Резонатор гельмгольца в выхлопной системе
Autoservice-ryazan.ru

Автомобильный портал

Резонатор гельмгольца в выхлопной системе

Как убрать гул выхлопа?

Приветствуем друзья!

Гул выхлопа на определенных оборотах, он же резонанс, он же “exhaust drone” в англоязычных источниках – наиболее частая проблема при доработке выхлопа. Никто не хочет вникать в суть проблемы и тем более разбираться с формулами и расчетами. Поэтому вот Вам простая инструкция от MFSTORE как этот гул убрать или максимально уменьшить.

Кто виноват?

Виноваты законы физики. И здесь будет немного теории. Если совсем не интересно, то листайте ниже, к пункту “что делать?”

В любой колебательной системе при совпадении частоты вынуждающей силы с собственной частотой, характерной для данной системы, происходит резкое увеличение частоты колебаний. Это явление называется резонансом и преследует нас повсюду. В выхлопной системе источником колебаний выступает мотор, а частота этих колебаний пропорциональна оборотам и кол-ву цилиндров. Для каждого выхлопа при этом есть некая характерная только для него собственная частота, зависящая сразу от всего – диаметра трубы, конфигурации, глушителей, длины, веса, материала и тд. Это и будет частота резонанса!

По мере того, как двигатель набирает обороты, частота звуковых волн в трубе возрастает и как только она достигнет частоты резонанса – амплитуда волн резко возрастет, что для наших ушей будет означать резкое увеличение громкости. Этот звук “давит на уши”, вызывает жуткий дискомфорт, вибрацию элементов салона и кузовных панелей. Во всем остальном диапазоне звук Вам может нравиться и не доставлять проблем.

Проблема в том, что эту частоту Вы никогда не узнаете при попытке самостоятельно доработать выхлоп. И если резонанс присутствует, то установка дополнительных или других глушителей в систему не решает проблему – гул становиться тише или смещается по оборотам, но не исчезает, т.к. дополнительный резонатор не может кардинально изменить собственную частоту, характерную для данной системы. Вероятность “угадать” очень низкая и это тянет за собой постоянные переделки и траты.

Почему резонанса нет на штатном выхлопе? Потому что он многократно протестирован и создавался с единственной целью – обеспечить максимальный уровень акустического комфорта. Либо система построена так, что частота резонанса лежит за пределами частот, которые может создавать двигатель в выхлопной системе, либо в системе есть четко просчитанные элементы, которые подавляют звуковые волны нужной частоты.

Принцип подавления звуковых волн основан на том, что при сложении двух волн в противофазе они гасят друг друга. На графике сверху волны х1 и х2 совпадают друг с другом, в итоге амплитуда удваивается. На графике снизу волны в противофазе и взаимно гасят друг друга.

Что делать?

Нам нужно устройство, которое будет подавлять звуковые волны той самой “проблемной” частоты. Умные физики придумали решение еще в 19 веке, ничего о тюнинге не зная. В данном случае я имею ввиду Гельмгольца и придуманный им резонатор. Можно почитать wiki, но про выхлоп там ничего нет. Применительно к выхлопу резонатор Гельмгольца имеет вид некоторого объема, через узкое горло (трубку) соединенного с выхлопной системой. От объема, длины и диаметра горла зависит частота, которую данный резонатор будет подавлять.

Вот так это обычно выглядит в тюнинг исполнении и подобный резонатор мы Вам всячески рекомендуем, но у него есть существенный недостаток – частота его настройки определяется тремя параметрами (объем, длина и диаметр горла). Форма камеры при этом может быть любой. Вам нужно будет найти для нее место, изготовить, точно определить объем, подогнать под стандартный диаметр трубы для горла, уместить горло нужной длины и тд. Комбинаций размеров миллион. Вероятность ошибиться довольно высокая, переделка и подстройка частоты проблематичны, особенно если он не круглый. Резонаторы Гельмгольца мы рекомендуем делать тем, кто хорошо разбирается в вопросе или жаждет экспериментов и рукоделия.

Именно резонаторы Гельмгольца можно увидеть внутри штатных глушителей многих автомобилей. Тупиковая камера и трубка – это ничто иное как резонатор Гельмгольца.

