亥姆霍兹共振器来源

19世纪，德国科学家亥姆霍兹为研究共振问题发明了“亥姆霍兹共鸣器”，并通过它研究复合音中的泛音成分，做了乐音和语音的频谱分析，并提出音乐理论和听觉理论。亥姆霍兹共鸣器是一种最基本的声共振系统。它是一种用来分析复音的仪器，是一套用黄铜制成的大小不同的球形共鸣器。

消声装置（共振吸声）

共振吸声结构原理

吸声，主要是指声波在介质的传播过程中能量的消耗过程。当声波传播到介质表面时，一部分声波会被反射回去，另一部分被介质吸收，转化为机械能传递或转化为热能消耗。吸声现象是普遍存在的，但是只有较强吸声能力的材料才可以应用于实际场合。吸声材料的原理有两种，一是通过材料摩擦，将声能转化为热能；二是通过材料振动，将声能转化为机械能（振动），再转化为热能。

亥姆霍兹共鸣器就是共振吸声结构。结构内部是一个共鸣腔和一个弹簧系统（见图3），共鸣腔开一颈口与外部相连，声波从颈口进入腔体，使得颈口空气来回运动压缩腔内空气，形成一个空气弹簧。当入射声波频率与共振器结构固有频率一致时，发生的共振幅度最大，消耗的能量最多。所以，共振吸声结构对吸声频率有很强的选择性，吸声效果一般在中低频较好。

共振器实际功能与改良

在实际应用中，常常使用多个并联的共振吸声结构共同作用，或者与其他吸声材料结合使用，做到拓宽吸声带宽、提高吸声性能。例如共振吸声砖（见图4），具有隔声、保温、吸声构造简单、价格低廉等好处。

有学者研究亥姆霍兹共振器的改良，如研究在不改变共振器外形尺寸的同时改变连接管长度、串并联共振器数量，会有效改善共振频率的声学特性。首先将共振器分为共振管与共振腔，讨论管延伸长度、管横截面形状对共振器的影响；将多个共振器串联或者并联，讨论消声频带、共振峰等声学特性的变化。还有学者研究发现，亥姆霍兹共振器的外颈口变为内插颈口，可以获得相同声学特性的吸声结构，可以使吸声结构厚度变薄；如果将内插颈口弯曲，可以进一步减小吸声结构的厚度。

有学者研究“吸声材料对亥姆霍兹共振器吸声性能的影响”，研究表明，加吸声材料后，亥姆霍兹共振器共振频率与材料厚度成反比，传递损失与材料厚度也成反比；共振器材料厚度不变，流阻不断增加，共振频率会先减小再增加，直到流阻至无穷，吸声材料可以看作刚性壁，腔体体积发生变化，导致共振频率变化。

还有学者利用亥姆霍兹共鸣器对噪声的吸收功能，研究噪声发电的可行性。研究表明，共鸣腔与声波产生共振，使声波能量聚集，在颈口安装振动膜片，并与电磁式发电机振子相连接，切割磁感线把膜片振动的机械能转化为电能。

发声装置

改善声场

著名声学家马大猷指出，亥姆霍兹共鸣器可以控制厅堂音质。例如伦敦“节日大厅”，低频混响时间短，导致声音不丰富，将传声器放入多个共鸣器中，接收部分频率声音，再放大反馈至厅堂，可以延长100 Hz～700 Hz的混响时间，使演奏音色更加丰富。

同理，亥姆霍兹共鸣器以瓮、瓶的形式放置在剧场中，可以修饰声音。例如公元前5世纪，古希腊人就用黄铜瓶来调和剧场谐音。马大猷认为，“用陶瓮在舞台下或墙壁上做共鸣器以扩大声音或对声音的吸收，则是历代常用的音质控制技术”。亥姆霍兹共鸣器可受外部声场的激发并消耗其能量，但空腔内的振动又可通过短管辐射声波加强外部的声场，中国古代也有在戏院埋藏空罐以加强歌唱效果的做法。在《墨子》一书的记载中，有用地下埋藏的大瓮放大敌军活动的声音的装置（抗日战争的地道中也用过）

乐器设计

小提琴是一种弦鸣乐器，发声过程十分复杂。首先琴弓擦弦产生振动，弦振动通过琴马传递给面板，面板的振动将声音放大，同时产生丰富的谐音，最后传递给共鸣箱的f孔使声音传播出去。如果没有f孔，小提琴的音量低，而且音色沉闷。其中，共鸣箱面板上的f孔，使整个共鸣箱形成一个亥姆霍兹共鸣器，不仅可以使所有声音放出来，还可以使乐器最后一个八度的音得到加强。“按照简单的声学原理，在共鸣下面半个倍频程处，这种增强达到零点，这一理论在小提琴G弦上的#C—D附近”。

手碟是根据亥姆霍兹共鸣器原理制作的乐器（如下图）。手碟由两个半球型的氮化钢模组合而成，有较强的韧度。手碟的中心点基础音为“Ding”，围绕着中心点有8个凹陷区，可以发出不同的音高，从低至高以Z字排列。底部的中心有个孔，称为“Gu”，为低音部，也可作为调音用，它使手碟内部空气流动起来产生共鸣。

手碟在制作过程中，每一个音都会经过无数次敲打来调整音高。手碟的共鸣腔就在它的内部，每一个手碟都有固定的调式，随着不断地敲击，有可能会出现刚壁变薄以致于音高不准的情况，所以，制作者在设计乐器形状和音乐性能中需要进行不断探索。

倒相式扬声器设计

倒相式扬声器是目前应用较广泛的一种扬声器，与密闭式扬声器不同，它在箱体面板上安装有倒相管（其中“相”是指声波的相位）。扬声器由振膜推动空气振动发声，向箱体外传输和向箱体内传输的声波相位相反

（例如振膜向外运动时，外侧空气被挤压变密集，内侧空气变稀疏），倒相管可以把向内传播的声波再反向辐射到前方，从而使其与原本扬声器向外辐射的声波相位相同，由此可以增强声波能量。由于声波频率越高衰减越快，中高频声波波长较短，扬声器向后辐射的声波容易被箱体吸收，因此，倒相式扬声器的设计对改善低频响应有一定的作用。

小结

除文中所述，生活中常见的海螺、陶笛、非洲鼓、汽车排气装置等，都相当于亥姆霍兹共鸣器，这些都可以归类于两种应用，消耗声场能量的吸声体与加强声场的发声体。虽然亥姆霍兹共鸣器已经经历了100多年的发展，但是它仍然不断地应用在新领域，值得学者们多加研究。

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