Резонатор гельмгольца что это

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;

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. Успешная борьба с резонансом выпускной системы

Когда-то давно я по случаю приобрел почти новую оконечную банку Magnaflow. Сперва она была поставлена на BMW X3 жены))) Однако потом банка была по ее же настоянию демонтирована)))

Но она никуда не делась! Банка-то хорошая! Поставим ее куда следует:

Так как мы сохраняем штатный резонатор, то пилить трассу будем в рекомендуемом BMW месте, а крепить новую с использованием рекомендуемых компонентов. А до вмешательства – вся секция от коллекторов до банки на наших автомобилях представляет одно целое.

В стоке выпуск идет двумя трубами от коллекторов до самой банки. В нашем случае это сильно увеличило бы трудовые и временные затраты, к тому же вход в банку все равно один! Делаем Y-pipe в наиболее удобном для этого месте. Не подходящем, т.к. вообще-то стоило бы сводить концы перед банкой. Но даже Supersprint в своем изделии для Z4 делает Y-pipe в аналогичном месте. Что позволяет и нам прибегнуть к идентичному методу. Две 50 мм трубы мы свели в одну 70мм:

После сборки выхлоп отправился на зачистку и полировку швов. Обычно этим пренебрегают, но именно такие детали отражают отношение мастеров к своему делу. Здесь видно, что Y-pipe комфортно разместился за пластиной жесткости. Трубы под муфтами смазаны герметиком, а резьба – медной пастой:

Общий план того, что сделано:

Теперь зэтка сзади выглядит вот так:

Привееееет! Я GoPro! Сейчас будет видео! Для особых гурманов доступно в HD 1080p:

А теперь побыстрее:

Очень жаль, что ни GoPro, ни Youtube не передают породистого бурчания (или бульканья, а, может, и чавканья))) на сбросе газа.

После установки выпуска Magnaflow довольно сильно стал проявлять себя резонанс в диапазоне 2000-3000 оборотов в минуту. Снаружи это незаметно, а вот в салоне, особенно при закрытых окнах, несколько утомляет. Сразу скажу, что с этим сталкиваются не только владельцы Magnaflow. Многие прямоточные системы выпуска подвержены резонансу.

Для подавления резонанса неплохо бы на начальном этапе знать на какой именно частоте он возникает. Теоретически при 2000 об./мин. 6-цилиндровый двигатель производит 100 вспышек в секунду (2000/2/60=16,67 для каждого цилиндра). То есть 100 Гц. 3000 об./мин., соответственно, — 150 Гц. Это в теории.

Приступим к инструментальным замерам. Качаем бесплатную программу SPL Spectrum Analyzer (для Андроида). Жмякаем на кнопки Peak Hold (для удержания пиковых значений) и RTA (Real-Time Analysis для получения диаграммы распределения уровня звукового давления по частотам во время замера) и запускаем анализ. По умолчанию программа использует микрофон телефона, но можно подключить и внешние девайсы. У меня получились пики нагрузок в районе 100 и 130 Гц (2000 об./мин. и 2600 об./мин., соответственно), небольшой провал (и в экстремумах и во временном распределении) в районе 175 Гц (3500 об./мин.):

Еще два пика на 240 Гц и 360 Гц я бы не связывал со вспышками, как таковыми. Заметим, что оба этих показателя делятся на 120. Подозреваю (основываясь на университетском курсе физики), что эта кратность неспроста и собака порылась именно около частоты – примерно 120 Гц. Пик на 100 Гц тоже важен, но по временному распределению он чуть ли не вдвое проигрывает 130 Гц. 120 и 130 рядом. Думаю, что в пределах погрешности микрофона. Поэтому, возьмем за основу среднее значение 125 Гц (firing rate, как говорят американцы, для 2500 об./мин.) Это ровно посередине диапазона 2000-3000 об./мин. в котором и слышен резонанс.

