建筑与室内声学

在谈Helmholtzresonator 之前, 我想先说说 “简单的振动系统”.
我们都知道振动产生声波, 如故声波在人耳可以感觉到的范围, 那我们就可以听到声音. 说到振动, 我们可以通过3个 “简单的振动系统”, 从而可以了解3种基本的振动形式.

1. 钟摆. 我们可以想象把一块重物(mass)系在一根绳子的一头, 然后另一边悬挂固定在一个地方,摆动重物, 这时候, 重物就可以有规则的左右摇摆.有人把一个沙盘放在重物下面,当重物左右摆动时, 往前或后移动沙盘, 重物就会在沙盘上画出相我们平时看到的波型一样的图案.

2. 空气弹簧. 我们想象它是一个有重量的活塞在一个底端密封的圆柱体内. 活塞往下,空气压缩, 把活塞弹上去, 压缩释放, 活塞重新往下运动. 所以圆柱体内的空气就象一个弹簧. 声音在空气中也是以压缩然后释放的形式传播的.

3. Helmholtz resonator. (酒瓶) 瓶颈里空气的质量相当一个活塞,瓶体内的空气相当一个弹簧, 和刚才圆柱体内的空气是一个功能.

每一种形式都有一个相应的公式去计算它的振动频率, 但是我不想在这里浪费大家的时间,
因为我们只是需要知道它们的工作形式, 和怎样结合到实际工作中就足够了.

说到这里我们知道, Helmholtzresonator体现了一种振动形式. 作为一个共振器, 它在声
学方面的应用是很广泛的. 这里我只想谈其中和我们有些关系的一小部分.

1.
在mic, amplifiers, spectrum analyzers (频谱分析仪)没发明之前, Helmholtzresonator 帮助人们学习物体的振动原理和分析一些复杂的声音. 比如 “大钟”的mode(振荡形式) 就是用Helmholtz resonator 测量出来的. 研究人员做一些两头开口的圆形空心瓶子(两个瓶颈), 一头贴紧耳朵, 一头对准发音的大钟, 从而找到大钟的mode. (如果你不知道什么是mode, 可以在网上查一查)

2.
吉它或小提琴的共振, 本质上也是Helmholtzresonator, 如果你有很好的肺活量, 你可以试着往小提琴的F孔或吉它的音孔吹气, 这时你也许可以听到共振频率. 另外一种方法是把一只mic放在琴体内, 然后用一只音箱或信号发生器对着琴体播发sweep sine wane, 这时, 琴体内的mic 就可以测到共振频率.

3.
Bass reflex loudspeaker (低音音箱) 也是利用Helmholtz resonator的原理, 音箱内的低音共振频率通过音孔反射出来, 增加低音的能量, 所以音箱箱体的设计是很严谨的.

最后一种我想谈的是具备消音或吸音功能的Helmholtz resonator, 也是我和版主与其他朋友探讨的问题.

4.
汽车消音器(不是全部汽车消音器都使用这种技术) 或狭板共振器(slatresonator). 汽车消音器是通过在汽车排气管中间段副加挂一个空体, 空体内有吸音材料, 帮助吸收声音. Slat resonator 也是用垫在内部的吸音物质来吸音. 我们可以想象一下, 如果把吸音物质从它们中间任何一个拿出来, 它们的共振体本身还可以达到我们想要的吸音或消音效果吗? 肯定不行. 当然, 物体受外界声音的影响产生共振肯定可以帮助衰减声音的. (墙面复合板共振就是帮助吸收的低频的) 但是, Helmholtzresonator 本身的共振衰减是有限的, 完全达不到我们对吸音的要求. 如果你问我, 那为什么我们还要使用Helmholtz resonator做吸音呢? 我的回答是: Helmholtz resonator 本身并不可以当吸音器用, 它要经过改装, 变成Absorber, (吸音体), 才可以达到吸音的效果. 但是改装后的它, 已经不能叫Helmholtz resonator了, 应该叫Helmholtz resonator Absorber, 或 slat resonator, 或automobile muffler 等等. 我们用Helmholtz resonator的原理做吸音体是因为, Helmholtz resonator的原理可以把我们吸音的频率确定在我们想要的特定的频率范围内.

