Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
акустика / lin_h_bengisu_t_mourelatos_zp_lecture_notes_on_acoustics_and.pdf
Скачиваний:
81
Добавлен:
04.05.2023
Размер:
12.68 Mб
Скачать

12.5 Band-Stop Resonator

343

 

 

 

 

P2

 

2 Zi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tw2 = Re

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð Zi, Z2, Pi realÞ

Pi

Z2

1

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

ωc

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2kL0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tw1

 

 

 

P1 þ P1

 

 

U1 þ U1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

P1 þ P1

U1

þ U1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼

 

 

 

 

 

 

 

 

i i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼ Pi þ Pi

Ui þ Ui

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

P1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

U1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼ 4 Pi

þ Pi Ui

 

þ Ui

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P1

 

 

 

 

 

U1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

ωc

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2kL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼

Re

 

Re

 

¼

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

2

¼

 

 

 

 

 

 

 

ωc 2 2

 

 

 

 

 

ðPi, Ui realÞ

Pi

Ui

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2kL0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωc

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωc

2

 

 

 

 

 

þ þ ¼

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

þ

 

 

 

 

 

 

¼

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

ωc

 

 

 

 

Rw

Tw2

 

Tw1

1 þ

 

ω

2

 

2

 

 

 

 

 

 

1 þ

ω

2

 

2

 

 

1 þ ω

2

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12.5Band-Stop Resonator

A general band-stop resonator can be constructed by a main pipe with a side branch of pipeline series. The resonant of the side branch will absorb the resonant from the main pipe at the resonant frequency of the side branch. The simple band-stop resonator and a Helmholtz resonator are shown in the gure below:

Main Pipe

Side Branch

A Simple Band-Stop Resonator

Helmholtz Resonator

Objective

The Helmholtz resonator has a volume V connected to the remainder of the medium with a small neck of length L and an open area S, as shown in the gure below:

344

 

 

 

 

 

 

12 Filters and Resonators

= + , =

 

,

= 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

=

 

=

 

1

= ±

 

 

 

 

′ = + 1.7

 

±

 

Schematic of a Helmholtz resonator

This passive acoustic system can be analyzed for a range of frequencies where

λ L, λ

pS, and λ

 

V1=3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Show that

the power transmission T

w coef

cients of the Helmholtz resonator can

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

be formulated as:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tw ¼ Re

P2

 

2

 

Zi

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

Pi

 

 

Z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kSV

2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 þ

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2S2ðk2L0V SÞ

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

½ Zi, Z2, Pi real&

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

0

 

 

þ

 

k2ð

 

 

1Þ

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@

 

 

 

 

 

kc

 

! A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

D

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

kc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 r0

 

 

 

 

 

¼

 

ωc2

¼

 

 

0

 

 

 

 

 

¼

 

 

 

 

 

 

 

k2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

, D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

c

 

 

L V

 

 

 

 

 

2 S

 

 

SL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Step 1: Derivation of the Dynamic Equation of the Resonator

The volume of uid in the neck area will act as a mass just as the open end of a anged pipe for λ a, where a is the radius of opening. The effective length of the neck is assumed to be 0.85a longer than the actual length of the pipe if the pipe is terminated with a wide ange at the opening. If the pipe has an un-anged termination, it can be assumed that the effective length is longer only by 0.6a. Since the

12.5 Band-Stop Resonator

345

interior end of the neck acts like a anged termination, the effective length of the neck with anged and un-anged termination to the outside medium becomes:

L0 = L

þ ð

0:85

þ

0:85

Þ

a

¼

L

þ

1:70a

 

ð

 

 

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

ð

outer end flanged

 

Þ

L0 =L

þ ð

0:85

þ

0:60

Þ

a

¼

L

þ

1:45a

outer end un

 

flanged

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Using the effective length, the mass of uid moving in the neck is:

M ¼ ρoSL0

The mass in the neck works against the stiffness of the uid in volume V in addition to resistance from the frictional forces in the neck and the radiation impedance from the open end.