Итак. Параметры резонанса установлены. Что с ним делать? Наиболее элегантный способ – резонатор Гельмгольца. По сути это некий резервуар, газ в котором играет роль пружины, соединенный с каналом узким горлом, газ в котором, в свою очередь, играет роль рабочего тела:

Есть и другой метод – четвертьволновой резонатор (ЧВ). По-другому — side branch resonator, т.к. он обычно вваривается под прямым углом к основному каналу. Его длина должна быть равна четверти длины волны (отсюда и название).

В целом рекомендую почитать — кратко, но весьма информативно о методах подавления шумов: Вот как работает ЧВ:

Длина волны, как видно на четвертой (предпредыдущей) картинке, определяется через скорость звука. Которая, в свою очередь, зависит от температуры среды. Температура отработавших газов на срезе глушителя после хорошего прогрева – около 200С. Скорость звука при такой температуре – 436 м/с.

С ЧВ хорошо знакомы создатели сабвуферов. Он всем хорош, кроме своих размеров. Саб с ЧВ может занять весь багажник. Вот и здесь – получилось 90 сантиметров. Если делать тупо в лоб, то можно получить вот такой хвост под бампером:

Но мое сердце и разум отданы резонатору Гельмгольца. Особенно, если делать, как Active Autowerke:

Все размеры и показатели взаимосвязаны. Я забил формулу для расчета диаметра трубы в Эксель:

Пошли по первому варианту. Объем резонатора – 2 литра, длина трубы 150 мм, внутренний диаметр 35 мм. Настройка, соответственно, на 125 Гц.

Сварили резонатор. Примеряем:

Приварили к трубе титановую проволоку. Лень было резать фрезой))) Проволока буквально растворила нержавейку, поэтому внутреннюю часть легко удалили:

Потом выпуск был снят, отмыт, местами отполирован))) Соединение резонатора и выпускного тракта тщательно обварено. Резонатор направлен под углом 45 градусов для создания треугольника жесткости:

А затем выпуск был поставлен обратно. Уже в новой конфигурации:

Процесс собрал небольшую толпу зрителей и советчиков:

Ага, ради чего вы все это читали. Помогло. Действительно. Наука рулит. Звук выпуска стал мягче, резонанс практически ушел. Лишь небольшой остаток (на ухо испытателя, который уже за ним охотится) есть при резком нажатии газа на 2 000 оборотов. Однако это уже не тот резонанс, что причинял реальный дискомфорт. Он здорово задушен, будто через подушку. Возможно, для большего (тотального) эффекта помогло бы увеличение объема резонатора (литров до трех). Тем, кто хочет его победить совсем, я бы посоветовал идти по этому пути.

Источник

Видовое разнообразие резонаторов Гельмгольца

Товарищи тюнеры и сочувствующие!

Если у вас болит голова от слишком громкого выхлопа в определенных режимах (чаще всего между 2000 и 3000 оборотов в минуту), дело, скорее всего в резонансе:

Этим страдают многие прямоточные выхлопные системы. С этим в свое время столкнулся и я. Решение есть. Наиболее элегантный способ – резонатор Гельмгольца. По сути это некий резервуар, газ в котором играет роль пружины, соединенный с каналом узким горлом, газ в котором, в свою очередь играет роль рабочего тела:

Вот именно этот отросток от основной трассы и есть резонатор Гельмгольца. Он действительно эффективно гасит волны в нежелательном (или искомом) диапазоне. Снаружи почти ничего не меняется. Меняется внутри — в салоне больше нет гула или, как говорят американцы, дрона.

Возможно исполнение с прямой трубой (как на первом фото) для размещения под прямым углом к трассе, а также с изогнутой на 90 градусов трубой (отводом) для размещения параллельно трассе (примерно так):

Возможны и другие объемы и формы:

И даже скрытой компоновки — ни за что не скажешь, что внутри есть горло:

Так вот, товарищи, в этой пятилетке улучшайте акустические характеристики своих автомобилей! Вид, отдача, вес остаются на прежнем уровне. А звук с резонаторами Гельмгольца может быть тише стока. Можно даже сделать заслонку перед горлом — в городе и перед проверяющими инспекторами ГАИ тихо (и это правильно!), на треке рев (если хочется).

