Резонатор гельмгольца своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 16.09.2024

Делаешь резонатор из двух труб с звукопоглатителем внутри и он пошлощает.

Но его объем порядка 10% комнаты.

Софтинка ETF 5. может его подчитать между делом..

Спасибо Андрей, а нельзя ли поподроней.Моя комната имеет размер 4.57х3.34х2.43 и это значит, что мне надо делать резонатор обёмом в 3.7 м.куб? А как ето выглядит конструктивно и что это за софт ETF 5 и где его взять.

Именно ткую бочку тебе придется ставить.

А в хелпе все написано. Кстати и проверишь этой софтинкой есть ли у тебя резонансы.

Впрочем, обычный фазоинвертор это резонатор гельмгольца и все можно подсчитать по любой проге для расчета акустики.

А с чего ты решил, что тебе надо таким способом бороться с резонансами? И что они у тебя есть.

Скачал EFT, да очень полезная програмка и если все работает как написано, то очень скоро я смогу измерить все необходимые параметры. Вот только непойму какой нужно микрофон, про карту всё очень доходчиво написано,а вот с микрофоном несовсем.Могу ли я использовать обычный компютерный или надо покупать который используют для пения? Так он скорей всего дорогой. А насчет тюнинга комнаты, так потому что когда я покупал акустику она в магазине в неплохо акустически оборудованной комнате звучала подругому и сейчас разница только в комнате все остальные компоненты теже. Про резонаторы и их чудодейственные возможности читал где-то в сетке, но теперь понимаю что если я такое начну строить дома , то моя благоверная устроит мне сказку о царе Солтане, я имею ввиду как там была использована бочка.
Читал как-то на этом помоему форуме о трубах большого диаметра, которые использовались в качестве бас трапов, но несмог найти, потом вроде кто-то невнятно делился опытом как использовать прямоугольный деревянный щит закреплённый на стене с воздушным зазором сзади колонок . Так это вроде тоже в основе имеет резонатор Г. Правда не размеров не величины зазора неприводилось. А как ты справляешся с такими проблемами если они у тебя есть?

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)

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 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.

• 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.

Смотрю трубы - распространены полиэтиленовые низкого давления (ПНД). Есть разница - ПВХ или полиэтилен?
Высота предположительно в районе метра предполагаю - нормально?
Диаметр планирую найти 300-400 мм - достаточно будет?
Толщина стенок, если 3.2мм - это мало? Искать 7-9мм?
Чем обычно их по торцам глушат?

С Уважением, Андрей.

Размеры девайса зависят от рабочей частоты. Надо сначала все посчитать и сравнить расчеты с размерами доступных материалов и комплектующих.
Формула РГ:

, где

fH — резонансная частота, Гц;
v — скорость звука в воздухе (343 м/с);
S — площадь сечения порта, м?;
L — длина порта, м;
Vо — объем резонатора, м?.

Можете проверить?
У меня по расчетам в Excel получается одна частота, а по онлайн калькулятору*, который смог найти - другая.
Где ошибка? (Объем и площадь совпадают, а результаты - разные. К сожалению не нашел формулу которую используют они в онлайн калькуляторе для этого Гельмгольца)

Частота у меня: 86 Гц
Online: 46 Гц

Андрей, честное слово не хочу тратить драгоценное время на сравнение двух сторонних калькуляторов. Законы акустики всегда одинаковы, формула для расчета тоже одна. Но есть ряд теоретических допущений и упрощений, которые могут влиять на конечный результат. Допущения связаны с трудностью учесть влияние различных микрофакторов, как-то вязкость воздуха, например. Но подобные допущения могут изменить результат не более чем на несколько процентов. Я не знаю методологии, которой придерживались разработчики этих калькуляторов и поэтому нет предмета разбирательства.

Я сделал расчет по указанной Вами формуле (в Excel)
И для проверки - ввел свои данные в онлайн калькулятор.
Результаты отличаются в 2 раза. Я многократно проверил свой расчет - он соответствует формуле .
Но не хотелось бы ошибиться.

У Вас наверняка есть калькулятор для расчета цилиндрического Гельмгольца.
Не могли бы Вы ввести в нем мои исходные данные, указанные выше и сказать - какая частота резонанса получилась?

А ошибки в различных иностранных калькуляторах я встречаю регулярно, даже у весьма известных разработчиков.

