亥姆霍茨共鸣器是什么?有何用?
亥姆霍茨共鸣器是什么？有何用？
19世纪，德国科学家亥姆霍兹为研究共振问题发明了“亥姆霍兹共鸣器”，并通过它研究复合音中的泛音成分，做了乐音和语音的频谱分析，并提出音乐理论和听觉理论[1]。这个简单的装置有着十分广泛的用途。
在亥姆霍兹的著作《论音调的感觉》中，亥姆霍茨共鸣器的原始设计是一个黄铜容器，圆球形状，一端有一个带口的小颈，另一端有较大的孔为收音口（见图1）。现代最常见的亥姆霍兹共鸣器是一个漏斗状的空心玻璃球，一端带有出音口，见图2（a）[2]。另外还有多种形状，图2（b）只是在球上开一个小口，图2（c）在球底部多开一个听音孔，近似原始设计。亥姆霍兹在测量复合音时，将出音口指向耳朵，共鸣器的收音口对准音源，当音源中的某一泛音与共鸣器的固有频率相同时，共鸣器会出现共鸣现象。
图1 亥姆霍兹共鸣器实物
图2 常见亥姆霍兹共鸣器的形制
亥姆霍兹共鸣器是一种高效率的声能转换装置，主要应用于频谱分析、频率测量和控制等方面。随着理论的逐渐成熟，它的应用范围也越来越广，既可以用于在建筑内部设计“共振吸声结构”，利用其强大的吸声能力应用于音乐厅的墙壁等结构；又可以将微小的振动转化为强大的声波传输出去，常应用于各种乐器的共鸣箱等。
本文将从消声装置与发声装置两方面，梳理亥姆霍兹共鸣器的应用。
1 消声装置（共振吸声）
1.1
共振吸声结构原理
吸声，主要是指声波在介质的传播过程中能量的消耗过程。当声波传播到介质表面时，一部分声波会被反射回去，另一部分被介质吸收，转化为机械能传递或转化为热能消耗。吸声现象是普遍存在的，但是只有较强吸声能力的材料才可以应用于实际场合。吸声材料的原理有两种，一是通过材料摩擦，将声能转化为热能；二是通过材料振动，将声能转化为机械能（振动），再转化为热能。
亥姆霍兹共鸣器就是共振吸声结构。结构内部是一个共鸣腔和一个弹簧系统（见图3），共鸣腔开一颈口与外部相连，声波从颈口进入腔体，使得颈口空气来回运动压缩腔内空气，形成一个空气弹簧。当入射声波频率与共振器结构固有频率一致时，发生的共振幅度最大，消耗的能量最多。所以，共振吸声结构对吸声频率有很强的选择性，吸声效果一般在中低频较好。
图3 共振吸声结构
1.2
共振器实际功能与改良
在实际应用中，常常使用多个并联的共振吸声结构共同作用，或者与其他吸声材料结合使用，做到拓宽吸声带宽、提高吸声性能。例如共振吸声砖（见图4），具有隔声、保温、吸声构造简单、价格低廉等好处。
图4 共振吸声砖
有学者研究亥姆霍兹共振器的改良，如研究在不改变共振器外形尺寸的同时改变连接管长度、串并联共振器数量，会有效改善共振频率的声学特性。首先将共振器分为共振管与共振腔，讨论管延伸长度、管横截面形状对共振器的影响；将多个共振器串联或者并联，讨论消声频带、共振峰等声学特性的变化。还有学者研究发现，亥姆霍兹共振器的外颈口变为内插颈口，可以获得相同声学特性的吸声结构，可以使吸声结构厚度变薄；
如果将内插颈口弯曲，可以进一步减小吸声结构的厚度。
有学者研究“吸声材料对亥姆霍兹共振器吸声性能的影响”[3]，研究表明，加吸声材料后，亥姆霍兹共振器共振频率与材料厚度成反比，传递损失与材料厚度也成反比；共振器材料厚度不变，流阻不断增加，共振频率会先减小再增加，直到流阻至无穷，吸声材料可以看作刚性壁，腔体体积发生变化，导致共振频率变化。
还有学者利用亥姆霍兹共鸣器对噪声的吸收功能，研究噪声发电的可行性。研究表明，共鸣腔与声波产生共振，使声波能量聚集，在颈口安装振动膜片，并与电磁式发电机振子相连接，切割磁感线把膜片振动的机械能转化为电能。
2 发声装置丰富多腔是什么意思
2.1
改善声场
著名声学家马大猷指出，亥姆霍兹共鸣器可以控制厅堂音质。例如伦敦“节日大厅”，低频混响时间短，导致声音不丰富，将传声器放入多个共鸣器中，接收部分频率声音，再放大反馈至厅堂，可以延长100 Hz~700 Hz的混响时间，使演奏音更加丰富。
同理，亥姆霍兹共鸣器以瓮、瓶的形式放置在剧场中，可以修饰声音。例如公元前5世纪，古希腊人就用黄铜瓶来调和剧场谐音[4]。马大猷认为，“用陶瓮在舞台下或墙壁上做共鸣器以扩大声音或对声音的吸收，则是历代常用的音质控制技术”[5]。亥姆霍兹共鸣器可受外部声场的激发并消耗其能量，但空腔内的振动又可通过短管辐射声波加强外部的声场，中国古代也有在戏院埋藏空罐以加强歌唱效果的做法。在《墨子》一书的记载中，有用地下埋藏的大瓮放大敌军活动的声音的装置（抗日战争的地道中也用过）[6] 。

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