¿Qué es un resonador de Helmholtz?
Un resonador de Helmholtz es un dispositivo acústico simple que absorbe o amplifica la energía del sonido en una frecuencia única y bien definida. Su diseño es engañosamente directo: una cavidad sellada (el cuerpo resonador) conectada al aire circundante a través de un cuello estrecho o abertura. Cuando las ondas de sonido de una frecuencia específica entran en el cuello, el aire dentro de la cavidad comprime y se expande efectivamente, mucho como un sistema de resusonancia.
El médico Hermann von Helmholtz describió y utilizó estos dispositivos en los años 1850 para analizar espectros de sonido complejos. Al ajustar un conjunto de resonadores a diferentes frecuencias, podría determinar qué frecuencias estaban presentes en un sonido. Hoy, los resonadores de Helmholtz se utilizan en aplicaciones que van desde la acústica arquitectónica a los mosqueteros automotrices, y son un favorito entre los entusiastas de DIY muy eficaces porque son fáciles de la frecuencia.
La Física Detrás de la Resonancia
En el corazón de un resonador de Helmholtz se encuentra una simple analogía de oscilador armónico. El aire en el cuello se comporta como una masa, mientras que el aire en la cavidad actúa como una primavera. Cuando se perturba por una onda de sonido externa, la masa (neck air) oscila en la primavera (cavity air) a una frecuencia natural específica. La energía se transfiere de la onda de sonido a pérdidas mecánicas, y luego se disfrauda.
La frecuencia resonante se determina por tres parámetros geométricos principales: el volumen de la cavidad, el área transversal del cuello y la longitud del cuello. La fórmula clásica es:
f0 = (c / 2π) × √(A / (V × L′)
Donde:
- c = velocidad de sonido en el aire (aproximadamente 343 m/s a 20°C en el aire seco)
- A = área transversal del cuello (πr2 para un cuello circular)
- V = volumen de la cavidad
- L. = longitud efectiva del cuello, incluyendo la corrección final (generalmente L + 0,3d a L + 0,85d, donde d es el diámetro del cuello)
La longitud efectiva representa el hecho de que el aire justo fuera del cuello también se mueve, lo que disminuye ligeramente la frecuencia resonante en comparación con un cálculo usando sólo la longitud del cuello físico. Una regla común de pulgar para un cuello sin aplanar es L = L + 0.6r, donde r es el radio del cuello. Para un cuello con una brida en el exterior, la corrección es más grande.
El factor de calidad (Q) de un resonador de Helmholtz describe cuán estrecha es la banda de absorción, y es proporcional a la raíz cuadrada del volumen de cavidad y inversamente proporcional al área y longitud del cuello. Resonadores de alta calidad son muy selectivos ( absorben sólo una pequeña banda de frecuencias), mientras que los resonadores de baja calidad tienen una absorción más amplia y menos eficiente.
Construyendo un resonador de Helmholtz DIY: Paso a paso
La construcción de un resonador de Helmholtz de trabajo de materiales domésticos es sencilla, pero el logro de una frecuencia de destino precisa requiere una geometría cuidadosa y construcción hermética.
Materiales y Herramientas
- Un recipiente rígido y hermético (una botella de plástico, una lata de metal, una gorra de tubo de PVC, un frasco de vidrio o una caja de madera)
- Tubo o cuello (una paja plástica, un pedazo corto de tubo de PVC, un tubo de metal, o incluso un agujero con un cuello ajustado)
- Sellante (colgo caliente, epoxi, caulk de silicona o un gaseoso de goma) para garantizar cero fugas de aire
- Una sierra de perforación o agujero para hacer una abertura limpia en el contenedor
- Un regla o calipers para medir dimensiones
- Opcional: una aplicación generador de frecuencia en tu smartphone para afinar
Paso 1 – Calcular su frecuencia de destino
Antes de cortar cualquier cosa, decida qué frecuencia desea absorber. Los objetivos comunes para la acústica de la habitación son las resonancias fundamentales de una sala de escucha (normalmente en la gama 40–150 Hz) o frecuencias de problemas específicas de los sistemas de maquinaria, tráfico o HVAC.
Use la fórmula anterior para elegir un volumen de cavidad y geometría del cuello. Por ejemplo, para apuntar 80 Hz con un diámetro del cuello de 2 cm (radius 0.01 m) y una longitud del cuello físico de 5 cm, puede resolver para el volumen de cavidad requerido. Reordenando la fórmula:
V = A × (c / (2πf))2 / L′
Para un cuello circular: A = π × (0.01)2 = 3.14 × 10−4 m2, L′ ♥ 0,05 + 0,6 × 0,01 = 0,056 m. A continuación:
V = (3.14 × 10−4) × (343 / (2π × 80)2 / 0.056 ♥ 0,0107 m3 = 10.7 litros
Una cavidad de 10.7 litros es aproximadamente el tamaño de un gran contenedor de almacenamiento de plástico. Si eso es demasiado grande, puede ajustarse aumentando la longitud del cuello o reduciendo el área del cuello.
