تشدیدگر هلمهولتز: جعبهٔ جادویی صدا
هلمهولتز کیست و تشدیدگر چیست؟
هرمان فون هلمهولتز3، یک دانشمند آلمانی قرن نوزدهم بود که در زمینههای فیزیک و فیزیولوژی مطالعه میکرد. او به طور عمیقی به پدیدههای صوتی علاقهمند بود و موفق شد پدیدهای را که امروزه به نام او شناخته میشود، به طور علمی بررسی کند. یک تشدیدگر، در سادهترین تعریف، سیستمی است که اگر موجی با فرکانس مشخص به آن بدهید، با انرژی بسیار بیشتری نوسان کرده و آن موج را تقویت میکند. مانند یک تاب که اگر با زمان بندی درست آن را هل دهید، دامنهٔ نوسانش بسیار زیاد میشود. تشدیدگر هلمهولتز یک نوع خاص از تشدیدگر صوتی است که ساختار مکانیکی سادهای دارد.
اجزای تشکیلدهنده و طرز کار آن
یک تشدیدگر هلمهولتز استاندارد از دو بخش اصلی تشکیل شده است:
| قطعه | توضیح | تشبیه |
|---|---|---|
| محفظه یا حجم | یک فضای توخالی که معمولاً کروی یا استوانهای است. هوای داخل آن مانند یک فنر عمل میکند. | بدنهٔ یک بطری شیشهای |
| گردن یا سوراخ | یک دهانه یا لولهٔ باریک که به حجم اصلی متصل است. هوای داخل آن مانند یک جرم نوسانکننده است. | گردن باریک همان بطری |
طرز کار آن شبیه یک سیستم جرم و فنر است. هوای داخل گردن مانند یک جرم (وزنه) و هوای داخل محفظه> مانند یک فنر در نظر گرفته میشود. وقتی صدا (تغییر فشار هوا) به دهانه میرسد، این تودهٔ هوا مانند یک پیستون به داخل و خارج محفظه حرکت میکند و هوای داخل محفظه را فشرده یا رقیق میکند. این حرکت اگر با فرکانس طبیعی سیستم هماهنگ باشد، تشدید رخ میدهد و دامنهٔ نوسان (بلندی صدا) به حداکثر میرسد.
فرمول طلایی: بسامد تشدید چقدر است؟
فرکانسی که در آن تشدید رخ میدهد، تنها به سه چیز بستگی دارد: حجم محفظه، مساحت دهانه و طول مؤثر گردن. فرمول آن به این شکل است:
$ f = \frac{v}{2\pi} \sqrt{\frac{A}{V L}} $
در این فرمول:
$f$ فرکانس تشدید بر حسب هرتز4 است.
$v$ سرعت صوت در هوا (حدود 343 متر بر ثانیه در دمای اتاق).
$A$ مساحت مقطع دهانه یا گردن.
$V$ حجم محفظهٔ توخالی.
$L$ طول مؤثر گردن (که کمی بیشتر از طول فیزیکی آن است).
از فرمول مشخص است که برای ایجاد صدایی با فرکانس بیشتر (صدای زیرتر)، باید حجم $V$ را کوچکتر یا مساحت دهانه $A$ را بزرگتر کرد. برعکس، برای صدای کمفرکانس (بم)، به حجم بزرگی نیاز داریم.
تشدیدگر هلمهولتز در دنیای واقعی: از موسیقی تا مهندسی
شاید فکر کنید این یک پدیدهٔ آزمایشگاهی است، اما مثالهای آن همهجا هستند:
۱. سازهای موسیقی: بسیاری از سازهای کوبهای و بادی از این اصل استفاده میکنند. وقتی به بدنهٔ یک گیتار آکوستیک ضربه میزنید، صدای آن بمتر از آن است که فقط از سیمها بشنوید. محفظهٔ توخالی گیتار مانند یک تشدیدگر هلمهولتز عمل کرده و صدای سیمها را در فرکانسهای خاصی تقویت میکند و صدای غنیتری ایجاد میکند.
۲. کنترل نویز در خودروها: در اگزوز برخی خودروها، محفظههایی میبینید که به لولهٔ اصلی متصل شدهاند. این محفظهها در واقع تشدیدگر هلمهولتز هستند که برای حذف صداهای ناخواستهٔ خاصی طراحی شدهاند. آنها به گونهای تنظیم میشوند که در فرکانس مزاحم، تشدید کنند و با ایجاد نوسانی در خلاف فاز، آن صدا را خنثی کنند.
۳. آکوستیک معماری: در سالنهای سخنرانی یا استودیوهای ضبط، گاهی از تشدیدگرهای هلمهولتز که در دیوار جاسازی شدهاند، استفاده میشود. این کار به جذب فرکانسهای خاصی که ممکن است باعث پژواک یا طنین ناخواسته شود، کمک میکند و کیفیت صدای محیط را بهبود میبخشد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
- اضافه یا کم کردن حجم داخلی (مثل آزمایش بطری و آب).
- تغییر اندازهٔ دهانه (بستن جزئی آن با دست).
- اضافه کردن مواد متخلخل مثل اسفنج به داخل محفظه که طول مؤثر گردن $L$ را تغییر میدهد.
پاورقی
1 فرکانس (Frequency): تعداد نوسانات کامل یک موج در یک ثانیه که با واحد هرتز (Hz) اندازهگیری میشود.
2 تشدید (Resonance): پدیدهای که در آن یک سیستم نوسانی در فرکانس طبیعی خود با حداکثر دامنه به نوسان در میآید.
3 هرمان فون هلمهولتز (Hermann von Helmholtz).
4 هرتز (Hertz): واحد اندازهگیری فرکانس.
5 هارمونیکها (Harmonics): فرکانسهایی که مضرب صحیحی از یک فرکانس پایه هستند.
