Резонатор гельмгольца своими руками акустика

Акустический резонатор 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.

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.

Медные резонаторы Гельмгольца, созданные на основе изначального дизайна:

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. 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.

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 = (C₀ / 2π) · √(S / (V · L))

F – частота, Гц;

C₀ – 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:

λ ≤ 3 √V

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:

F = (C₀ / 4L) · (2p – 1)

p = 1, 2, 3…

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 (Qts

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.

Профессиональный сабвуфер DYNACORD Alpha B-3:

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.

Автомобильный сабвуфер 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… Так что поаккуратнее с сабвуферами!

Источник

Резонатор гельмгольца своими руками акустика

Думаю пора рассказать публике мои новые изыскания

После неудачи с сабвуфером-шариком я решил сделать на сдвоенных 6гд-2 ящик с резонатором Гельмгольца. Мне надоели в комнате монстры, поэтому я сделал неприлично маленький для этих динамиков объём в 30 литров. И ещё 10 литров отошло резонатору. Кроме резонаторов я добавил ещё и ПАС, решил пусть эти неравномерности с резонансами немного размоет

Замерял полученные результаты по старинке тестером и генератором. И вот что получилось. В просто ЗЯ 30 литров получился резонанс в 67 гц, при открытии отверстий ПАС резонанс действительно размылся. При объёме резонатора в 10 литров и резонансе 67 гц отверстие по расчетам получилось 2,8 см диаметром и 4 см глубиной (програмку для расчёта я выложил выше). Все расчёты совпали и ничего не пришлось подстраивать.

С резонатором вместо одного на 67 герцах стало два на 44 и 76 герцах и не таких высоких. Я считаю что своего полностью добился, чтобы в 30 литрах получить 44 гц это непросто.

Фильтр использовал первого порядка. Снеговички на 3гд-1 и вгд-1 уже давно отслушаны и мне очень нравятся, но на этот раз к ним добавилось басовое звено из предыдущего сообщения.
Увы отзывы о нём будут очень краткими. Они показали себя на высоком уровне, никаких бубнений и затянутости.В джазе бас мурлычет как сытый кот, а в роке даёт нужный драйв.
Что приятно, желания продолжать поиски нового звука больше нет. Теперь все усилия будут направлены на чистовой вариант усилителя.

Источник

Тема: Резонатор Гельмгольца

Опции темы

Резонатор Гельмгольца

http://www.bluesmobil.com/shikhman/arts/helmhlz.htm
В последнем Радио пример использования высокодобротных высокочувствительных головок в маленьких закрытых корпусах с применением оного.
Ваше мнение?

Re: Резонатор Гельмгольца

Проверено, работает. Лепил знакомым к компу на 5″ автокоаксиалах в небольших корпусах. Только делал по другому варианту Шихатова — поглощение в самом корпусе.

Re: Резонатор Гельмгольца

Можно чуть подробней. (форма. частоты. расположение. и т.д.)

Re: Резонатор Гельмгольца

я как-то хотел немного пустых бутылок в ящик засунуть, но что-то так и не удалось.
нужно как-то это дело расчитать, а от балды можно год эксперементировать и не выэксперементировать.

Добавлено через 2 минуты

да, хотелось бы, и расчеты по каким формулам делать ? — может программы соответствующие есть ?

Последний раз редактировалось mAxSpace; 27.05.2009 в 22:35 . Причина: Добавлено сообщение

Re: Резонатор Гельмгольца

Формула везде одна, а вот подход
По второй ссылке понравилось решение стояка как такового, решение может быть и спорное, но оригинальность подхода .

Re: Резонатор Гельмгольца

Получается что колличество отверстий не влияет на частоту настройки резонатора, только его обьём и диаметр*длинну отверстия.
И в одном резонаторе разве можно две частоты настроить ?

Re: Резонатор Гельмгольца

Чтобы скомпенсировать неизбежные погрешности расчета и изготовления, разброс и изменение характеристик динамических головок со временем, резонатор выполнен двухчастотным. Частоты поглощения разнесены выше и ниже расчетной частоты резонанса таким образом, что их среднее геометрическое совпадает с ней. Для этого в перегородке выполнено 50 отверстий диаметром 5 мм и 30 отверстий диаметром 6,5 мм. Частоты настройки, соответственно, 85 Гц и 110 Гц (формула 1). Суммарная площадь отверстий составляет 20 кв.см. и распределена между отверстиями разного диаметра примерно поровну.

Тот же вопрос — на один объем настроили 2 ПАС на разные частоты настройки. Оно так бывает))?

Последний раз редактировалось Charcoal; 28.05.2009 в 09:40 .

Re: Резонатор Гельмгольца

Думаю лучше две камеры сделать если две частоты давить надо. А Шихатов сделал на свою 97Гц. Это как вариант с двумя фазиками разного сечения — на выходе какая-то промежуточная частота .

Re: Резонатор Гельмгольца

ТОЛЬКО и ОДНОЗНАЧНО две камеры. Иначе это будет резонатор на одну частоту, причём более высокую, чем любая из двух «расчётных».

P.S. Кстати, методика расчёта по Шихатову неверна. Там две методические ошибки.
Если нужен расчёт «многодырочного» (или «многотрубного», не суть) резонатора, могу изложить.

Последний раз редактировалось Yauhen; 28.05.2009 в 08:57 .

Re: Резонатор Гельмгольца

Re: Резонатор Гельмгольца

P.S. Кстати, методика расчёта по Шихатову неверна. Там две методические ошибки.
Если нужен расчёт «многодырочного» (или «многотрубного», не суть) резонатора, могу изложить.

Если не сложно дайте методику расчета, желательно поподробней — для новичков в этом деле.

Re: Резонатор Гельмгольца

Если посмотреть на классическую формулу (см. вложение 1), то под корнем можно выделить отношение S/L, которое называют акустической проводимостью. Обратная ей величина – акустическое сопротивление.
Сопротивлением обладает не только сама труба, но и её выходное отверстие. Потому полное акустическое сопротивление порта складывается из сопротивления трубы и её выхода, что и позволяет «сэкономить» 0,85D.

Если верить классикам, сопротивление открытого конца порта равно 1/D. Тогда полное сопротивление порта будет (L/S + 1/D), а классическая формула принимает вид (см. вложение 2), где n – количество портов (отверстий).

При желании нетрудно сделать в экселе табличку для расчёта какой угодно многодырочной системы, например, Онкена.

Теперь если вернёмся к ящику Шихатова, станет ясно, что любая многодырочная система будет обладать неким общим акустическим сопротивлением, обусловленным совместной работой всех дырок. Никакого «разделения» на две частоты не будет.
Каждая дырка обладает собственным сопротивлением, и все эти «как бы резисторы» включены параллельно. Потому и колебательный контур будет настроен на одну частоту.

P.S. Сорри, была неточность во второй формуле. Исправлено.

Последний раз редактировалось Yauhen; 28.05.2009 в 11:26 .

Источник