Гораздо проще в расчетах и исполнении другой вариант резонатора – четвертьволновой. Он так же настроен на подавление волн определенной частоты и суть его работы в том, что к системе добавляется тупиковый отросток, длина которого равна четверти длины волны на частоте резонанса. В итоге при движении волн в трубе часть из них уходит в отросток, отражается от тупика и возвращается в трубу, проделав при этом путь, равный половине длины волны. Из за этого волны в трубе сходятся в противофазе и взаимно гасят друг друга, происходит волшебство и в салоне становиться тихо. У данного резонатора всего один важный параметр – длина. Диаметр, объем и расположение имеют второстепенное значение и ими можно пренебречь, используя базовые принципы.

Переходим к практике.

Итак, простой и понятный рецепт борьбы с гулом от MFSTORE.

Данный метод гарантированно работает и часто может быть единственным решением проблемы. Наиболее дешевый и простой в исполнении. Расчеты мы все сделали за Вас.

  1. Четко определяем обороты, на которых Вас беспокоит гул в салоне. Наверняка вы уже можете точно попасть тахометром в это место.
  2. По таблице выше определяем частоту резонанса и длину четвертьволнового резонатора для вашего мотора. Мы постарались сделать ее максимально расширенной.
  3. Примеряетесь рулеткой под днищем автомобиля где будет удобно разместить трубу нужной длины. Форма трубы может быть любой. Диаметр – чуть меньше диаметра выхлопа.
  4. Расположение резонатора допускается после катализаторов и вплоть до насадок. Чаще всего – перед задним глушителем (если он есть).
  5. Для V-образных моторов с двутрубным выхлопом нужно два резонатора длиной как в таблице.
  6. Резонатор рекомендуется сделать регулируемый, т.к. точность ваших измерений длины и оборотов невысокая. Это усложняет конструкцию, но облегчает подстройку. Решать Вам.
  7. Отвод резонатора приваривается под углом 90 градусов к основной трубе.
  8. Выезжаем на тесты и наслаждаемся тишиной, если все сделали верно. Если гул остался – нужно откорректировать длину резонатора.

Резонатор Гельмгольца. Часть 1

Часть 1. Введение

Всем привет!
В прошлом посте мы сделали выхлоп, теперь пришло время впускной системы.
Было решено ставить резонатор Гельмгольца.
И так что же это такое:

Резонатор Гельмгольца (акустический резонатор) — акустический прибор, сосуд сферической формы с открытой горловиной. Изобретен Гельмгольцем около 1850 г. для анализа акустических сигналов, теория разработана Г. Гельмгольцем и Дж. Рэлеем (см. Резонанс Гельмгольца).

Прибор способен совершать низкочастотные собственные колебания, длина волны которых значительно больше размеров резонатора. Если применить аналогию с механической системой (шарик на пружине), то аналогом колеблющейся массы является воздух в горле, а объём в сосуде играет роль упругого элемента.

В негармоническом звуковом поле такой прибор реагирует только на колебания с частотой, амплитуда возникающих колебаний во много раз превышает амплитуду звукового поля. Поэтому набор резонаторов с различными собственными частотами может применяться для анализа звука. Из-за трения в горле резонатора на частоте возникает сильное поглощение звука, что используется для создания резонансных звукопоглотителей в архитектурной акустике. Явление акустического резонанса используется в архитектуре, автомобилестроении, конструировании музыкальных инструментов и пр.

Возможно вы уже видели резонаторы Гельмгольца на брендовых выхлопных системах автомобилей, выглядят они так:

На впуске же, он используется не реже:

И так для чего же он нужен?

На четырёхтактных двигателях где газораспределением управляют клапана он в первую очередь нужен чтобы уровнять давление и снизить посторонние шумы.

Принцип работы:

Когда поршень двигателя движется к верхней мёртвой точке, в картере создаётся разряжение и при открытии впускного окна смесь из карбюратора устремляется в подпоршневое пространство. (Рис .1)

При закрытии окна поток смеси за счёт инерции ударяется в стенку поршня и в этот момент между поршнем и карбюратором образуется зона повышенного давления. Таким образом, здесь создаётся волновой процесс, которым можно управлять с помощью резонатора.

В резонатор, в момент закрытия впускного окна, попадает волна избыточного давления свежей смеси. (Рис.2)

В момент открытия впускного окна, смесь из резонатора поступает в подпоршневое пространство. (Рис.3)

Судя по проведённым испытаниям, ёмкость резонатора примерно равна объёму цилиндра.

