Перейти до вмісту
Мікросистеми, Електроніка та Акустика
ISSN 2523-4447 · e‑ISSN 2523-4455 Відкритий доступ · CC BY-SA 4.0
Т. 29 · № 3 · 2024 гру 17, 2024 Оглядові статті

Моделі акустичних резонаторів у дослідженнях звукопоглинаючих конструкцій

DR
Dmytro Dmytrovychj Razumov Відповідальний Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Україна
Сторінки314535.1-314535.8 Опублікованогру 17, 2024
PDF
ТОМ 29 · № 3 · 2024 Переглянути випуск

Анотація

У статті розглянуто сучасні моделі акустичних резонаторів, які знаходять застосування у розробці та дослідженні звукопоглинальних конструкцій. Детально проаналізовано чотири підходи до моделювання резонаторів, кожен із яких має свої особливості, переваги та обмеження, що визначають їхню ефективність у конкретних завданнях. Модель простого гармонійного осцилятора дозволяє проводити базові розрахунки частот резонансу та отримувати уявлення про основні принципи функціонування резонатора. Вона є ключовим інструментом для попереднього аналізу, що дозволяє швидко оцінити ефективність конструкції та її відповідність заданим параметрам. Хоча ця модель не враховує складні геометричні чи фізичні фактори, її простота та інтуїтивність роблять її незамінною на початкових етапах проєктування. Другий підхід базується на рівняннях хвиль і використовується для моделювання складних геометрій, де хвильові процеси значно впливають на поведінку резонатора. Така модель дозволяє враховувати взаємодію акустичних хвиль із поверхнями різної форми, а також досліджувати їх розповсюдження у неоднорідних середовищах. Це робить її ефективною для завдань, пов'язаних із точним налаштуванням акустичних характеристик у приміщеннях зі складною архітектурою. Модель електричних аналогій демонструє себе як універсальний інструмент для аналізу багатокомпонентних систем. Вона дозволяє представити резонатор як частину електричної схеми, що спрощує вивчення його взаємодії з іншими елементами акустичної системи. Цей підхід знаходить застосування у задачах, де важливо враховувати вплив зовнішніх факторів, таких як розташування резонаторів у просторі чи взаємодія між ними. Метод скінченних елементів (FEM) є найпотужнішим інструментом для аналізу акустичних систем із високою точністю. Він дозволяє моделювати складні конструкції, враховувати фізичні властивості матеріалів та геометричні особливості резонаторів. Використання FEM є особливо актуальним для проєктування акустичних панелей, елементів оздоблення приміщень та дослідження впливу зовнішніх умов на ефективність звукопоглинання. У статті наведено приклади типових задач для кожної з моделей, що демонструють їх практичну реалізацію у дослідженнях. Додатково обговорено напрями вдосконалення існуючих підходів, які можуть сприяти підвищенню ефективності розв’язання сучасних акустичних проблем. Окрему увагу приділено перспективам застосування моделей у майбутніх дослідженнях, включаючи розробку інноваційних типів резонаторів і створення комплексних моделей акустичних систем.

Ключові слова

#коефіцієнт звукопоглинання #резонатор Гельмгольца #резонаторні звукопоглинальні конструкції #математична модель