以上的一些想法和见解都是以前在学校学到的, 所以想和大家共同探讨与分享


下一次我想谈一谈声学材料的问题. 祝大家有一个好的周末.

Tom兄，所有的第123我都比较同意，但是第四我稍有不同意见。据我了解，Helmholtzresonator不需要吸音装置也是一样可以吸音的，里面的吸音体并不是必要的。最早采用Helmholtzresonator的罗马帝国就没有用什么另外的吸音体。

[ 本帖最后由 jerbest 于 07-8-19 10:55 编辑 ]

1.为单摆,近似简谐运动的一种
2.是根据压强差原理,同样,利用液体压强就是另外一种弹簧设计
3.这应该和刚才的圆柱体不同,你所说的空气弹簧应该是完全密闭的,是根据内外压强差原理,而赫母霍兹是半封闭,这就相当于共鸣器吸音体和薄膜吸音体,两者是完全不同的原理.

如你所说,赫母霍兹只是一种原理,他可以应用到很广泛的领域.
有一点我不大认同,共鸣器本身并不是不能作为吸声体使用,只是频带不够宽,所以应用面不广而已.你所说的旁支消声器就是很经典的共鸣器,只是这种设计面对频带较窄罢了. 现在常用的赫母霍兹共鸣器频带会拓宽,利用狭板的厚度和宽度以及间隙来改变声阻,并且综合声波衍射原理,来改变吸收频率.之所以使用这种吸音体是因为其可以选择其反射和吸收的频带,面板上的狭板可以起到一定的扩散作用,在现在对声场活跃要求更高的场合下,应用的越来越广泛.
这种讨论很有意思,希望以后大家可以这样多交流~

同意stars的说法。
另外，你能讲讲共鸣器吸音体和薄膜吸音体吗？

空气弹簧(a spring of air) 不是全封闭的, 它是靠活塞的mass, free to move in a cylinder of area(A) and length(L). vibrates in much the same manner as amass attached to a spring.(只是担心我的水平解释不清楚这句话). 如果它是全封闭的话, 它就不可以利用mass, free to move 了.

如果我没理解错的话, 你说的是air spring, (一种常用于振动绝缘的设备), 就是全封闭的. 它是另外一种东西, 不是我贴子里提到的.

for a spring of air, 它的公式是(1除2派)(根号(空气常数乘gas pressure乘活塞的面积) 除(mass乘length)

For a helmholtz resonator, the mass of air in the neck now serves as the piston, and the air in the larger volume V as the spring, 它的公式是, (声速(344)除2派) 乘 根号 (颈的面积, 除, (V乘颈长))

同样, the helmholtz resonator can be thought of as having a mass (m) and a spring constant K. 这个公式我不想写了. 所以, 可以把瓶颈的mass 功能看成活塞的mass, 腔体可以看成弹簧.

关于helmholtzresonator 是否可以做为吸音器用, 昨天我和jerbest聊了很久, 彼此交换了很多信息. 我也读了他推荐的书(master handbook of acoustics)中关于helmholtz 的一节.书中也再次提到腔体是弹簧的理论. (the air in the cavity is springy, and the mass of the air in the neck of the jug reacts with this springiness to form a resonating system, much as weight on a spring vibrating at its natural period.

书中提到一个实验, 用1152个10oz的可乐瓶子排在8x9的水泥地板上, 185Hz 5.9 sabins, 但是band width (-3dB)只有0.67Hz. 我说过, 物体受外界声音的影响产生共振肯定可以帮助衰减声音的, 但是象用可乐瓶子的方法也只是用于实验的目的. 书中还提到, 罗马人和西腊人用壶排列在露天剧场里是主要为了提供混响. 当然巨大的壶也会吸收一些LF.

在我的贴子里提到, 最初的helmholtz不能用于吸音, 是因为它的效率限制性. 而那些使用它的特性改良的吸音器, 严格的说是用helmholtz的理论创造的另一种共鸣器. 我的一个同学说, 一孔, 一颈, 一体, 才是真正的helmholtz resonator.我开玩笑说,两孔算不算, 他说不算, 我说小提琴是俩个f孔, 然后他说, that's why we call it violin. 然后我们都笑了.