Теперь о том, как резонатор работает.

Он начинает действовать, когда дроссель прикрыт достаточно, что бы его гидравлическое сопротивление стало сопоставимым с сопротивлением канала резонатора. При движении поршня вверх горючая смесь поступает в кривошипную камеру не только из-под дросселя карбюратора , но и из ёмкости. При уменьшении разрежения резонатор начинает всасывать в себя горючую смесь. Сюда же пойдет часть (и довольно большая) обратного выброса . При этом уменьшается выброс топлива в воздушный фильтр, уменьшаются так же колебания давления над распылителем, что благоприятно для распыла топлива. Эффективность конструкции возрастает при опускании дросселя.

Работа резонатора напоминает пружинный маятник, где роль пружины играет горючая смесь, находящаяся в емкости, а роль груза – смесь, находящаяся в канале. При совпадении собственной частоты колебания маятника (в нашем случае – смеси в канале) и вынуждающей силы ( волн возмущений во впускном канале двигателя) наступает резонанс – увеличение амплитуды т.е. в нашем случае количества поступающей в двигатель смеси.

При желании улучшить работу двигателя в других диапазонах нужно учитывать следующие:

• При увеличении расчетной частоты возрастает гидравлическое сопротивление канала (больше скорость протекания горючей смеси), a также уменьшается время на цикл, вместе с тем на малых оборотах двигатель не развивает достаточную мощность.

• Работа двигателя на частоте ниже резонанса эффективнее, чем выше него.

• Канал должен быть по возможности короче (малое линейное сопротивление), a емкость – возможно вместительней (большее количество подсасываемой смеси при одинаковом разрежении во впускном тракте).

• Все элементы резонатора должны быть достаточно жесткими, чтобы сохранять форму под действием разрежения.

Источник: Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания” В.М.Кондрашова.

Сообщества › Выхлопные Системы и Впуск › Блог › Резонатор Гельмгольца

Ссылка на БЖ
www.drive2.ru/l/8653418/
Хотел бы поделиться опытом во внедрении резонатора Гельмгольца и его положительной работе.
На роль первооткрывателя совсем не претендую))

Читать еще:  Как проверить на течь радиатор

Была изготовлена вот такая штуковина

Далее она заняла своё место

Смею предположить, что многие из Вас, кто хоть как-то интересуется тюнингом, видали картинки в интернете выхлопных систем именитых брендов. Например вот

А задавались ли вы вопросом, что это за глухой бочонок рядом с банкой? Данет?))
Это резонатор Гельмгольца. Назначение его — подавление определенных звуковых частот.

Теперь ближе к делу. Владельцы прямотоков, как я)) причем ПОЛНЫХ прямотоков, которые только с оконечной банкой, частенько жалуются на гул в салоне на определенных оборотах работы двигателя. Но я не такой)) я особо не жаловался, но вот мои пассажиры жаловались при дальних поездках. В иной бы раз просто остановился и выкинул их как ненужный балласт, но нет)) в числе недовольных и близкие и уважаемые мне люди))) Решено было как то попробовать бороться с нежелательными частотами.

Решений обдумано было несколько. Из них были и такие как замена оконечной банки и вварка резонатора. Но весь выхлопной тракт был сварен на 3″ дюймовой трубе и поэтому в магическую силу глушителейрезонаторов на такой трубе я просто не верю. Есть конечно вариант поставить не прямоточный глушитель, но тогда пропадет вся прелесть раннего спула турбины. Иными словами на положительный буст будет выходить позднее. Готов ли я к такому? В данный момент пожалуй нет!

Поэтому и засвербило у меня в одном месте испробовать в деле этот чудный резонатор Гельмгольца.
И так что же это такое))
Резонатор Гельмгольца (акустический резонатор) — акустический прибор, сосуд сферической формы с открытой горловиной. Изобретен Гельмгольцем около 1850 г. для анализа акустических сигналов. (Википедия)

Кто знаком с автозвуком знают, как влияет акустическое оформление сабвуферного динамика на качество его звучания. Тут картина схожая.

И так, первым делом нам нужно узнать паразитическую частоту нежелательного гула. Я использовал для этого телефон с программой spl spectrum analyzer. В ходе замеров выяснилось что особо выделяются частоты 68, 86, 107 и 129 Герц. Первые два значения проявляются на около холостых оборотах, поэтому они мне не интересны. Все моё внимание было к 107 и 129 Герцам.

