Loading article…
ヘルムホルツ共鳴（風の振動とも呼ばれる）は、空洞内の空気共鳴現象を指し、ドイツの物理学者ヘルマン・フォン・ヘルムホルツにちなんで名付けられました。[ 1 ]この種の共鳴は、空気が空洞（共鳴室）に出入りする際に発生し、内部の空気が特定の固有振動数で振動します。この原理は日常生活で広く観察でき、特に瓶の上部に息を吹きかけると共鳴音が発生します。
ヘルムホルツ共鳴の概念は、音響学、工学、物理学など、さまざまな分野において基礎となるものです。ヘルムホルツ共鳴器と呼ばれるこの共鳴器自体は、空洞とネックという2つの主要な構成要素から成り立っています。これらの構成要素の大きさや形状は、共鳴周波数、つまりシステムが自然に振動する周波数を決定する上で非常に重要です。
音響学の分野において、ヘルムホルツ共鳴は楽器の設計・解析、建築音響、音響工学において重要な役割を果たしている。また、自動車工学においても騒音低減や排気システムの設計に利用されている。
その基本原理は、共振器のネック部分にある空気塊の振動であり、これはバネに取り付けられた質量に類似した働きをする。気流などの外部力がこの空気塊を乱すと、空気塊は振動し、キャビティ内の空気が共鳴する。この現象は、鋭く振幅の大きい共鳴曲線によって特徴づけられ、他のタイプの音響共鳴とは区別される。
19世紀に概念化されて以来、ヘルムホルツ共鳴は研究と応用の対象であり続け、単純な物理システムと複雑な振動現象との相互作用を明らかにしてきた。
ヘルムホルツは1863年の著書『音の感覚について』の中で、複雑な音から特定の周波数を選別できる装置について記述しており、これは現在ヘルムホルツ共鳴器として知られている。これは、既知の体積を持つほぼ球形の剛性容器で構成され、片方の端に小さな首と穴があり、もう一方の端には音を発するための大きな穴がある。[ 1 ]
共鳴器の「乳首」を耳の中に入れると、複雑な音の中から特定の周波数の音がはっきりと聞き取れる。ヘルムホルツは著書の中で次のように説明している。「共鳴器を耳に当てると、周囲の空気中で発生する音のほとんどはかなり減衰する。しかし、共鳴器本来の音を出すと、その音は耳に非常に強く響く。共鳴器本来の音は、風の音、馬車の車輪の音、水のしぶきの中にも時折現れることがある。」
さまざまなサイズの共振器のセットが、複雑な音のスペクトル分析用の個別の音響フィルターとして使用するために販売されました。また、ユニバーサル共振器と呼ばれる調整可能なタイプもあり、これは、一方が他方の内側にある2つの円筒で構成されており、これらをスライドさせて空洞の容積を連続的に変化させることができます。このタイプの共振器10個のアレイが、ルドルフ・ケーニッヒによって設計された機械式フーリエ音響分析器で使用されました。 [ 2 ]この共振器は、 1897年にウィリアム・スターンによって発明された「トーンバリエーター」内の空気の流れによって駆動されると、可変周波数のトーンを発することもできます。[ 3 ]
空気が空洞に押し込まれると、内部の圧力が上昇します。空気を空洞に押し込む外部の力が取り除かれると、内部の高圧の空気が流れ出します。空気の慣性により、空洞内の圧力は外部よりもわずかに低くなり、空気が再び吸い込まれます。このプロセスが繰り返され、音の発生と停止後、圧力の変動幅は漸近的に増減します。
ポート（チャンバーの首の部分）を耳に挿入することで、実験者は音を聞き、その大きさを測定できる。チャンバー内の共鳴する空気塊は、首のない、より大きな2番目の穴を通して振動する。
腹足類の貝殻は、Q値の低いヘルムホルツ共鳴器を形成し、多くの周波数を増幅することで、「海の音」を生み出すことができる。
ヘルムホルツ共鳴器という用語は、現在ではより一般的に、瓶の口に息を吹き込むことで音を発生させる瓶も含むように用いられています。この場合、瓶の首の長さと直径も共鳴周波数とQ値に影響を与えます。
ヘルムホルツ共鳴器は、ある定義によれば、周囲の空気中を通過する音波からエネルギーを取り込むことで、チャンバー内の密閉された空気の振動運動の振幅を増幅する。別の定義では、音波は、密閉された空気空間の開口部上部を流れる均一な空気の流れによって生成される。
いくつかの仮定を立て、首の中の流体の質量と体内の圧力変化を考慮すると、ヘルムホルツ共鳴器の共振周波数は次のように導き出せる。[ 4 ]
または別の方法として：
どこ：
これら2つの定式化は、以下の方法を用いて等しいことを示すことができる。
最後に、共振周波数を示します。
首の長さが分母に現れるのは、首の中の空気の慣性が長さに比例するからである。空洞の体積が分母に現れるのは、空洞内の空気のばね定数がその体積に反比例するからである。 [ 6 ]首の面積を増やすと、空気の慣性は比例して増加するが、空気が出入りする速度も減少する。