Да, безусловно это все так.
Просто я не каждый день в Excel формулы создаю с квадратами и корнями. Вдруг ошибся, а ошибка "не по глазам" (не вижу я ошибки).
И если то устройство, которое я изготовил из ДСП обошлось мне в 200 руб., то эти трубы я буду покупать за существенно бОльшие деньги. И вообще с ними заморочек похоже предстоит немало. Вот и хотел перепроверить (чтобы сделать правильно уже).

Забегая вперед еще вопрос задам: как Вы считаете, отверстие (горло резонатора) принципиально с торца цилиндра делать или можно сбоку?

Андрей, я рассматриваю возможность изготовить резонатор из трубы полиэтиленовой. Нашел максимальный доступный диаметр с такими данными:
Наружный диаметр 315мм, Стенки 23.2 мм, внутренний диаметр 268.6 мм. Торцы думаю заглушить фанерой 20мм.
Частота, на которую буду настраивать: 75 Гц .

По расчетам у меня получаются следующие габариты:
Высота цилиндра: 1000 мм
Внутренний диаметр: 268.6 мм.
Диаметр порта: 52 мм
Длина порта: 20 мм

Не мал ли девайс получается? (Объем 5.7л.) габариты порта адекватные? (не с точки зрения калькуляции, а с точки зрения его эффективной работы) Как Вы считаете?

Если габариты нормальные, то сколько таких девайсов для начала стоит сделать в комнтату 50м3?
(По Вашему калькулятору RT60 сложно вычислить необходимую площадь этого девайса, поскольку неизвестен его к-т поглощения).

1. если надо выполнить высокодобротный поглотитель, "остро" настроенный на проблемную частоту, то лучше уменьшить диаметр порта, но увеличить его длину (и наоборот).
2. данный девайс является штучным и не измеряется через площадь. Количество выбирается только экспериментальным путем.

Андрей Смирнов писал(а): Частота резонатора определяется его внутренним объемом и массой воздуха, заключенной в горле резонатора длиной L и с сечением площадью S.
В реальности в колебательном процессе участвует не только воздух, заключенный в объеме горла, но и некоторая присоединенная часть воздуха с одной и с другой стороны горла. В расчетной формуле учитывается увеличение присоединенной массы воздуха с помощью добавочного коэффициента K=1,2. Таким образом, если мы говорим о щелевом резонаторе, то появляется параметр "эффективная глубина зазора" аналогичная параметру "эффективная длина горла" резонатора.

Для цилиндрического резонатора Гельмгольца справедлив ли график выше?
Если да, получается для большего к-та поглощения - не стоит использовать поглотитель? (Добротность высокая - подойдет).
Поглотитель подразумевается где: в корпусе или в горле?
В другой ветке Вы писали:

Вывод не совсем правильный.
Резонатор Гельмгольца потому так и называется, что резонирует
При этом в горле резонатора происходит возвратно-поступательное движение воздуха.
Если в горло резонатора поместить что-то, что будет оказывать сопротивление этому потоку, например, ткань или минеральную вату, то на частоте резонанса девайс начнет поглощать. Часть кинетической энергии молекул воздуха будет преобразовываться в тепловую энергию за счет потерь на "просасывание" воздуха сквозь ткань или минеральную вату.
Если площадь сечения горла (порта) резонатора небольшое, а длина порта относительно большая, то поглощение может быть получено и без ткани или минеральной ваты. В этом случае потери будут определяться вязким трением воздуха в горле резонатора.
В громкоговорителях с ФИ стоит задача усиления звука (резонанс), поэтому порты обычно имеют диаметр 35-60 мм. В этом случае потери за счет вязкости воздуха небольшие.
В резонаторах, которые применяются в качестве поглотителей диаметр портов или значительно меньше или порт снабжен поглотителем, при этом длина порта тоже выполняется достаточно большой.
В домашних условиях это предмет эксперимента

Какой материал предпочтительнее для создание "трения" в воздухе, в горловине резонатора: минвата, комок марли, войлок, другое. Насколько он должен быть продуваемым?

С поглотителем и без него РГ поглощает просто по-разному, а не более эффективно или менее эффективно, что и демонстрирует график. Сравните, например, уровень поглощения на частоте 63 Гц. С другой стороны, высокодобротный поглотитель может сам генерировать звук на резонансной частоте. Поэтому с высокодобротными поглотителями надо обходиться осторожно.