Paso 2 - Preparar la Cavidad
Elige un contenedor con forma bien definida y paredes rígidas. Las paredes de plástico flexible pueden vibrar y estropear la resonancia. Taladrar o cortar un agujero en una pared que coincida con el diámetro exterior de tu tubo de cuello elegido. El agujero debe ser un ajuste ajustado; si es demasiado flojo, el aire se filtrará y arruinará el resonador.
Paso 3 - Adjuntar el cuello
Inserte el tubo del cuello en el agujero para que protruya por igual dentro y fuera, o flush con la superficie exterior. Sella la articulación completamente en ambos lados con pegamento caliente, epoxi, o caulque de silicona. Deja que se cure completamente antes de probar. Cualquier fuga, incluso un pequeño agujero de pin, caerá el factor Q dramáticamente y cambiará la frecuencia resonante.
Paso 4 – Sella el resto de la Cavidad
El contenedor debe ser hermético excepto para la abertura del cuello. Compruebe las fugas cubriendo el cuello con la mano e intentando comprimir ligeramente la cavidad; si escuchas escape de aire, tienes una fuga. Sella cualquier vacío con sellador adicional o cinta.
Paso 5 – Prueba y Tune
Usa una aplicación generador de tono (muchos gratuitos están disponibles) y un micrófono de medición o tus propios oídos. Juega un barrido de frecuencias alrededor de tu objetivo y escucha el punto en el que el resonador absorbe la mayor energía; escucharás que el sonido se suaviza o se apaga. También puedes contener una llama cerca del cuello; la llama se apagará fuertemente en la resonancia.
Ejemplos de diseño práctico
Aquí están tres escenarios DIY comunes con parámetros calculados:
| Frecuencia de destino (Hz) | Volumen de cavidad (L) | Diámetro de cuello (cm) | Longitud del cuello (cm) |
|---|---|---|---|
| 50 | 20 | 5 | 8 |
| 100 | 5,5 | 3 | 5 |
| 200 | 1.2 | 2 | 3 |
Estos son puntos de partida; sus resultados reales variarán dependiendo de la forma exacta de la cavidad, el cumplimiento de la pared y la temperatura del aire.
Diseños y Variaciones Avanzadas
Una vez que haya dominado el resonador básico de botellas, puede experimentar con enfoques más sofisticados.
Absorberes multirresonador
Un único resonador de Helmholtz es de banda estrecha. Para absorber una gama más amplia de frecuencias, puede construir una serie de resonadores, cada uno afinado a una frecuencia ligeramente diferente. Este es el principio detrás de algunos paneles acústicos comerciales y es fácil de implementar con una serie de pequeños contenedores unidos a una bafa compartida. El espaciamiento entre los resonadores importa: si están demasiado cerca, su regla de acoplamiento acús el es demasiado diámetro menos distancia
Tuning ajustable
Para una máxima flexibilidad, puede hacer que la longitud del cuello sea ajustable mediante un tubo deslizante o una manga telescópica. Esto le permite barrer una gama de frecuencias sin construir un nuevo resonador. Otro enfoque es llenar parcialmente la cavidad con agua o arena para cambiar su volumen efectivo continuamente.
Absorberes de panel de helmholtz
Un panel perforado con una brecha de aire detrás de él actúa como una variedad de resonadores de Helmholtz. Este es el principio detrás de muchos “paneles acústicos” comerciales diseñados para estudios de casa. Cada agujero más la cavidad compartida forma un resonador. Al variar el diámetro del agujero, el espaciado y el espesor del panel, se puede apuntar a un rango de frecuencia específico.
Resonadores de la cavidad apilados
Conectando dos o más cavidades en serie con un cuello compartido, puede crear un resonador con múltiples picos o una curva de absorción más amplia. Esta es una técnica avanzada que requiere un modelado cuidadoso pero puede ser muy eficaz para las frecuencias difíciles de problemas.
Aplicaciones en el mundo real
Sala de Acosotics
Las salas de escucha de cine y música de casa suelen sufrir ondas (modos de habitación) que causan picos y nulls en la respuesta del bajo. Algunos resonadores de Helmholtz bien colocados a las frecuencias de modo dominante pueden suavizar la respuesta de frecuencia sin tomar el espacio de suelo de grandes trampas de bajo. Para una sala de escucha dedicada, apuntando a los tres primeros modos axiales (típicamente entre 40 y 120 Hz) es un práctico.