Комментарии 20

Отличная вещь. На турбированном бензе можно ставить?

Интересно описано! Даже захотелось на своей машине с выхлопом по экспериментировать)
Хочется две трубы)

на две стороны в смысле?

На солярисе одна выхлопная труба, а хотелось бы две)

меня дикий резонанс задолбал после вырезки четырех катов. на днях задние каты буду обратно вваривать, а то невозможно кататься )

Есть такое, а спортивные катализаторы не хотите поставить?

Да не хочется сильно денег тратить. И так постоянно что стало ломаться ))
А спорт каты как я понял от десятки за штучку )

а на дизеляку такое можно ставить?

Да хоть на сжиженный газ

так нет тут же фишка в выхлопе
на турбо дизеле он иной! от чего и проблемы красиво сделать тк турбина душит буль буль буль)

Вопрос что нужно сделать? Заглушить неприятную составляющую — пожалуйста. А сделать бульбуль на турбе — пожалуй, нет

вот я и спрашиваю
как лучше
если просто делать выхлоп на дизеле то трасса + 1 банка будет
и надо ли апендицит варить или нет))))?

Смотря зачем. Если нет резонанса и на уши не давит, то не надо, наверное

а на дизеляку такое можно ставить?

на дизеляку или бенз — на самом деле, нет большой разницы.
красивый звук на 4-цилиндровом рядном моторе достижим только при помощи специального выпускного коллектора — «субару-саунд» называется. без него — ну так, рычит, но скучно… далее, значит, если звук есть — стоит задача выпустить его наружу, но не весь)))
ставим прямоток — звук выходит, но в некоторых режимах появляется гул, т.е. многовато звука. и вот тут на арену выходит Гельмгольц — с его помощью можно избирательно (и при желании — довольно точно) подавить некоторые частоты (диапазоны частот) в звуке выхлопа. соответственно, подбирается такой резонатор Гельмгольца, пик поглощения которого (на амплитудно-частотной характеристике) приходится на самый громкий гул мотора — и готово, наш прямоток перестаёт нудно гудеть, остаётся только интересующее нас «бу-бу-бу» и «вя-вя-вя»)))

А где его правильно размещать? Кто-то его ставит где-нибудь в середине выпуска, а кто-то как на фото в конце, возле глушителя. И на что вообще влияет место его установки?

Ставят поближе к глушителю, т.к. расчёты делаются обычно для температуры газов на срезе глушителя. Ну и обычно так удобнее с компоновочной т.з. Есть нюанс касательно стоячей волны, но его редко кто учитывает

Источник

Резонатор Гельмгольца. Теория расчета.

Явление резонанса Гельмгольца, очень часто используется во многих сферах, и на впуске в ДВС и на выпуске, и в акустике, и в музыкальных инструментах, например гитара.
Многое сказано, рассказано и объяснено. Не знаю стоит ли акцентировать внимание на принципе работы, так как можно ввести в поиск и получить много интересного.

Читая записи, о том как люди устанавливают резонаторы Гельмгольца в выхлопные системы, я пришел к выводу, что в большинстве случаях это происходит так…
«Я где то прочитал, что сюда подходит такая то труба, и бачонок такого то объема. Взял кусок трубы, балон огнетушителя. сварил. Получил супер звук»
Известно, что удовлетворение от проделанной работы, во многих случаях, не позволяет, сказать «Я сделал авно»…
В поисках тишины, выхлоп был переделан несколько раз, и хоть удовлетворение от проделанной работы в изготовлении выхлопа из нержи, было сравнимо с диким восторгом, я все таки скажу, что получил не совсем то что хотелось бы.

Выхлоп Раз
Выхлоп Два
Что не так? звук подходящий, очень даже… НО, громкость! Когда вы несетесь 150+ с ускорением и 7000-9000 RPM, громкость звука это последнее, что Вас заботит, но на прогреве, в ранний час, с заявлениями соседей, что «когда ты заводишься у меня стеклопакет дрожит», немного выбивает из колеи…
Да и езда в тошнопотоке от 2000-3000 RPM, сильно раздражает нервы.