Посилання

  1. V. S. Didkovskyi and S. A. Luniova, Osnovy arkhitekturnoi ta fiziolohochnoi akustyky [Fundamentals of architectural and physiological acoustics], vol. 4. Kyiv, Ukraine: RSI Hydroprylad, 2001
  2. U. Ingard, “On the Theory and Design of Acoustic Resonators,” J Acoust Soc Am, vol. 25, no. 6, pp. 1037–1061, Nov. 1953, DOI: https://doi.org/10.1121/1.1907235
  3. T. J. Cox and P. D’Antonio, Acoustic Absorbers and Diffusers. Theory, Design and Application. CRC Press, 2016. ISBN: 9781315352220.
  4. M. Long, Architectural Acoustics, 2nd ed. Elsevier, 2014, ISBN: 978-0-1239-8258-2
  5. N. H. Fletcher and T. D. Rossing, The Physics of Musical Instruments. New York, NY: Springer New York, 1998, ISBN: 978-1-4419-3120-7
  6. B. Kim et al., “Development of a Slit-Type Soundproof Panel for a Reduction in Wind Load and Low-Frequency Noise with Helmholtz Resonators,” Applied Sciences, vol. 11, no. 18, p. 8678, Sep. 2021, DOI: https://doi.org/10.3390/app11188678
  7. Y. Kopytko, V. Zaets, S. Naida, V. Didkovskyi, and A. Damarad, “Research of the Resonance Properties of Helmholtz Resonators,” ScienceRise, vol. 4, pp. 10–16, Aug. 2020, DOI: https://doi.org/10.21303/2313-8416.2020.001389
  8. J. S. Kopytko, “Calculation of the Resonant Frequencies of the Throat Part of the Helmholtz Resonator,” Microsystems, Electronics and Acoustics, vol. 23, no. 5, pp. 70–75, Oct. 2018, DOI: https://doi.org/10.20535/2523-4455.2018.23.5.147782
  9. Y. S. Kopytko and S. A. Naida, “Calculation of the offset amplitudes in the Helmholtz resonators’ throat part at the resonance frequencies,” Microsystems, Electronics and Acoustics, vol. 24, no. 1, pp. 79–84, Feb. 2019, DOI: https://doi.org/10.20535/2523-4455.2019.24.1.164315
  10. F. Langfeldt, H. Hoppen, and W. Gleine, “Broadband low-frequency sound transmission loss improvement of double walls with Helmholtz resonators,” J Sound Vib, vol. 476, p. 115309, Jun. 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2020.115309
  11. M. V. Indenbom and S. P. Pogossian, “Characteristics of partially filled Helmholtz resonators,” Acta Acustica, vol. 7, p. 51, Oct. 2023, DOI: https://doi.org/10.1051/aacus/2023039
  12. K. Mahesh and R. S. Mini, “Helmholtz resonator based metamaterials for sound manipulation,” J Phys Conf Ser, vol. 1355, no. 1, p. 012031, Nov. 2019, DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1355/1/012031
  13. Q. Zhang et al., “Multi-Tube Helmholtz Resonator Based Triboelectric Nanogenerator for Broadband Acoustic Energy Harvesting,” Front Mater, vol. 9, Apr. 2022, DOI: https://doi.org/10.3389/fmats.2022.896953
  14. Z. Hu, C. Yang, and L. Cheng, “Acoustic resonator tuning strategies for the narrowband noise control in an enclosure,” Applied Acoustics, vol. 134, pp. 88–96, May 2018, DOI: https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2018.01.013
  15. B. Lemkalli, M. Idrissi, A. Mir, and Y. Achaoui, “Lightweight panels based on Helmholtz resonators for low-frequency acoustic insulation,” E3S Web of Conferences, vol. 469, p. 00042, Dec. 2023, DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202346900042
  16. D. Guan, D. Zhao, and Z. Ren, “Aeroacoustic Attenuation Performance of a Helmholtz Resonator with a Rigid Baffle Implemented in the Presence of a Grazing Flow,” International Journal of Aerospace Engineering, vol. 2020, pp. 1–16, Apr. 2020, DOI: https://doi.org/10.1155/2020/1916239
  17. R. Xue, C. M. Mak, D. Wu, and K. W. Ma, “The acoustic performance of a dual Helmholtz resonators system in the presence of a grazing flow,” Int J Aeroacoust, vol. 22, no. 1–2, pp. 23–40, Mar. 2023, DOI: https://doi.org/10.1177/1475472X221150175
  18. L. Yuvaraj, S. Jeyanthi, and L. B. M. Chinnapandi, “Sound absorption of Multilayer Micro perforated Panel with Helmholtz Resonator Mount,” in 48th International Congress and Exhibition on Noise Control Engineering (INTERNOISE 2019), 2019, p. 1671, URL: https://www.sea-acustica.es/INTERNOISE_2019/Fchrs/Proceedings/1671.pdf
  19. D. D. Razumov, “Vyznachennya vlastyvostey pohlynannya zvuku perforovanymy akustychnymy konstruktsiyamy [Determination of sound absorption properties of perforated acoustic structures],” Master Thesis, Igor Sikorsky KPI, Kyiv, Ukraine, 2023, URL: https://ela.kpi.ua/handle/123456789/63551
  20. Y. S. Kopytko, “Akustychni rezonatory skladnoyi formy [Acoustic resonators of complex shape],” PhD Thesis, Igor Sikorsky KPI, Kyiv, Ukraine, 2021, URL: https://ela.kpi.ua/handle/123456789/39569
  21. S. Basirjafari, “Innovative solution to enhance the Helmholtz resonator sound absorber in low-frequency noise by nature inspiration,” J Environ Health Sci Eng, vol. 18, no. 2, pp. 873–882, Dec. 2020, DOI: https://doi.org/10.1007/s40201-020-00512-w
  22. E. Choi and W. Jeon, “Near-perfect sound absorption using hybrid resonance between subwavelength Helmholtz resonators with non-uniformly partitioned cavities,” Sci Rep, vol. 14, no. 1, p. 3174, Feb. 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-53595-y
  23. Y. Zhu, H. Long, C. Liu, H. Zhang, Y. Cheng, and X. Liu, “An ultra-thin ventilated metasurface with extreme asymmetric absorption,” Appl Phys Lett, vol. 120, no. 14, Apr. 2022, DOI: https://doi.org/10.1063/5.0086859
  24. M. Liu, X. Wang, and F. Xin, “Sound absorption of acoustic resonant absorbers with rough oblique perforations,” Applied Acoustics, vol. 217, p. 109828, Feb. 2024, DOI: https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2023.109828
  25. A. Chojak, W. Binek, B. Chojnacki, J. Pqwlik, and J. Idczak, “The effect of sound-absorbing walls on the acoustic properties of the modelled unit cell of a sound-absorbing metamaterial,” Vibrations in Physical Systems, vol. 34, no. 2, pp. 1–8, 2023, DOI: https://doi.org/10.21008/j.0860-6897.2023.2.12
  26. S. Bi et al., “Enhancement of sound absorption performance of Helmholtz resonators by space division and chamber grouping,” Applied Acoustics, vol. 207, p. 109352, May 2023, DOI: https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2023.109352
  27. J. Guo, Y. Fang, R. Qu, Q. Liu, and X. Zhang, “An extra-broadband compact sound-absorbing structure composing of double-layer resonator with multiple perforations,” J Acoust Soc Am, vol. 150, no. 2, pp. 1370–1380, Aug. 2021, DOI: https://doi.org/10.1121/10.0005912
  28. H. Hoppen, F. Langfeldt, W. Gleine, and O. von Estorff, “Helmholtz resonator with two resonance frequencies by coupling with a mechanical resonator,” J Sound Vib, vol. 559, p. 117747, Sep. 2023, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2023.117747
  29. N. M. Papadakis and G. E. Stavroulakis, “Tunable Helmholtz Resonators Using Multiple Necks,” Micromachines (Basel), vol. 14, no. 10, p. 1932, Oct. 2023, DOI: https://doi.org/10.3390/mi14101932
§ 06 — Пов'язані

Схожі статті в цьому журналі

Пов'язані рецензовані дослідження, опубліковані в цьому журналі.
Усі випуски

Програмні засоби супроводження курсу вищої математики у технічному університеті

Дмитро Войціх, Данило Гринь, Марія Гринюк, канд. техн. наук, доц. Олексій Вікторович Богданов, канд. фіз.-мат. наук, доц. Юрій Павлович Буценко, канд. техн. наук, доц. Олена Іванівна Баліна, канд. техн. наук, доц. Ірина Сергіївна Безклубенко

У цій статті досліджується методологічний підхід до модернізації навчальної програми з вищої математики для студентів-інженерів, з особливим акцентом на потреби…

#Інженерна освіта #Викладання інженерії #Електронна інженерія #GNU Octave
с. 359022.1-359022.10
10.20535/2523-4455.mea.359022

Огляд газорозрядної гармати: фізичні основи, застосування та перспективи

Vadym I. Trokhymchuk, Serhii Borysovych Tuhai

Імпульсні газорозрядні гармати є перспективними інструментами в сучасних технологіях електронно-променевої обробки. Ці пристрої працюють на основі високовольтного…

#газорозрядна гармата #високовольтний тліючий розряд (HVGD) #електронний промінь #тріодна система
с. 341617.1-341617.7
10.20535/2523-4455.mea.341617

Акустичні вимоги до приміщень для особистої та групової психотерапії

Illia Volodymyrovych Melnyk

Психологічний вплив війни в Україні створив нагальну та суттєву потребу в ефективних втручаннях у сфері психічного здоров'я, зокрема в психотерапії. Оскільки…

#акустичний комфорт #психотерапія #терапевтичні простори #звукоізоляція
с. 329151.1-329151.7
10.20535/2523-4455.mea.329151

Схожі статті

1-10 з 63

Ви також можете розпочати розширений пошук схожих статей для цієї статті.