Для изготовления правильного резонатора нам необходимо знать объем его камеры, площадь трубы (которой он будет соединяться с основной трассой) и её длину.
Находим формулы в интернете и пробуем хоть с чего то начать считать

Ну и получаем объем резонатора 32 литра))
Получив такой результат я все перепроверил, убедившись что косяк не мой. И снова начал копать интернет))
Первоначальная формула оказалась не верной. Верная формула выглядит так

В ней меня насторожила скорость звука 340 м/с. Найдя справочные данные, понимаю что это при нормальных условиях. Сколько температура выхлопа на конце выпускного тракта? Кто-то пишет что 200 градусов после хорошего отжига, кто-то склоняется к 100 градусам. Решаю посчитать, а большая ли будет разница при разной температуре

В этих расчетах взял диаметр трубы входа в резонатор 38 мм (думал в заначке именно такая и лежит) и её длину 10 см

Как видно разница в объеме не маленькая, пренебречь температурой нельзя! Решаю остановиться на 100 градусах, так как цель — избавиться от гула при движении по трассе, а если на отжигах она будет выше — да вообще пофиг, пусть хоть листья с деревьев осыпаются от звуковой волны)))

Ну а дальше практика и дальнейшая корректировка))

В гараже варю “ту самую коробочку”, цель — как можно больший объем. Решаю расположить её в нише правее глушителя.
Сразу отвечу на вполне логичный вопрос — какого фига она формы не цилиндрической? А вот такого)) нет трубы раз, есть спецстальной отлив (подоконник) это два, ну и так можно выиграть бОльший объем это три))

В итоге объем получается 4 литра!)) очень не мало и это хорошо. Прямо в гараже сажусь за расчеты))

Труба для входа в резонатор оказалась 35 мм в диаметре. Частоту “настройки” взял 118 Герц — среднее значение между двумя пиками 107 и 129 Герц.

Получил что длина входа всего то 6,5 см))
Ну а дальше дело техники.

До и после этой работы снял видео, но просмотревпрослушав его дома на нормальной акустической системе, разницу особо не уловил. Но в реальности она есть — совсем чуть-чуть стало тише на холостом при прогретом моторе (прогретом, потому что вспоминаем роль температуры в формуле), не особо заметна разница если газовать на месте (вот это и есть на видео), но вот звук под нагрузкой, в движении изменился сильно. Паразитический гул практически полностью исчез! Ездил по трассе и это явно заметно, разница на лицо! Результатом проделанной работы я очень доволен)))

Ну и видео все таки выложу, а то читая записи данного сообщества частенько видаю гневные комментарии по поводу отсутствия видео допосле


Извиняюсь за видео “после”, получилось так что кончилась память на флешке телефона и оно записалось часть на флешку, часть на память самого телефона — пришлось склеивать)) Сорри))

Ну и для особо ленивых бонус в виде выведенных формул))

На этом на сегодня у меня всё))
Надеюсь хоть кому-то поможет, а кому-то просто внесет ясности))

Спасибо за внимание!
Всем тихих прямотоков))

Infiniti FX #MILF Stage2+upRev, R22 › Бортжурнал › [Выхлоп] Резонаторы Гельмгольца для подавления гула прямотока + видео

Рано или поздно, любитель звука выхлопа приходит к тому, чтобы приглушить свою полноценную прямоточную систему. Даже Invidia.
Хоть и разработанную специалистами непосредственно для данного авто, но изрядно давящей на уши.

Звук выхлопа Invidia звучит довольно сочно.
Сочно на холостом году, причем бубнит так, что если присесть сзади машины — то закладывает уши.
Сочно звучит когда раскачегарится выше 4000 — вот там он вообще шикарен.

Но есть еще и городские обороты, в которых бывает просто убийственно.
И вот так поездив, понял что у меня после 2 часовых разъездов по городу начинает течь мозг из ушей и закладывать уши. А потом голова шумит как после ночи в клубе — надо что-то менять.

Читать еще:  Кипит аккумулятор при зарядке

Поехал к ребятам в AutoNewArt, проконсультироваться.
Был предложен вариант тюнячки, чтобы все было в лучшем виде

Поржали и потом поведали мне о резонаторах Гельмгольца, в тот день уехал и засел почитать теории.