И так… Дабы не бросаться на амбразуру, с баллоном от огнетушителя… Я предлагаю произвести вместе со мной некоторые теоретические изыскания.
В 2ух словах, можно сказать, что резонатор Гельмгольца это прибор совершающий собственные колебания, основной характеристикой является собственная частота. Рассчитывается она по банальной формуле

где
fн — частота, Гц
v — скорость звука в среде
S — сечение горла, м²
L — длина горла, м
V0 — объем резонатора, м³

Прибор реагирует только на колебания собственной частоты, в результате резонанса происходит сильное поглощение звука… Отсекание частоты.

Первое, что я сделал (лукавлю, первое что я сделал, это посчитал частоты резонанса), это загрузил анализатор спектра, и пошел завел тачку. На прогреве имея обороты около 1500 RPM

получил такую картинку

Это было именно то что я и ожидал… А теперь мат часть.

Допустим мы имеем 4ех цилиндровый, рядный двигатель, работающий по 4ех тактному циклу Отто.
Откуда мы знаем (если не знаем, то идем читать теорию о ДВС), что полный цикл в 4 такта, происходит за 2 оборота коленчатого вала. А воспламенение происходит, только в одном из тактов. Значит вспышка в одном цилиндре с высвобождением энергии (и звука) будет только раз в 2 оборота. Отсюда…
Частота оборотов в минуту(RPM) / 60 = частота оборотов в секунду
Частота оборотов в секунду / 2 = количество вспышек в секунду (так как только раз в 2 оборота) = RPM / 120
RPM/120 * 4 (4 цилиндра) = получаем частоту звука.
Выберем частоту оборотов ХХ.

Для чистоты эксперимента, более точные цифры

1079 / 120 * 4 = 35.9666666666666666666666666666…
Грубо говоря 36 Гц ииииииии

Очевидно, что шум несет не одна основная частота, но так же и несколько ее гармоник, которые входят в резонанс с чем то еще и усиливаются… (видно вторую гармонику примерно на 72 Герцах, на других оборотах есть и 3 и 4ая — не менее шумные чем первые)
И так… отсекая эту частоту мы уберем и гармоники… сильно подавив громкость звука.
Однако громкость на 1000 RPM — не самое важное для меня. Так как достаточно тихо.
Основные приколы начинаются после 2000…
Поэтому решено отсекать частоту на которой я чаще всего езжу… 2500… это около 83 Гц, чем больше объем резонатора тем шире полоса, уберем ее, повлияем и на близлежайщие.
Основная засада заключается в компромиссе, между объемом тела, длинной и сечением горла. Ведь резонанс возникает в теле, но поглощение звука происходит в горле, поэтому чем оно длиннее тем сильнее поглощение.

Понятно, что нельзя увеличивать геометрические параметры системы до бесконечности. Плюс нужно учитывать, внутренние диаметры материала, из которого будет создаваться резонатор.
Очевидно, что в моем случае, это не будет красный, найденный на первой помойке огнетушитель…
Конечно же это будет полированная нержавеющая труба

Поэтому на скорую руку был создан файл подбора, с автоматическим расчетом, при изменении параметров

В принципе, все данные по выше указанной формуле доступны, и все козыри в ваших руках.
Но не стоит забывать, что скорость звука в трубе, будет зависеть от температуры воздуха, поэтому не нужно слепо принимать скорость звука за 331 м/с 😉

Если понравилось… то ждем новостей с фронта… «Резонатор Гельмгольца. На практике.»

P.S. Чтобы одно и тоже не отвечать сюда буду добавлять
Спасибо можете не говорить. привык уже )
скорость от температуры

n — показатель адиабаты (n = 1.4 примерно)
R — универсальная газовая постоянная (R = 8.31)
Meg — молярная масса выхлопных газов (Meg = 0.028 примерно)

Источник