The stiffness of the uid in volume V is calculated from the change of volume inside the container due to the motion of the mass in the neck. Hence, if ξ is the displacement of the neck mass, the change in volume V is then given by:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sξ ¼

V

 

 

 

 

 

If Vo is the initial volume and V is the compressed volume, then

V ¼ V Vo and

ρoVo ¼ ρV ¼ MV, since the mass MV of the volume V is preserved. Thus:

V

 

V

 

Vo

MV

MV

MV

ρo ρ

 

V

ρ ρo

V

ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼

 

¼ ρ

ρo

¼ ρ

¼

ρo

 

 

 

ρo

 

ρo

¼

Dividing both sides of this equation by the volume V and using the relationship above yield:

Sξ

¼

V

¼

ρ

¼ sac

V

V

ρo

where sac is the acoustic condensation. Now, using the relationship between acoustic

pressure and condensation (

ρ

¼

p

and c

2

¼

γP0

) from Chap. 2:

ρo

γP0

 

 

 

ρ0

 

 

 

 

sac ¼

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

ρoc2

 

 

The acoustic pressure inside the given volume can thus be expressed as:

p ¼ ρoc2sac ¼ ρoc2 Sξ

V

346

12 Filters and Resonators

The force necessary to displace the uid in the neck is simply Sp ¼ Kξ where K is the effective stiffness of the uid inside V. Multiplying both sides of the pressure equation above by S yields:

Sp ¼ ρoc2 S2 ξ ¼ Kξ

V

and the effective stiffness is:

K ¼ ρoc2 S2

V

In addition to the inertial and stiffness forces acting on the uid column in the neck, there are also resistive forces that are proportional to the uid velocity. These forces are due to the radiation resistance Rr and the viscous resistance Rω. These two constants provide damping to the mechanical system since the force they create is proportional to the velocity of the uid in the neck. Hence, the total mechanical resistance coefcient is given by:

 

 

 

 

 

Rm ¼ Rr þ Rω

where:

 

 

 

 

 

 

 

Rr ¼

1

ρocSðkaÞ

2

ðflanged openingÞ

2

 

Rr ¼

1

ρocSðkaÞ

2

 

ðun flanged openingÞ

4

 

 

and:

Rω ¼ 2Mcαω

where αω is the absorption coefcient for wall losses.

The mass-spring system described here is forced by the pressure wave of p impinging on its opening. This force is simply the pressure of the wave multiplied by the neck cross-section area. That is:

f ¼ Sp

Now the differential equation of the resonator can be written in terms of mass M, stiffness K, and the damping coefcient Rm given by the equations above as follows:

12.5 Band-Stop Resonator

 

 

347

M

d2ξ

þ Rm

dξ

þ Kξ ¼ Sp

d2t

dt

Step 2: Mechanical Impedance of the Dynamic Equation

Let ξ ¼ Ae jωt, where its complex conjugate is ξ ¼ A e jωt, and we can then solve the following two equations step-by-step as follows for p ¼ Pe jωt and p ¼ P e jωt. Note that K, M, Rm, S, and ω are all real constants:

 

 

 

d2ξ

 

dξ

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

þ Rm

 

 

þ Kξ ¼ Sp ¼ SPejωt;

p ¼ Pejωt

 

d2t

dt

 

d2ξ

 

dξ

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

þ Rm

 

þ Kξ ¼ Sp ¼ SP e jωt;

p ¼ P e jωt

 

d2t

dt

Let ξ ¼ Ae

jωt to get (K

 

ω2M + jωR

)Ae jωt

SPe jωt.

 

 

 

jωt

 

 

 

2

m

 

¼ jωt

¼ SP e

jωt

.

