كيف تعمل كاتمات الصوت في السيارة

إذا سمعت يومًا محرك سيارة يعمل بدون كاتم صوت ، فأنت تعلم الفرق الكبير الذي يمكن أن يحدثه كاتم الصوت في مستوى الضوضاء. داخل كاتم الصوت ، ستجد مجموعة أنابيب بسيطة مخادعة بها بعض الثقوب. هذه الأنابيب والغرف في الواقع مضبوطة بدقة مثل آلة موسيقية. وهي مصممة لتعكس الموجات الصوتية التي ينتجها المحرك بطريقة تلغي نفسها جزئيًا.
تستخدم كاتمات الصوت بعض التقنيات الرائعة لإلغاء الضوضاء. في هذه المقالة ، سوف نلقي نظرة داخل كاتم صوت سيارة حقيقي ونتعرف على المبادئ التي تجعله يعمل.
لكن أولاً ، نحتاج إلى معرفة القليل عن الصوت
من أين يأتي الصوت؟
الصوت عبارة عن موجة ضغط تتكون من نبضات ذات ضغط هواء مرتفع ومنخفض بالتناوب. هذه النبضات تشق طريقها في الهواء بسرعة الصوت.
في المحرك ، يتم إنشاء نبضات عندما ينفتح صمام العادم ويدخل فجأة انفجار غاز عالي الضغط في نظام العادم. تتصادم الجزيئات الموجودة في هذا الغاز مع جزيئات الضغط المنخفض في الأنبوب ، مما يؤدي إلى تكدسها على بعضها البعض. وهي بدورها تتراكم على الجزيئات في مسافة أبعد قليلاً أسفل الأنبوب ، تاركة وراءها منطقة ذات ضغط منخفض. بهذه الطريقة ، تشق الموجة الصوتية طريقها إلى أسفل الأنبوب أسرع بكثير من الغازات الفعلية.
عندما تصل نبضات الضغط هذه إلى أذنك ، تهتز طبلة الأذن ذهابًا وإيابًا. يفسر عقلك هذه الحركة على أنها صوت. تحدد سمتان رئيسيتان للموجة كيفية إدراكنا للصوت:
تردد الموجة الصوتية – يعني تردد الموجة الأعلى ببساطة أن ضغط الهواء يتقلب بشكل أسرع. كلما اشتغل المحرك بشكل أسرع ، زادت طبقة الصوت. تبدو التقلبات البطيئة وكأنها طبقة صوت منخفضة.
مستوى ضغط الهواء – تحدد سعة الموجة مدى ارتفاع الصوت. تعمل الموجات الصوتية ذات السعات الأكبر على تحريك طبلة الأذن بشكل أكبر ، ونحن نسجل هذا الإحساس على أنه مستوى صوت أعلى.
اتضح أنه من الممكن إضافة موجتين صوتيتين أو أكثر معًا والحصول على صوت أقل. دعونا نرى كيف.
كيف يمكنك إلغاء الصوت؟
الشيء الأساسي في الموجات الصوتية هو أن النتيجة في أذنك هي مجموع كل الموجات الصوتية التي تضرب أذنك في ذلك الوقت. إذا كنت تستمع لفرقة موسيقية ، على الرغم من أنك قد تسمع عدة مصادر مختلفة للصوت ، فإن موجات الضغط التي تضرب طبلة أذنك تتجمع معًا ، لذلك تشعر طبلة الأذن بضغط واحد فقط في أي لحظة.
الآن يأتي الجزء الرائع: من الممكن إنتاج موجة صوتية معاكسة تمامًا لموجة أخرى. هذا هو الأساس لسماعات إلغاء الضوضاء التي ربما تكون قد شاهدتها. لنفترض أن الموجة الصوتية في الأعلى والموجة الثانية كلاهما نغمتان صافيتان. إذا كانت الموجتان في طور ، فإنها تضيف ما يصل إلى موجة لها نفس التردد ولكن ضعف السعة. هذا يسمى التدخل البناء. ولكن ، إذا كانت خارج الطور تمامًا ، فإنها تضيف ما يصل إلى الصفر. وهذا ما يسمى التدخل المدمر. في الوقت الذي تكون فيه الموجة الأولى عند أقصى ضغط لها ، تكون الموجة الثانية عند أدنى مستوى لها. إذا ضربت هاتان الموجتان طبلة الأذن في نفس الوقت ، فلن تسمع أي شيء لأن مجموع الموجتين دائمًا يصل إلى الصفر.
كيف يتم جمع وطرح الموجات الصوتية
في القسم التالي ، سنرى كيف تم تصميم كاتم الصوت لإنشاء موجات تسبب أكبر قدر ممكن من التداخل المدمر.
يوجد داخل كاتم الصوت مجموعة من الأنابيب. تم تصميم هذه الأنابيب لإنشاء موجات منعكسة تتداخل مع بعضها البعض أو تلغي بعضها البعض. ألق نظرة على الجزء الداخلي من كاتم الصوت هذا:
تدخل غازات العادم والموجات الصوتية عبر الأنبوب المركزي. إنها ترتد من الجدار الخلفي لكاتم الصوت وتنعكس من خلال ثقب في الجسم الرئيسي لكاتم الصوت. يمرون عبر مجموعة من الثقوب إلى حجرة أخرى ، حيث يستديرون ويخرجون من الأنبوب الأخير ويتركون كاتم الصوت.
حجرة تسمى مرنان متصلة بالحجرة الأولى عن طريق ثقب. يحتوي الرنان على حجم معين من الهواء وله طول محدد يتم حسابه لإنتاج موجة تلغي ترددًا معينًا من الصوت. كيف يحدث هذا؟ دعونا نلقي نظرة فاحصة …
الرنان
عندما تضرب الموجة الفتحة ، يستمر جزء منها في الحجرة وينعكس جزء منها. تنتقل الموجة عبر الغرفة ، وتضرب الجدار الخلفي لكاتم الصوت وترتد من الحفرة. يتم حساب طول هذه الغرفة بحيث تغادر هذه الموجة حجرة الرنان مباشرة بعد انعكاس الموجة التالية عن خارج الغرفة. من الناحية المثالية ، فإن الجزء ذو الضغط العالي من الموجة الذي يأتي من الغرفة سوف يصطف مع الجزء منخفض الضغط من الموجة الذي ينعكس على السطح الخارجي لجدار الغرفة ، وسوف تلغي الموجتان بعضهما البعض.
إلغاء موجات داخل كاتم صوت مبسط
في الواقع ، الصوت الصادر من المحرك عبارة عن مزيج من العديد من ترددات الصوت المختلفة ، وبما أن العديد من هذه الترددات تعتمد على سرعة المحرك ، فإن الصوت لا يكون أبدًا عند التردد الصحيح تمامًا لحدوث ذلك. تم تصميم الرنان ليعمل بشكل أفضل في نطاق التردد حيث يصدر المحرك أكبر قدر من الضوضاء ؛ ولكن حتى إذا لم يكن التردد هو بالضبط ما تم ضبط الرنان من أجله ، فسيظل ينتج بعض التداخل المدمر.
تحتوي بعض السيارات ، خاصة السيارات الفاخرة التي يكون التشغيل الهادئ فيها ميزة أساسية ، على مكون آخر في العادم يشبه كاتم الصوت ، ولكنه يسمى مرنان. يعمل هذا الجهاز تمامًا مثل غرفة الرنان في كاتم الصوت – يتم حساب الأبعاد بحيث تساعد الموجات التي ينعكسها الرنان على إلغاء بعض ترددات الصوت في العادم.
هناك ميزات أخرى داخل هذا كاتم الصوت تساعده على تقليل مستوى الصوت بطرق مختلفة. يتكون جسم كاتم الصوت من ثلاث طبقات: طبقتان رفيعتان من المعدن مع طبقة سميكة معزولة قليلاً بينهما. هذا يسمح لجسم كاتم الصوت بامتصاص بعض نبضات الضغط. أيضًا ، أنابيب المدخل والمخرج التي تدخل الغرفة الرئيسية مثقبة بثقوب. يسمح هذا لآلاف نبضات الضغط الصغيرة بالارتداد في الغرفة الرئيسية ، وإلغاء بعضها البعض إلى حد ما بالإضافة إلى امتصاصها بواسطة غلاف كاتم الصوت.
كاتم صوت نشط لإلغاء الضوضاء
كانت هناك بعض التجارب مع كاتمات الصوت النشطة لإلغاء الضوضاء ، خاصة على المولدات الصناعية. تتضمن هذه الأنظمة مجموعة من الميكروفونات ومكبر الصوت.
يتم وضع مكبر الصوت في أنبوب يلتف حول أنبوب العادم بحيث يخرج الصوت من العادم في نفس اتجاه الصوت الصادر من السماعة. يراقب الكمبيوتر ميكروفونًا موضوعًا أمام مكبر الصوت والآخر موضوع بعد السماعة. من خلال معرفة بعض الأشياء حول طول الأنابيب وشكلها ، يمكن للكمبيوتر إنشاء إشارة لقيادة السماعة. هذا يمكن أن يلغي الكثير من الصوت القادم من المولد. يتيح ميكروفون المصب للكمبيوتر معرفة مدى جودة أدائه حتى يتمكن من إجراء تعديلات إذا لزم الأمر.