Резонанс - Resonance

Увеличение амплитуды по мере уменьшения демпфирования и приближения частоты к резонансной частоте управляемого демпфированного простого гармонического осциллятора .

Резонанс описывает явление повышенной амплитуды , которое происходит , когда частота из периодически приложенной силы (или компонент Фурье от него) равна или близка к собственной частоте системы , на которой она действует. Когда осциллирующая сила применяется на резонансной частоте динамической системы, система будет колебаться с большей амплитудой, чем при приложении той же силы на других, нерезонансных частотах.

Частоты, при которых амплитуда отклика является относительным максимумом , также известны как резонансные частоты или резонансные частоты системы. Небольшие периодические силы, которые находятся около резонансной частоты системы, могут вызывать колебания большой амплитуды в системе из-за накопления колебательной энергии .

Явления резонанса происходят со всеми типами колебаний или волн : есть механический резонанс , акустический резонанс , электромагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный спиновой резонанс (ESR) и резонанс квантовых волновых функций . Резонансные системы могут использоваться для генерации колебаний определенной частоты (например, музыкальные инструменты ) или выделения определенных частот из сложной вибрации, содержащей множество частот (например, фильтров).

Термин « резонанс» (от латинского « резонантиа » , «эхо», от « резонар» , « резонанс ») возник из области акустики, в частности, симпатического резонанса, наблюдаемого в музыкальных инструментах, например, когда одна струна начинает вибрировать и издавать звук после другой. поражен.

Обзор

Резонанс возникает, когда система способна хранить и легко передавать энергию между двумя или более различными режимами хранения (например, кинетическая энергия и потенциальная энергия в случае простого маятника). Однако от цикла к циклу возникают некоторые потери, называемые демпфированием . При небольшом затухании резонансная частота приблизительно равна собственной частоте системы, которая является частотой невынужденных колебаний. Некоторые системы имеют несколько различных резонансных частот.

Примеры

Раскачивание человека на качелях - типичный пример резонанса. Нагруженное колебание, маятник , имеет собственную частоту колебаний, свою резонансную частоту, и сопротивляется толканию с большей или меньшей скоростью.

Знакомый пример - качели на детской площадке , которые действуют как маятник . Если подтолкнуть человека к качанию во времени с естественным интервалом качания (его резонансная частота), качели будут становиться все выше и выше (максимальная амплитуда), в то время как попытки подтолкнуть качели в более быстром или более медленном темпе создают меньшие дуги. Это потому, что энергия, поглощаемая качелями, максимальна, когда толчки соответствуют собственным колебаниям качелей.

Резонанс широко распространен в природе и используется во многих устройствах. Это механизм, с помощью которого генерируются практически все синусоидальные волны и вибрации. Многие звуки, которые мы слышим, например, при ударе о твердые предметы из металла , стекла или дерева , вызваны кратковременными резонансными колебаниями объекта. Свет и другое коротковолновое электромагнитное излучение создается резонансом в атомном масштабе , например, электроны в атомах. Другие примеры резонанса:

Линейные системы

Резонанс проявляется во многих линейных и нелинейных системах как колебания вокруг точки равновесия. Когда система приводится в действие синусоидальным внешним входом, измеренный выходной сигнал системы может колебаться в ответ. Отношение амплитуды установившихся колебаний выхода к колебаниям входа называется усилением, и коэффициент усиления может быть функцией частоты синусоидального внешнего входа. Пики усиления на определенных частотах соответствуют резонансам, где амплитуда колебаний измеряемого выхода непропорционально велика.

Поскольку многие линейные и нелинейные системы, которые колеблются, моделируются как гармонические осцилляторы вблизи их положений равновесия, этот раздел начинается с определения резонансной частоты для управляемого, затухающего гармонического осциллятора. Затем в этом разделе используется схема RLC для иллюстрации связи между резонансом и передаточной функцией системы, частотной характеристикой, полюсами и нулями. Основываясь на примере схемы RLC, в разделе затем обобщаются эти отношения для линейных систем более высокого порядка с несколькими входами и выходами.

Управляемый затухающий гармонический осциллятор

Рассмотрим амортизированную массу на пружине, приводимую в действие синусоидальной внешней силой. Второй закон Ньютона принимает вид

 

 

 

 

( 1 )

где m - масса, x - смещение массы от точки равновесия, F 0 - амплитуда движения, ω - угловая частота движения, k - жесткость пружины, c - коэффициент вязкого демпфирования. Это можно переписать в виде

 

 

 

 

( 2 )

куда

называется незатухающей угловой частотой генератора или собственной частотой ,
называется коэффициентом демпфирования .