Let ξ ¼ A e

to get (K ω

M jωRm)A e

 

Let:

H ¼ K ω2M þ jωRm 1

H ¼ K ω2M jωRm 1

to obtain:

A ¼ K ω2M þ jωRm 1SP ¼ HSP

A ¼ K ω2M jωRm 1SP ¼ H SP

Therefore:

ξ ¼ HSPejωt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ ¼ H SP e jωt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dξ

¼ jωHSPejωt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u ¼

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dξ

¼ jωH SP e jωt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u ¼

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

PS

 

1

 

 

K

 

 

ω2M

jωR

 

 

 

 

K

 

 

Zm ¼

 

 

 

¼

 

¼

 

 

 

 

jωþ

m

¼ Rm þ j ωM

 

 

 

 

u

 

jωH

 

 

 

ω

Z

 

P S

 

 

 

 

1

 

 

 

 

K

 

ω2M jωRm

 

Rm

 

j ωM

 

 

K

 

¼ u

¼

jωH

¼

 

 

¼

 

 

ω

m

 

 

jω

 

 

348

12 Filters and Resonators

Note that the equations above show that all complex values, functions, or equations always have a complex conjugate part associated with them. Therefore, we can always hide the conjugate part, but when we need a real-world solution, we must show them.

Step 3: Transmission Coefcient Induced by a Side Resonator

Neglecting Rω for wall losses, the input mechanical impedance of the resonator is:

 

 

 

 

 

 

Zm ¼ Rr þ j ωM

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

ρocSðkaÞ

2

þ j ckρoSL0

 

 

 

 

ρoc2S2

 

 

 

 

¼

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

ckV

 

 

¼ 2 ρocS ðkaÞ2

þ j

 

kV

 

!

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 k2L0V

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z1 ¼

Zm

,

 

 

 

Z2 ¼

 

ρoc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S2

 

 

 

 

 

S2

 

 

 

 

 

 

 

P

2

 

 

 

 

2 Z

1

 

 

 

 

 

ð

ka

2

þ

j 2ðk2L0V SÞ

 

=

 

 

 

 

 

=

 

 

 

Þ

 

 

 

 

 

 

kV

 

 

 

Pi

 

2Z1 þ Z2

 

ka

2

 

j

2ðk2L0V SÞ

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Þ þ

þ S2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð

 

 

 

 

 

 

kV

 

 

 

For ka 1, (Zi,Z2,Pi real) (Z1,P2 complex):

P2 =

 

j 2S2ðkkSV0

 

Þ

 

 

=

2S2

ð kSV

 

Þ

2

þ j

 

ð kSV

 

 

 

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2L V

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k2L0V S

 

 

 

 

 

 

 

2S2

k2L0V S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pi

 

j

 

2S2

k2L0V

S

Þ þ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 þ 2S2

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð kSV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðkkSV0

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L V

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

Re

P2

=

 

2S2

ðkkSV0

 

Þ

2

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2L V

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pi

1 þ

2S2

k2L0V

 

S

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kSV

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð kSV

 

Þ

 

 

 

1 þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2S2ðk2L0V SÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

2

Zi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tw ¼ Re

2

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pi

 

Z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kSV

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 þ

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2S2ðk2L0V SÞ

 

 

 

 

 

 

12.5 Band-Stop Resonator

349

=

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

½ Zi, Z2, Pi real&

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

þ

k2ð

 

1Þ

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@

 

 

kc

 

 

! A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

D

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

kc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 r0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼

ωc2

¼

0

 

¼

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k2

 

 

 

2

 

 

, D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

c

 

L V

 

2 S

 

 

SL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The side Helmholtz resonator behaves like a band-stop lter or notch lter. The

q maximum attenuation of the lter occurs at the resonance frequency ωc ¼ c LS0V of

the Helmholtz resonator. The bandwidth depends on the volume ratio SLV 0 and the area

ratio of the pipes, S :

S2

Tw

1

Power Transmission Coefficient of Band-stop Filter

 

 

 

 

 

0.9

 

 

D=0 .1

 

0.8

 

 

D=1

 

0.7

 

 

 

 

0.6

 

 

D=10

 

0.5

 

 

 

 

0.4

 

 

 

 

0.3

 

 

 

 

0.2

 

 

 

 

0.1

 

 

 

 

0

 

 

 

 

10-2

10-1

100

101

102

 

 

/

 

 

 

 

c

 

 

Power transmission coefcient as a function of the frequency ratio