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:
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.
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.
• Все элементы резонатора должны быть достаточно жесткими, чтобы сохранять форму под действием разрежения.
Источник: Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания» В.М.Кондрашова.
Резонатор гельмгольца на мотоцикл
«Вы знаете, помогло! Итог: до 2500 выхлоп почти не слышно, немного громковато 2500-4500(ну все же прямоток, хоть и с камерами), потом уже слышно двигатель. Смачные прострелы при переключении вверх и даже вниз. При отпускании педали газа — тихо!»
Владимир Сидоров, Рязань
«Результатом в целом доволен, звук стал тише, в салоне так сказать земля и небо., чувствуется конечно выхлоп не сток, но и уши не закладывает.»
Дмитрий Буйников, Мытищи
«По результату, эффект однозначно есть, и понять его можно только в движении. До 3000 оборотов тихо, практически сток, а после абсолютно нормальный выхлоп, на повседнев самое то.»
Никита Машков, Санкт-Петербург
«ДОСТАЛ РЕЗОНАНС, МОЧИ НЕТ. ЕЗЖУ С АСПИРИНОМ И БЕРУШАМИ»
«Приветствую! Прочитал ваш блог и понял мне нужна помощь. Достал резонанс, мочи нет…езжу с аспирином и берушами((((
Показать полностью.
У меня RAM 1500 4,7 magnum, длиннотрубный равнодлинный коллектор, первичные трубы 1,7/8 дюйма, основной тракт 3 дюйма, стенка 2мм, материал 304 сталь, Y-пайп, банка Magnaflow одностволка
Резонанс проявляется на 1400-2100 об. — для меня любой 80% дороги. Он такой что я вибрацию телом чувствую…»
ПРОШЛО НЕМНОГО ВРЕМЕНИ.
«Результаты поразительные! После установки 2 5л резонаторов ощущение что машина вернулась в сток, и это при том что стоит полностью прямоточный выхлоп с равно длинным коллектором…
В результате, что хоть как то выхлоп слышать поменял банку с 29″ magnaflow на 15″ vibrant. При таком раскладе звук на уши не давит при спокойной езде, но если нажать на тапку даёт о себе знать.»
После таких отзывов и работа спорится! 
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!
Тема: Резонатор Гельмгольца
Опции темы
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?
Можно чуть подробней. (форма. частоты. расположение. и т.д.)
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
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.
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.
P.S. Кстати, методика расчёта по Шихатову неверна. Там две методические ошибки.
Если нужен расчёт «многодырочного» (или «многотрубного», не суть) резонатора, могу изложить.
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).
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.
Тихий прямоток своими руками. Резонатор Гельмгольца.
Показать панель управления
Комментарии • 75
Дядя, а где же звук что он тихий?
@Ti-REX Design цифры, чтобы всю эту воду не черпать, цифры и замеры прибором. Давайте по фактам говорить, всё таки 21 век, никто никому не верит без доказательно, верующие ходят в спец учреждения, для любителей сказок
@ήσυχο δινών умный? А не было такой мысли что во первых на субару резина шириной 225 и спортивная, а на хонде 185 и гражданская? У них по определению шум разный.
@Ti-REX Design ахаха, там громкости тупо разные по обстановке. по звуку шин видно что че то с микрофоном. Какое это сравнение, это шляпа
Вот тут. Для сравнения, Субару со стандартным выпуском от STI.
thexvid.com/video/ytqcKU_Nogg/видео.html
Сидит Ваня на заборе в алюминиевых трусах, и кому какое дело, что ширинка на болтах. Глушитель мне алюминиевый понравился. Был у меня глушитель с толстостенной трубы 4 мм железный. Такой тяжёлый! Крепления рвал. Сколько не усиливал, все рвал. Звук был неплохой, но вес.
Нет. Непосредственно сопло Лаваля я не использую.
@Василий Ломоносов ну я и на 4000 километров свои изделия отправлял.
((( я в Твери живу до вас 1800км
@Василий Ломоносов в Верхней Пышме. Приехать конечно можно, смотря откуда)
Но бывает что я и дистанционно работаю.
Телефон есть в описании, но лучше писать в ватсапп.
Скажите а вы где живете? к вам можно приехать?
Добрый день. Сделать можно. Пример посмотрите и послушайте тут: thexvid.com/video/j66F9-VZlPg/видео.html
Вы не совсем представляете что предлагаете. Вы путаете тон и тембр. Это все равно что сделать гитару которая на любом ладу выдаёт одну ноту. Тон задаётся оборотами двигателя, с учётом количества цилиндров и фаз газораспределения. Более того холодный и прогретый двигатель звучат по разному. Ибо скорость распространения звуковых волн в холодном и горячем газе сильно отличается. Например, при нуле градусов цельсия скорость звука 1193 км.ч. а при 1000 градусов 2574 км.ч.
Ваше предложение не сочетается с окружающей нас действительностью.