Проблема:
Прямоточные глушители имеют проблему с резонсным гулом.
Иногда частота резонанса может совпадать с частотой колебаний самого кузова авто, и от этого усиливаться еще больше, когда находишься в закрытой кабине.
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.
Чтобы узнать их точно — нужны замеры.

Замеры:
производятся довольно не сложно, в автомобиле, в движении под нагрузкой, подводите двигатель к тем самым оборотам, которые вас больше всего убивают.
Замеряется это с помощью программы на телефоне.
выглядит так

либо как это выглядело у amojnoya

в моем случае два пика находилось на частотах 107Гц и 127 Гц.

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:

Важный момент — температура выхлопа имеет прямое влияние на необходимый объем, поэтому первым делом сделали замер температуры выхлопных газов

5 минут на прогретом двигателе, и максимальная температура была показана в 310 градусов.
меряется температура в месте где будет ответвляться труба к резонатору Гельмгольца.

Бонусом — видео со звуком, когда снята задняя банка на машине!
видео и телефон никогда не передают как оно есть на самом деле, но в замкнутом пространстве — это просто адский ад! ))
Примечательно, именно в это звуке слышны те нотки, которые не нравятся в выхлопе. И, как говорят ребята с AutoNewArt — так всегда звучат VQ35DE движки. Это их родной голос

Далее делается расчет делает для двухлитровой емкости, необходимая частота уже варьируется лишь длинной отвода от тракта.

Потом происходит то, к чему я не был сразу готов, насмотревшись красивых картинок полированных изделий в интернете, но видел иногда проскакивают такие варианты — ОГНЕТУШИТЕЛЬ!

2 емкости огнетушителя! 🙂 красные такие, обычные огнетушители!
оказывается у них идеальная форма задней стенки — полусфера, и идеально выверенный объем в 2 литра!
Более того, они держат порядка 12 атмосфер.

Где нужно врезать резонаторы Гельмгольца? теоретически в любой части выпускного тракта. Но опытным путем, было замечено, чтоб когда они стоят где-то после катализатора, или до X-pipe — то они снижают момент двигателя. Это проверялось заядлыми гонщиками на стендах.
Поэтому рекомендуется их устанавливать как можно ближе к хвостовой банке!
Главное не после нее! 🙂

пару часов ожидания и у меня вырастает 2 баночки.
Одна настроенная на частоту 125 Гц, вторая на частоту 105Гц. Каждый на своей отдельной трубе.
что соответсвует резонансу на оборотах в 2000-3000 двигателя.

Итог:
по 100$ за одну баночку с работой. 2 банки.
теория оказалась работает, и работает очень даже ощутимо!
в салоне пропал резонанс в оборотах с 2000-3000.
шум выхлопа в этом диапазоне заметно снизился, так на 60-70% где-то. Вероятно что в основном благодаря тому что исчез резонанс.
Так же до 3000 выхлоп стал более мягкий.
тише раза в 2 стал на холостом ходу, что наверное бы отнес к минусам.
появился какой-то очень узкий, но выделяющийся гул ровно на 2050 оборотов. Частенько в городе двигатель проходит через них, и его слышно.

В целом ощущения от переделки крайне положительные.

Спустя несколько месяцев чувствуется что это еще не предел работы с выхлопом.
Но пока еще не представляю что буду с ним делать.
Потому что звук выхлопа на холостом ходу нравится, нравится как он орет после 3,5 тысяч.
А вот для повседневно-спокойной езды, хочется убрать звук с 2000 до 3000 оборотов на минимум вообще.

Примерно как сейчас работает двиг до 1900 оборотов — он бурчит себе приятно.
Но здесь уже видимо зависит от двигателя, конкретно моего выпуска и его персональных данных.
У кого-то наоборот начинает инвидиа орать только от 3000.

Нашел людей с таким же выхлопом INVIDIA, даже в Минске.
Надо будет встретиться, послушать у других и подумать что будет в отстройке звука дальше.
Может быть назойливость уберет хорошая шумка салона, которая в планах на этот год.

а пока что всем добра и прятных фоточек в ленту!

Если понравился материал и был полезен — подписывайтесь, ставьте лайки. Пока!

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.

Читать еще:  Как стучат клапана

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.

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 = (C / 2π) · √(S / (V · L))

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:

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 = (C / 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!

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector