель резонатора Гельмгольца

Может быть показано [2] что собственная угловая скорость колебаний равна:

где — показатель адиабаты, значение которого обычно равно 1,4 для воздуха и двуатомных газов; — площадь сечения горлышка; — масса воздуха в горлышке; > — статическое давление в полости; > — статический объём полости.

Для цилиндрических горлышек:

где: L> — длина горлышка, — объём воздуха в горлышке, поэтому:

Источник

Поделиться с друзьями
СервисКлимат