穴の正確な形状、穴のサイズに対するシートの相対的な厚さ、および空洞のサイズによっては、この式には制限がある場合があります。より洗練された式は、同様の物理的説明（ただし、いくつかの違いは重要）で解析的に導出できます。[ 7 ]さらに、共振器上の平均流速が高い場合（通常はマッハ数が0.3を超える場合）、いくつかの補正を適用する必要があります。
ヘルムホルツ共鳴は、わずかに開いた車の窓が非常に大きな音を立てるときに発生することがあり、これはサイドウィンドウバフェッティングまたはウィンドスロブとも呼ばれます。[ 8 ]車は容積が大きいため、ウィンドスロブの周波数はかなり低くなります。[ 9 ]
ヘルムホルツ共鳴は、内燃機関、特にエアボックスに応用されている。「ヘルムホルツシステム」と呼ばれる吸気システムは、ダッジ・バイパーとラム・ピックアップトラックの両方に搭載されたクライスラーV10エンジン、そしてビューエルのチューブフレームシリーズのオートバイのいくつかで使用されている。
ヘルムホルツ共鳴器の理論は、排気音を変化させたり、排気管にチャンバーを追加することで出力特性を変化させたりするために、オートバイや自動車の排気管で使用されています。排気共鳴器は、排気管内の特定の周波数の音を打ち消すように寸法が計算されている場合、エンジンの騒音を低減するためにも使用されます。一部の2ストロークエンジンでは、リードバルブを不要にするためにヘルムホルツ共鳴器が使用されています。同様の効果は、ほとんどの2ストロークエンジンの排気システムでも使用されており、反射された圧力パルスを使用してシリンダーを過給します。
2010年代初頭、一部のF1チームは、排気吹き出し式ディフューザーシステムの一部としてディフューザーの縁を密閉するために使用されるガスの流れを均一にするために、車の排気システムにヘルムホルツ共鳴器を使用していた。[ 10 ]
ヘルムホルツ共鳴器は、例えば航空機エンジンの騒音を低減するための音響ライナーの製造にも使用されます。これらの音響ライナーは、次の2つの構成要素から成ります。
このような吸音材は、今日の航空機エンジンのほとんどに使用されています。穴あきシートは通常、機体の内側または外側から見ることができ、ハニカム構造はそのすぐ下にあります。上記のように、穴あきシートの厚さは重要です。ライナーが2層になっている場合もあり、その場合は「2自由度ライナー」（DOFは自由度を意味します）と呼ばれ、「1自由度ライナー」とは区別されます。
この効果は、航空機の翼の表面摩擦抵抗を20%低減するためにも利用できる可能性がある。 [ 11 ]
紀元前1世紀のローマの建築家ウィトルウィウスは、古典劇場の設計における青銅または陶器の共鳴器の使用について記述している。 [ 12 ] [ 13 ]
ヘルムホルツ共鳴器は、建築音響において、問題となる周波数に同調した共鳴器を構築し、内部に吸音材を配置することで、望ましくない低周波音（定在波など）を低減するために使用されます。
シタールから現代のギターやバイオリンに至るまで、すべての弦楽器において、楽器の応答曲線は、共鳴空洞の大きさや形状（基本空洞モードの倍音）に関連する一連のヘルムホルツ共鳴モードと、共鳴空洞材料（通常は木材）による吸収による振動減衰から構成されます。オカリナ[ 14 ]は基本的にヘルムホルツ共鳴器であり、開いた指穴の合計面積によって楽器が演奏する音が決まります[ 15 ] 。西アフリカのジェンベは、ネック面積が小さいヘルムホルツ共鳴器に関連しており、深い低音を生み出しますが、空洞に強く結合した張られた皮によって、より複雑で音楽的に興味深い共鳴システムとなっています。これは何千年もの間使用されてきました。逆に、人間の口は、口琴[ 16 ]、羊飼いの笛、鼻笛、鼻笛と組み合わせて使用すると、実質的にヘルムホルツ共鳴器になります。鼻は開いた鼻当てを通して空気を吹き込み、空気管に入り、開いた口に隣接する縁を横切って共鳴器を形成します。口腔の容積と形状は音の高さを増幅します。[ 17 ]
ヘルムホルツ共鳴は、バスレフ型スピーカーの筐体にも利用されており、筐体内部の空気の弾性とポート内の空気の弾性によってヘルムホルツ共鳴器が形成されます。ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数をスピーカーの使用可能な周波数範囲の下限に合わせることで、スピーカーの低域性能が向上します。
ヘルムホルツ共鳴は、圧電ブザーの動作原理の1つです。圧電ディスクが励起源として機能しますが、可聴音を生成するには音響空洞共鳴に依存します。[ 18 ]