Control de ruido industrial
La maquinaria grande suele emitir algunas frecuencias dominantes. Colocar un resonador de Helmholtz cerca de la fuente de ruido o en la pared de un recinto de la máquina puede reducir el nivel de sonido general de 10 a 15 dB a esa frecuencia. Esto es mucho más barato y más concentrado que añadir vinilo o espuma cargada en masa. Los resonadores industriales a menudo se hacen de acero o plástico rígido y se utilizan para generadores, bombas, ventiladores y compres.
Muffleres automotrices
Muchos silenciadores de postventa y OEM utilizan secciones de resonador de Helmholtz para cancelar frecuencias específicas de orden de motor sin crear una presión excesiva. El mismo principio se aplica a los sistemas de admisión: un resonador en el tubo de toma de aire puede eliminar una resonancia de auge. Un DIYer puede experimentar mediante la construcción de una pequeña caja de resonador y cirúmelo en la ingesta o el escape de un vehículo para un sonido personalizado o la modificación.
Diseño de instrumentos musicales
El sonido de una ocarina, una guitarra acústica o un silbido carburador se basa en la resonancia de Helmholtz del cuerpo del instrumento. Los luthiers utilizan este principio para ajustar el tono de las guitarras ajustando el agujero de sonido (el cuello) y el volumen del cuerpo. Un resonador de DIY puede servir como una herramienta práctica para aprender cómo los cambios en la geometría afectan la voz de un instrumento.
Problemas comunes
- La resonancia es demasiado débil o ausente. Esto usualmente indica una fuga de aire. Revisen todos los sellos, especialmente alrededor del cuello y cualquier articulación en el contenedor. Incluso una grieta de pelo puede destruir la resonancia.
- La frecuencia es mucho mayor de lo calculado. La longitud efectiva del cuello es más corta de lo que se supone, o el volumen de cavidad es más pequeño. Revise sus mediciones y considere que la corrección final para un cuello sin aplanar puede ser tan alta como +0.8 × radio. Si está utilizando un cuello muy corto, la corrección domina.
- La frecuencia es menor de lo calculado. Las paredes de cavidad pueden ser flexión, aumentando efectivamente el volumen. Use un contenedor más rígido. Además, si la longitud del cuello incluye el espesor de la pared del contenedor, puede haber contado doblemente.
- El resonador parece amplificar en lugar de absorber. Esto puede suceder si el resonador se coloca muy cerca de una fuente de sonido y está actuando como un filtro resonante en lugar de un absorbente. Aparta de la fuente o añade más material de amortiguación (por ejemplo, un pequeño pedazo de fieltro o espuma en la cavidad) para bajar la Q.
- Múltiples resonadores interactúan impredeciblemente. Si dos resonadores se colocan juntos, su pareja de campos acústicos. Espacialos separados o sintonizarlos a frecuencias que no están relacionadas armónicamente.
Seguridad y Buenas Prácticas
Cuando se prueban resonadores, especialmente con un subwoofer o amplificador potente, use protección auditiva. La SPL alta a bajas frecuencias puede causar daño auditivo incluso si no suena “en voz alta” al oído. Además, asegúrese de que el contenedor que utiliza es lo suficientemente fuerte para soportar la presión interna a la resonancia; las botellas de plástico delgada pueden colapsar o romperse.
Si planea instalar varios resonadores en una habitación, considere el impacto estético. Puede ocultarlos detrás de muebles, armarios interiores o detrás de marcos de tela rotos. Algunos DIYers construyen resonadores en la estructura de estanterías o bajo asiento. El beneficio acústico de un resonador bien ajustado puede ser dramático incluso cuando está fuera de la vista.
Conclusión
Los resonadores de Helmholtz son una herramienta potente y de bajo costo para cualquier persona interesada en el control de sonido, la acústica o la ingeniería de audio. Al entender la relación simple entre el volumen de cavidad, la geometría del cuello y la frecuencia resonante, puede construir dispositivos que absorban selectivamente frecuencias problemáticas en su hogar, taller o vehículo. Los métodos de construcción son accesibles para principiantes, mientras que la física subyacente ofrece mucha profundidad para los experimentos de sonido
Para más lectura, consulte el página de resonador de Helmholtz o explorar el Serie Hi-Fi Zine sobre el diseño de resonador Helmholtz. Para un tratamiento matemático profundo, el Libro de texto de ingeniería Acústica por Leo Beranek es un recurso autorizado, aunque el enfoque práctico descrito aquí le conseguirá construir rápidamente.