聲學(xué)亥姆霍茲原理【消聲器/消音器】

亥姆霍茲是德國19世紀(jì)偉大的物理學(xué)家和生理學(xué)家，大家所熟知的力學(xué)三大基本守恒定律之首的“能量守恒定律”就是他最大的科學(xué)成就。而亥姆霍茲共振原理，則是亥姆霍茲在聲學(xué)領(lǐng)域的著名成就之一。本期，上海蒙康技術(shù)人員將講解聲學(xué)設(shè)計(jì)上常常涉及到的亥姆赫茲共振理論。

空腔共振吸聲構(gòu)造，是在構(gòu)造中封閉有一定體積的空氣，通過開口或小孔與聲場(chǎng)空間連通，如亥姆霍茲共振器。各種穿孔板(如穿孔石膏板、金屬板、纖維水泥板、木板等)、狹縫板等背后設(shè)置空氣層形成的吸聲構(gòu)造。亥姆霍茲共振器吸聲原理是：當(dāng)孔深t和孔徑d比聲波波長(zhǎng)小得多時(shí)，孔徑中空氣柱作用類似于質(zhì)量塊，而空腔V比孔徑大得多，作用相當(dāng)于空氣彈簧，于是形成”共振系統(tǒng)——彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)”。當(dāng)外界入射聲波的頻率和系統(tǒng)的固有頻率相等時(shí)，孔徑中的空氣柱由于共振而劇烈振動(dòng)并與孔壁摩擦從而消耗聲能。穿孔板吸聲構(gòu)造可看成是許多并聯(lián)的亥姆霍茲共振器。

該類吸聲構(gòu)造在共振頻率附近吸聲系數(shù)最大，離共振峰越遠(yuǎn)吸聲系數(shù)越小。吸聲頻率特性與穿孔率、板厚、板后空氣層厚度以及空氣層內(nèi)是否填充多孔材料有關(guān)，穿孔率大小取決于孔徑與孔距之比。

為了展寬穿孔板后空腔構(gòu)造的吸聲頻率范圍并提高其吸聲系數(shù)，一種方法是在穿孔板后鋪設(shè)多孔吸聲材料，另一種方法是采用孔徑小于l mm的微穿孔板。微穿孔板常用金屬薄板制作，其后一般不再鋪設(shè)多孔材料，適用于高溫、高濕、潔凈和高速氣流等環(huán)境中。

不過，如果穿孔率超過20％時(shí)，穿孔板已成為多孔材料的面層而不再屬于空腔共振吸聲構(gòu)造。對(duì)于一個(gè)亥姆霍茲共鳴器而言，當(dāng)其內(nèi)部空氣受到外界波動(dòng)的強(qiáng)制壓縮時(shí)，管道內(nèi)的空氣會(huì)發(fā)生振動(dòng)性的運(yùn)動(dòng)，而空腔內(nèi)的空氣對(duì)之產(chǎn)生恢復(fù)力（換句話說共振腔內(nèi)的空氣是一個(gè)“空氣彈簧”）。在聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于共鳴器幾何尺度的情形下，可以認(rèn)為共鳴器內(nèi)空氣振動(dòng)的動(dòng)能集中于管道內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能僅與腔體內(nèi)空氣的彈性形變有關(guān)。

f0是亥姆霍茲共鳴器的最低共振頻率，c是聲速，S是管道的截面積,d是管道的直徑，l是管道的長(zhǎng)度,V 是空腔的容積。在強(qiáng)度為一定振動(dòng)作用下,在這個(gè)頻率時(shí)，管道內(nèi)空氣振動(dòng)速度達(dá)到最大。這就是所謂“亥姆霍茲共振原理”。

亥姆霍茲共鳴器是一種高效率的聲能轉(zhuǎn)換裝置，既可以在內(nèi)部設(shè)計(jì)吸音材料成為“共振吸音結(jié)構(gòu)”，也可以通過驅(qū)動(dòng)其內(nèi)部空氣，將微小的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度很高的聲波從管口傳輸出去。亥姆霍茲共鳴器的應(yīng)用范圍很廣，作為吸聲裝置最典型的應(yīng)用就是音樂廳、電影院吸音墻的微結(jié)構(gòu)