Выбор тип поглотителя в горле РГ определяется его харакетристикой сопротивления продуваемости воздухом. Для этого необходимы акустические расчеты. На практике можно просто подобрать подходящий материал опытным путем.

Андрей, можете привести пример резонатора Гельмгольца, эффективность которого доказана на практике в т.ч. измерениями?
Интересует конструктив (материал, габариты). Варианты: либо цилиндрический, либо в форме короба с одним портом.
Именно практические образцы интересны. С теорией уже ознакомился.
Дело в том, что мои образцы РГ показывают результат в пределах погрешности измерений, а так же не на той частоте, которая рассчитана по формуле.

Эффективность резонаторов Гельмгольца доказывать не надо. Проблема заключается в правильности изготовления и применения.
Самый яркий пример конструкции РГ это различные типы перфорированных акустических панелей, например, Кнауф Акустика на основе гипса или Topakustik на основе МДФ.

КЗП готовых конструкций измерен и проанализирован в лабораторных условиях и поэтому необходимое их количество легко определить расчетным путем.
КЗП самодельных девайсов определить невозможно без лабораторных измерений, поэтому неизвестно сколько их требуется - один, два или десять.
Надо экспериментировать.

Спасибо.
Однако, я спрашивал про модели с одним портом.
Т.е. мне нужно что-то относительно мобильное. Т.к. стены и потолок уже "заняты" НЧКП и прочими поглотителями, но резонансы хотелось бы еще по-подавлять.
И мне требуется подавить низкие частоты (ниже 100 Гц), с высокой добротностью.
Если я не ошибаюсь - перфорированные панели ориентированы на СЧ-ВЧ диапазон и являются низкодобротными.
Поэтому рассматриваю вариант изготовления РГ цилиндрического или в форме короба. С одним портом .

Пока не удается достичь успеха, интересуют успешные примеры РГ с одним портом.

Здравствуйте.
Что бы я ни прочитал на тему РГ, везде рассуждения на уровне гораздо более высоком моего понимания. ) Просветите, пожалуйста, на пальцах, чтобы я мог от чего-то оттолкнуться. )
При разговоре о РГ в акустике помещений речь идёт о поглощении ими какого-то внешнего сигнала, который соответствует РГ частотно. Так? Или речь идёт о поглощении всех остальных сигналов, а тот, на который настроен РГ, усиливается?
В случаях, когда сигнал располагается внутри РГ (колонки), сигнал однозначно усиливается. Так?
Вводят в заблуждение и непонимание статьи о голосниках в церквях. Понятно, что голосники - это РГ в чистом виде. Но про них пишут, упоминая и гашение ими сигнала, и усиление.
"Используя голосники разных размеров можно достичь поглощения в очень широком диапазоне частот, в том числе низких".
"Голосники, работающие усилителями, следует располагать в центральной и западной частях храма".
Я потерялся в самом базовом слое понимания. Прошу помощи клуба. )
Спасибо.

да, спасибо. я прочитал это ещё несколько раз. )
там идёт речь не совсем о том, о чем я спрашиваю. там речь идет о том, как РГ гасят сигнал. если есть поглотитель у него в горле, то будет поглощать. или если нет поглотителя в горле, но оно узкое, то тоже будет поглощать.
это мне понятно. мне непонятно, может ли рг усиливать, если источник звука внешний. в случае с ФИ ситуация не такая: при ФИ источник звука (динамик) является фактически стенкой резонатора.
РГ в чистом виде с внешним источником звука - это голосник в церкви. а что голосник делает? при описании голосников используют аккуратный и непонятный термин "улучшают акустику". это что? гасит эхо? или усиливает звук голоса?
меня РГ интересует в качестве усилителя определенной частоты. а везде, от акустики помещений до глушителей мотоциклов, он рассматривается в качестве гасителя.
можно ли заставить РГ усиливать, если звук извне, а не изнутри?

Читайте внимательнее - если в горле РГ не создаётся значительного сопротивления колебательным движениям воздуха на резонансной частоте (то есть, там нет эффективного акустического материала и/или столб воздуха, не заключён в узком и длинном горле девайса), то устройство не поглощает, а излучает на этой самой резонансной частоте, то есть, работает, как резонатор, а не поглотитель .

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.

Теперь о проблеме.

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.

December 14, 2014 Tags: гельмгольц , резонатор гельмгольца , резонанс , выхлоп , тюнинг , magnafow , bmw

Читайте также: