Явление резонанса известно давно. Любая колебательная система, будь то механическая или электрическая, имеет определенную длительность (период) колебаний. Воздействуя на колебательную систему частотой собственных колебаний, можно резко увеличить амплитуду колебаний при минимальных затратах энергии. Говорят, что система (колебательный контур в электротехнике) вошла в резонанс.
Самое старое описание резонанса было написано итальянским учёным Галилео Галилеем в начале 17 века на примере вибрирующих маятника и струны. Явление резонанса наиболее ярко проявляется на маятнике. Когда груз, подвешенный на проволоке, отклоняется от вертикали, он стремится вернуться в устойчивое состояние и совершать колебания вокруг него с постоянной частотой.
Толкая груз на собственной частоте вибрации, вы легко можете увеличить высоту подъема даже при большой массе. Дети с легкостью раскачивают самые тяжелые качели.
Свойства резонанса
Важнейшее свойство резонанса: чем ближе к себе воздействующая частота, тем резче возрастает амплитуда колебания. При отсутствии потерь энергии (трение, упругая и пластическая деформация, гравитационное воздействие и т д.) амплитуда колебаний увеличивается бесконечно до разрушения механической системы.
Зависимость амплитуды от соотношения частот
Добротность колебательной системы
Одним из параметров колебательной системы является добротность. Добротность определяет ширину резонанса, т.е отзывчивость колебательной системы на внешние воздействия с частотами, близкими к резонансу. Чем выше показатель качества, тем точнее должно быть внешнее воздействие. Анализ показывает, что добротность определяет энергопотребление системы при свободных колебаниях. Скорость затухания колебаний в свободной системе обратно пропорциональна ее добротности.
Положительные и отрицательные стороны резонанса
Явление механического резонанса одновременно полезно и вредно. Одним из первых практических применений было производство часов. Хаотично двигать тяжёлый колокольный язычок невозможно, но только если понимать период его колебаний. Все струнные и язычковые инструменты также используют это явление. Наиболее изучен резонанс колебаний струны в зависимости от ее длины, толщины и натяжения. Варьируя длину струн и прижимая их к металлическим ладам на грифе инструмента, музыканты могут издавать звуки разной частоты.
Читайте также статью: Зигзагообразный пробор: стильная прическа своими руками
Резонанс используется в частотомерах с герконами. Пластина (язычок), резонансная частота которой соответствует или наиболее близка к измеренной частоте, имеет наибольший размах вибрации.
Механический резонанс часто приводит к разрушению механических конструкций. Классический пример — мост, обрушившийся во время марша солдат. С тех пор переходить мост в один голос было строго запрещено. Увеличение амплитуды колебаний упругой подвески автомобиля может привести к опрокидыванию автомобиля или железнодорожного транспортного средства. Для уменьшения амплитуды колебаний необходима амортизация, позволяющая вывести частоту собственных колебаний за пределы возможного диапазона влияния или снизить добротность колебательной системы.
В транспортных средствах это достигается за счет применения газовых или жидкостных амортизаторов, гасящих вибрации элементов рессорной подвески. В железнодорожных транспортных средствах на колесных тележках устанавливаются несколько комплектов рессор разной жесткости. Этим достигается «размытие» резонансов. В легковых автомобилях тележки также оснащены амортизаторами для плавного гашения вибраций. Их конструкция точно такая же, как у автомобильных амортизаторов. Эти корабли оснащены так называемыми «стабилизаторами крена».
Электромеханические резонаторы
Видео: Резонанс: что о нём следует знать?
В радиотехнике существует группа устройств, использующих пьезоэлектрический эффект и механический резонанс. Это кварцевые резонаторы и электромеханические фильтры.
Пьезоэлектрический эффект проявляется в изменении линейных размеров некоторых веществ под действием приложенного напряжения. Деформация материала связана только с размером кристалла и не имеет ничего общего с величиной приложенного напряжения. Этот эффект является обратимым, т.е за счет деформации элемента получается разность потенциалов. Поэтому значения деформации и разности потенциалов зависят от исходного размера кристалла и имеют жесткую зависимость.
Пьезоэлектрическое явление наиболее очевидно в пластинах кварца, вырезанных из монокристалла в определенном направлении. На противоположных сторонах платы имеются металлические пластины для подключения цепей. Изменяя линейные размеры кварцевой пластины, можно получить разные значения резонансной частоты.
Полученный резонатор имеет чрезвычайно высокую добротность и стабильность частоты 10-6 Гц.
Набор кварцевых резонаторов, соединенных последовательно, образует частотный фильтр с очень хорошими свойствами: высокая добротность, точная настройка полосы пропускания или частоты среза.
Для справки. Фильтры и схемы задания частоты на основе кварцевых резонаторов применяются там, где требуется высокая стабильность: радиоприемная и передающая аппаратура, электронные часы и цифровая техника.
Преимущества кварцевых фильтров:
- Поддержание частоты является точным и не требует регулировки;
- Высокая добротность;
- Небольшой габаритный размер (менее одного миллиметра);
- Высокая надежность и долговечность;
- Зависимость от температуры слабая.
В случаях, когда требуется перестройка частоты, точность определения резонансной частоты играет отрицательную роль, так как параметры резонатора изменить нельзя. В дело вступает цифровой синтезатор частоты, в котором задающий генератор стабилизируется кварцевым элементом, а выходные импульсы генерируются с помощью логических операций цифровой последовательности.
Читайте также статью: Отопление
Комментарии
Отправить комментарий