Реферат на тему:
Акустичні резонатори
Герман Людвіг Фердинанд Гельмгольц (31.VIII.1821-8.IX. 1894) – німецький
фізик, математик, фізіолог і психолог, що поклав початок акустиці. Він
побудував модель вуха, що дозволила вивчити характер дії звукових хвиль
на орган слуху, вирішив завдання органної труби, провів дослідження
коливання струн і акустичних резонаторів. Крім цього, Гельмгольц
займався проблемами електродинаміки. Він створив коливальний контур =
основу радіозв’язку, під його впливом Г. Герц провів дослідження, що
привели до виявлення електромагнітних хвиль.
Явище резонансу надає вплив на всі коливальні процеси = механічні,
електричні, звукові. Акустика = одна з таких прикладних дисциплін, де
вплив резонансу особливий відчутно. З небажаними резонансами доводитися
боротися, корисні потрібно використовувати. Динамічні головки,
використовувані в системах відтворення звуку = приклад механічної
коливальної системи, що працює із заходом в область резонансу.
Окрім механічних коливальних систем, в електроакустичних перетворювачах
широко використовуються акустичні коливальні системи, в яких окремі
елементи є газоподібним середовищем. Акустичні коливальні системи
використовуються у вигляді порожнин, каналів, об’ємних резонаторів, які
в поєднанні можуть утворювати складні пристрої, по своїй дії аналогічні
резонансним контурам, фільтрам і т.д. З їх допомогою можна виділяти або
пригнічувати певні ділянки звукового діапазону частот.
Поведінку механічних коливальних систем зазвичай розглядають на прикладі
грузика на пружинці. Цю ж модель часто використовують і при аналізі
роботи акустичних систем = зручно і наочно.
Прикладом простої акустичної коливальної системи є резонатор
Гельмгольца. Він є судиною сферичної форми з відкритою горловиною.
Повітря в горловині є масою, що коливається, а об’єм повітря в судині
грає роль пружного елементу. Зрозуміло, таке розділення справедливе лише
приблизно, оскільки деяка частина повітря в порожнині володіє інерційним
опором. Проте при чималій величині відношення площі отвору до площі
перетину порожнини точність такого наближення цілком задовільна. Основна
частина кінетичної енергії коливань виявляється зосередженою в горлі
резонатора, де коливальна швидкість частинок повітря має найбільшу
величину.
Строго кажучи, резонатор є системою з розподіленими параметрами. Проте
якщо розміри резонатора малі в порівнянні з довжиною хвилі коливань, що
діють на резонатор, то практично можна розглядати таку систему, як
систему із зосередженими параметрами. Власна частота резонатора
Гельмгольца рівна:
де:
F = частота, Гц;
С0== швидкість звуку в повітрі (340 м/с);
S = перетин отвору, м2;
L = довжина отвору, м;
V = об’єм резонатора, мз.
Наприклад, для судини об’ємом 1 л з горловиною довжиною 1 см і перетином
1 см2 =частота резонансу складе приблизно 170 Гц. Звернете увагу, що
довжина хвилі для цієї частоти складає близько 2 м, що значно більше
характерних розмірів резонатора. Отже, не може бути і мови про стоячу
акустичну хвилю в самому резонаторі. Дійсно, в порожнині можна порушити
тільки хвилі, довжина яких менше характерного розміру резонатора:
Для даного прикладу це частоти вище 3 кгц.
Інший варіант резонатора = органна труба. Стоячі хвилі в такому
резонаторі можливі лише для тих випадків, коли на довжині труби
укладається непарне число чвертей довжин хвиль. Відповідно, резонансні
частоти будуть рівні:
Хоча резонансних частот декілька, проте, сильніше за всіх виражена перша
мода коливань. Цьому випадку відповідає чвертьхвильовий резонатор
завдовжки
Для частоти настройки 27 Гц довжина труби складе приблизно 3,1 м.
Недивно, що церковні органи мають колосальні розміри. Проте пора від
теорії перейти до практики.
Як вже наголошувалося на початку статті, акустичні резонатори можна
використовувати для посилення або ослаблення певного діапазону звукових
частот. Найнаочніший приклад акустичного |усилителя| = фазоїнвертор
акустичної системи, що є все той же резонатор Гельмгольца, що порушується
|изнутри|. Якщо резонатор Гельмгольца порушувати зовні, він стає
режекторним (що пригнічує) фільтром, що поглинає енергію зовнішніх
коливань. Глибину режекциі можна збільшити, збільшивши втрати в горлі
резонатора за допомогою звукопоглинального матеріалу.
В акустичних системах першої вітчизняної стереофонічної радіоли
|Симфония| як нізкодобротного двочастотного режекторного фільтру
використовувався резонатор Гельмгольца. Він був окремим об’ємом в нижній
частині корпусу з двома отворами діаметрами 23 і 31 мм в горизонтальній
перегородці. Частоти настройки складали 50 і 100 Гц. Фільтр призначався
для часткового придушення 1-ої і 2-ої гармонік мережевої частоти
лампового підсилювального тракту, а також усував неминучий |горб| на АЧХ
в області 60-80 Гц, характерний для звичайних у той час високодобротних
динаміків (Qts>l).
До речі, і сьогодні цей шлях можна вважати дуже перспективним для
використання високодобротних динамічних головок в корпусах невеликого
об’єму. Це дозволяє зберегти високу чутливість акустичної системи і
отримати при цьому гладку АЧХ, що актуально саме для саг audio. Методика
розрахунку гранично проста. Спочатку розраховуємо або вимірюємо частоту
резонансу головки в корпусі заданого об’єму, потім розраховуємо на цю
частоту резонатор Гельмгольца.
В конструкції сучасних акустичних систем, проте, резонатор Гельмгольца
використовується украй рідко. Динамічні головки низької добротності і
висока потужність підсилювачів дозволяють обійтися без цих хитрувань.
Все ж таки декілька прикладів вдалося знайти.
Професійний сабвуфер DYNACORD Alpha B-3 використовує запатентовану
технологію Planar Waveguide> = плоский хвилевід з вбудованим резонатором
Гельмгольца. Завдяки взаємодії резонансу хвилеводу і резонатора
Гельмгольца отриманий високий рівень звукового тиску на низьких
частотах.
Аналогічну конструкцію має автомобільний сабвуфер Pioneer TS-WX30. При
об’ємі корпусу всього 5 літрів його чутливість досягає 100 дб, але,
правда, Гельмгольц тут ні при чому. В даному випадку режекторний фільтр
в основному призначений для придушення струменевих шумів фазоїнвертора.
Резонатор Гельмгольца іноді використовують при акустичній обробці
салонів автомобілів для придушення низькочастотних об’ємних резонансів
салону. Проте даний конструктивний прийом важкореалізований на практиці
зважаючи на істотні габарити батареї резонатора, проблеми її компоновки,
зменшення корисного об’єму багажного відділення і т.п. Із зростанням
частоти настройки габарити резонаторів істотно зменшуються, тому в
області середніх частот вони використовуються помітно частіше. Акустичні
резонатори = |голосовики| використовували багато сторіч тому при
будівництві соборів і театрів. І сьогодні чвертьхвильові резонатори, і
резонатори Гельмгольца успішно використовуються як елементи акустичних
студій і концертних залів.
Немало прикладів можна знайти і інших областях. Система впускання
сучасного двигуна легкового автомобіля обладналася пристроями
шумопоглинання. Це або резонатори Гельмгольца |в чистому виде|,
підключені паралельно до ділянок впускного трубопроводу, або сімейство
шийок, утворене отворами перфорації трубопроводу і охоплене герметичним
кожухом. Також використовують чвертьхвильові резонатори у вигляді
тупикових трубчастих відростків з жорстким денцем, що підключаються до
ділянок трубопроводу.
В патенті Німеччини | 4033269 описаний глушник вихлопу ДВС з
перебудовуваним резонатором Гельмгольца. Частота настройки такого
ре-жекторного фільтру змінюється залежно від оборотів двигуна
спеціальною стежачою системою.
До речі, череп, як і будь-яка замкнута порожнина, з отвором теж є
резонатором Гельмгольца. За деякими даними, резонансною областю для
черепа є частоти 20-25 Гц. Як відомо, опромінювання людини звуковими
коливаннями частотою 25 Гц протягом 30 хвилин при певній інтенсивності
джерела викликає епілептичний припадок… Отже поакуратніше з
сабвуферамі!
Джерело: autotechnostar.com
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