通过和jerbest谈过后, 我发现, 我在学校学习helmholtz时, 教授是把helmholtz resonator作为一种单独的物理声学讲解的, 所有根据它的特性而产生的其他现代吸音材料, 都很详细的分门别类于acoustical materials 里了.
所以我的贴子也是根据这个思路写的. 就向版主所说的 "旁支消声器就是很经典的共鸣器"
不错, 它也是根据helmholtz resonator的特性 加以改变创造出来的. that's why we call it "automobile mufflers"

谢谢jerbest和版主的讨论. 使我的认识更加清晰化. 我也是半瓶醋, 在不断的学习中, 如有错误, 还请谅解与纠正.

by the way, 版主是不是把你的msn发给我了, 还是你已经加了我了. 我怎么找不到了? 如果还没有, 加我的msn, taoboston@hotmail.com

TOM,我加你MSN了,可能因为咱们俩上线时间没有碰到呵呵..
  按照你公式上看,你所说的SPRING OF AIR是根据压强差原理,应该是密封的才是,因为只取决与大气压强和活塞面积.
  确实,正宗的赫母霍兹就是一个类似瓶子的东西,有一个瓶颈和瓶身,不过就像其他事物一样,这只是构成其本身的基本,现在见到的更多共鸣器都是他的扩展了.
  现在见到的应用广泛的赫母霍兹吸音共鸣器他的原理都不只是赫母霍兹共鸣器,只是共振消耗掉的能量是这种流行做法的很大优势.同时这种共鸣器结构还综合了基本的吸音材料吸声原理以及利用声衍射进行频带选择等.
  JERBEST,薄膜声陷也叫面板声陷(TOM,你那边应该叫PANEL TRAP)是一种窄带声陷，其可吸收带宽为大约一个倍频程，它可以使用一连串一平米左右的面板声陷去覆盖整个低频，而不必使用非常厚重的材料去增加吸音范围。由于低频成分有将近4个八度，所以可以通过不同厚度的面板声陷的组合来吸收不同频率的低频，并且由于高频成分可以被其面板反射，所以安装多个面板声陷亦不会使得声能被全部吸收造成声场过于沉寂。
   当作用频率范围内的声波接触前面板时大部分能量传导至面板带动其振动，此时由于密封腔内空气被压缩，空腔内部绝缘吸声材料提供反作用力，动能相互抵消而转化为热能。通过改变前面板的密度与厚度可以改变其吸声频带。需要特别注意的是，面板声陷必须严格密封，否则内外压强相等，便破坏了其物理结构，相当于单一吸音材料的吸收。通常面板声陷的安装是平行于墙面的。角落的通常要安置两个声陷，用于分别控制两个墙面的反射。
  以上是我以前写的论文上的内容呵呵..

哈哈!

哈哈。谢谢tom和stars的解说。学到了很多知识。
stars，你能再讲讲membrane absorber吗？

TOM，咱俩时差感觉不大对头。。虽然我都是凌晨睡觉，还是见不到你呵呵。。
JERBEST，我说的是PANEL TRAP，就是薄膜吸声体，也叫面板声陷

而且还学到很多东西!

stars, 我说的是我已经明白panel trap了。希望你能再讲讲membrane absorber。千万别说它们是一码事，因为我知道不是的。

[ 本帖最后由 jerbest 于 07-8-21 11:11 编辑 ]

我GOOGLE了一下,MEMBRANE ABSORBER和PANEL TRAP的原理是一样的,只是叫法不同而已.不知JERBEST兄如何看? TOM哪去了? 不知道你那边怎么叫这个东西

刚才查了一下资料。找到了两种membrane absorber，一种是在玻璃纤维上扑一层牛皮纸，另外一种是在helmholz resonator外铺一层铝箔。第一种起到一种低通滤波器的效果，第二种现当于在两个波段boost的EQ
。

据我所知, jerbest的英语水平还是不错的, 这点小问题您就不用费心了, 你看, 他自己就找到答案了!

我看了RPG的资料,纯粹的薄膜吸声体和面板声陷的原理是一样的,并且吸收低频,返回高频.JERBEST你找的第一个就是纯粹的MEMBREANE ABSORBER,第二个应该算是个改造体了呵呵
  TOM,我那天看到你你没理我