Резонатор акустический, резонатор Гельмгольца

Резонатор акустический, резонатор Гельмгольца — сосуд, сообщающийся с внешней средой через небольшое отверстие
или трубу (горло). Характерная особенность акустического резонатора в том, что длина
волны его собственных
НЧ-колебаний значительно больше размеров акустического резонатора.

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.

Схема резонатора Гельмгольца

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.

Анализатор звука Анализатор 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.

Для акустического резонатора с горлом собственная частота ,
где с — скорость звука в воздухе, S — площадь
поперечного сечения, l — длина трубки, V — объём сосуда. Если
акустический резонатор поместить в гармоническое звуковое поле с частотой f, в
нём возникают колебания с амплитудой, во много
раз превышающей амплитуду поля (резонанс ).
В негармоническом звуковом поле акустический резонатор реагирует только на
колебания с частотой f. Поэтому набор акустических
резонаторов с различными собственными частотами может применяться для анализа
звука. При наличии трения в горле акустического резонатора в нём возникает
сильное поглощение звука на частоте f, что используется
для создания т. н. резонансных звукопоглотителей в архитектурной акустике.
Акустические резонаторы, помещённые на стенках звукопроводов, служат как
элементы резонансных отражателей для уменьшения передачи НЧ-шума по
звукопроводам. Пузыри в жидкости и воздушной полости в нек-рых других средах
(например, резине) также являются акустическими резонаторами, поэтому наличие
большого числа пузырей в воде вызывает сильное поглощение звука, что препятствует распространению
звуковых волн.

Instagram не типичного строителя
Adblock
detector