– avagy a Helmholtz-rezonátor
Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821–1894) a poroszországi Potsdamban született, a tudomány számos ágához jelentős mértékben járult hozzá. Ide tartozik többek között a szem működése, a látás és vizuális észlelés elméletei, az energiamegmaradás, az elektrodinamika, a termodinamika és az esztétika területe. Helmholtz, mielőtt 1871-ben a Berlini Egyetem fizika professzora lett, anatómiát és fiziológiát is tanított. Az észlelés fizikáját kutatta, munkáját „A hangszín érzéseiről” című könyvében ismertette, ami először 1863-ban német nyelven jelent meg. A Helmholtz-rezonátor feltalálása a fizika iránti érdeklődéséből fakadt. Eszerint a kölcsönhatásban lévő légtömegek és azok rugózása egyszerű tömegként, mechanikus oszcillátorként írható le, amely – az alábbi egyenlet alapján – egy bizonyos frekvencián erősen mutatkozik:
Ahol c = a hangsebesség, S = a furat (lyuk) területe, l = a furat hossza (a fal vastagsága, amelyen a furat áthatol), és V0 = a furat térfogata. A furat vagy lyuk lakja lényegtelen, csak a térfogata számít.
Azonban voltak akik sok évszázaddal megelőzték von Helmholtz elméletét. Az ókori európai épületekben Görögországtól Skandináviáig különféle formájú urnákat vagy „edényeket” építettek be a falba, hogy az akusztikai előnyök érdekében erősítsék vagy megszelídítsék a meghatározott frekvenciákat. Egyes esetekben hamut szórtak az urnába, amit feltehetően csillapítóként használták a rezonátor effektív sávszélességének növelésére. A csillapítással rendelkező Helmholtz-rezonátorok akusztikus „vágószűrőként” működnek, eltávolítva az akusztikus energiát egy bizonyos rezonanciafrekvencián. (A londoni Queen Elizabeth Hall-ban, a falakban 2300 darab Helmholtz-rezonátor található, hogy csökkentsék a masszív beton falak által okozott mély hangok túlsúlyát.)
A Helmholtz-rezonátor számos hangszer lényeges alkotóeleme. A hegedű, brácsa, cselló, nagybőgő, gitár vagy mandolin hangsugárzási módjához tartozik Helmholtz elméletének kézműves gyakorlata. Ezeknek a hangszereknek a teste körülzárja a levegőt, míg az f-lyuk vagy hanglyuk a nyílás. A hangszer-készítőknek gondosan ellenőrizniük kell ezeknek a nyílásoknak a méreteit, hogy a hangszert a megfelelő frekvenciára hangolják. Például a legtöbb klasszikus gitár rezonanciát a „B” egy oktáv plusz, egy fél-hangra hangolják, a középső „C” alatt, ami körülbelül 123 Hz frekvencia. A túl nagy hanglyuk túl magas rezonancia frekvenciát eredményez, és a gitár vékonyan fog szólni. A túl kicsi hanglyuk lejjebb tolja a rezonanciát, ahol a gitár kevésbé energikus, így összességében kevésbé hangos. Valahol van egy „sweet-point”, amelyet minden gitárművésznek az adott produkcióhoz ki kell választani. A Helmholtz-rezonátort használó egyéb hangszerek közé tartozik az ocarina és a djembe dob. Az ocarina esetében a lyukak lefedése csökkenti a „Helmholtz-lyuk” teljes területét, megváltoztatva a generált frekvenciát. A djembe hosszú nyakú, ami alacsony rezonanciát és mély hangot ad.
A Helmholtz-rezonátorok, kis lehallgató helyiségekben és stúdiókban, a hangszintek modális frekvenciájú szabályozására is hasznosak. A Helmholtz-rezonátorokat sikeresen alkalmazzák alacsony frekvenciák akusztikus elnyelésére. Például a „basszuscsapda” hangolási frekvenciáját úgy választják meg, hogy kiküszöböljék a legproblémásabb részt, és a csillapítást úgy szabályozzák, hogy az így létrejövő akusztikus „túlzás” sávszélességét szabályozzák. Mivel a basszuscsapdák lokálisan hatnak, ott is elhelyezhetők, ahol a legnagyobb a modális csúcs, így kevésbé hatnak azokra a hallgatási helyekre, ahol nincs szükség keskeny-sávú csillapításra.
Yong Li és Badreddine Assouar a hangolt abszorberek elvén kifejlesztett egy akusztikus „szűrőt”, ami egy perforált panel mögött elhelyezett tekercs alakú kamrából áll. A méretek: a = 100 mm, b = 1 mm, w = 12 mm és d = 3,3 mm.
Az 1940-es években bevezették a basszus-reflex hangsugárzó rendszer. A tervezés célja az volt, hogy javítsa a hangsugárzók mély hang képzését anélkül, hogy a szükségesnél nagyobb mértékben meg kellene növelni a membránfelületet és a kabinet méretet. Az 1970-es évek előtt ennek a kialakításnak még nem ismerték működését kellő részletességgel. James F. Novak (Jensen Sound Laboratories) úttörő tanulmánya, amelyet A. Neville Thiele, Richard Small és mások további munkái követtek, ezeknek a rendszereknek a tervezését a kiszámítható mérnöki megközelítések szintjére emelte. A bass reflex hangsugárzók népszerűségével együtt névváltoztatás is történt: „szellőztetett”, néha „portált” hangsugárzóknak nevezték, mivel a „basszusreflex” megnevezés gyakran a rossz tervezésből adódó, felkapott hangzáshoz társult. (a köznyelvben mégis ez maradt meg) A bass reflex hangsugárzók szekrénye egy Helmholtz-rezonátor házaként, egy cső-port korpusz-alakú szellőző nyílásával működik. A ház térfogatának, a szellőzőnyílás keresztmetszeti területének és a szellőző hosszának szabályozásával a tervező szabályozhatja a hangdoboz „jellemző frekvenciáját”. Ha helyesen koordinálják ezt a frekvenciát a hangszóró elektromechanikus-akusztikus rezonancia frekvenciájával és „Q” értékével, (ezek minőségi tényezők), akkor a hangzásban előre látható eredmények érhetők el. A Novak, Thiele, Small és mások által biztosított részletes műszaki elemzéseket Vance Dickason a szakemberek számára felhasználóbarát formába öntötte. Azoknak az olvasóknak, akik tanultak fizikát, a Helmholtz-rezonátor történetéről, működési elveiről és alkalmazásairól szóló áttekintés igazolja, hogy a fizikatanár/professzor miért és mennyire hangsúlyozta az egyszerű rugótömeg-oszcillátor megértésének fontosságát!
Megjegyzés: A passzív radiátor hangszóróval kiegészített hangsugárzó a basszus-reflextől egy kissé eltérő, de elvileg hasonló kialakítású. A Helmholtz-rezonátor mozgó légtömegét egy lengőtekercs nélküli hangszóró membrán zárja le. A passzív radiátort 1954-ben mutatta be Harry Olson, John Preston és Everett May. A passzív radiátor további mechanikai és akusztikai összetettsége a nyíláshoz képest további lehetőségeket tesz lehetővé a hangsugárzó tervezők számára.
Cikkünk PhD. Dr. Richard Honeycutt (Acoustical Society of America) kutatásainak kivonatai alapján íródott. Richard az Amerikai Akusztikai Társaság észak-karolinai tagozatának tagja, saját vállalkozása van hangszerekkel és hangrendszerekkel foglalkozik. Aktív akusztikai tanácsadó, munkája kiterjed az építészeti akusztikára, hangrendszer tervezésére és a közösségi terek zajelemzésére.