Многие источники также относятся к ш 0 в качестве резонансной частоты . Однако, как показано ниже, при анализе колебаний смещения x ( t ) резонансная частота близка к ω 0, но не совпадает с ней . Как правило, резонансная частота близка к собственной частоте, но не обязательно совпадает с ней. Пример схемы RLC в следующем разделе дает примеры различных резонансных частот для одной и той же системы.

Общее решение уравнения ( 2 ) представляет собой сумму переходного решения, которое зависит от начальных условий, и решения в установившемся режиме, которое не зависит от начальных условий и зависит только от амплитуды возбуждения F 0 , частоты возбуждения ω , незатухающей угловой частоты ω 0. , и коэффициент затухания ζ . Переходное решение распадается за относительно короткий промежуток времени, поэтому для изучения резонанса достаточно рассмотреть стационарное решение.

Можно записать стационарное решение для x ( t ) как функцию, пропорциональную движущей силе с индуцированным изменением фазы φ ,

 

 

 

 

( 3 )

куда

Значение фазы обычно принимается между -180 ° и 0, поэтому оно представляет собой фазовую задержку как для положительных, так и для отрицательных значений аргумента arctan.

Установившееся изменение амплитуды с относительной частотой и затуханием управляемого простого гармонического осциллятора

Резонанс возникает, когда на определенных частотах возбуждения установившаяся амплитуда x ( t ) велика по сравнению с ее амплитудой на других частотах возбуждения. Для массы на пружине резонанс физически соответствует колебаниям массы, имеющим большие смещения от положения равновесия пружины на определенных частотах движения. Рассматривая амплитуду x ( t ) как функцию частоты возбуждения ω , амплитуда максимальна на частоте возбуждения

ω r - резонансная частота для этой системы. Снова отметим, что резонансная частота не равна незатухающей угловой частоте ω 0 генератора. Они пропорциональны, и если коэффициент демпфирования стремится к нулю, они одинаковы, но для ненулевого демпфирования они не имеют одинаковой частоты. Как показано на рисунке, резонанс также может возникать на других частотах, близких к резонансной, включая ω 0 , но максимальный отклик находится на резонансной частоте.

Также обратите внимание, что ω r является действительным и отличным от нуля, если , поэтому эта система может резонировать только тогда, когда гармонический осциллятор значительно недемпфирован. Для систем с очень малым коэффициентом демпфирования и частотой возбуждения, близкой к резонансной частоте, установившиеся колебания могут стать очень большими.

Маятник

Для других приводимых в действие затухающих гармонических осцилляторов, уравнения движения которых не выглядят точно так же, как масса на примере пружины, резонансная частота остается

но определения ω 0 и ζ меняются в зависимости от физики системы. Для маятника длиной l и малым углом смещения θ уравнение ( 1 ) принимает вид

и поэтому

Цепи серии RLC

Последовательная цепь RLC

Рассмотрим схему , состоящую из резистора с сопротивлением R , в катушке индуктивности с индуктивностью L , и конденсатор с емкостью С , соединенного последовательно с током я ( т ) и приводится в действие напряжением источника с напряжением V в ( т ). Падение напряжения в цепи равно

 

 

 

 

( 4 )

Вместо того, чтобы анализировать возможное решение этого уравнения, как в приведенном выше примере с массой пружины, в этом разделе будет проанализирована частотная характеристика этой схемы. Взяв преобразование Лапласа уравнения ( 4 ),

где I ( s ) и V in ( s ) - это преобразование Лапласа тока и входного напряжения соответственно, а s - параметр комплексной частоты в области Лапласа. Переставляя сроки,

Напряжение на конденсаторе

Последовательная схема RLC предоставляет несколько вариантов измерения выходного напряжения. Предположим, что интересующее выходное напряжение - это падение напряжения на конденсаторе. Как показано выше, в области Лапласа это напряжение равно

или

Определите для этой схемы собственную частоту и коэффициент демпфирования,

Отношение выходного напряжения к входному становится равным

H ( s ) - это передаточная функция между входным напряжением и выходным напряжением. Обратите внимание, что эта передаточная функция имеет два полюса - корни полинома в знаменателе передаточной функции - в точке

 

 

 

 

( 5 )

и отсутствие корней-нулей многочлена в числителе передаточной функции. Кроме того, обратите внимание, что для ζ ≤ 1 величина этих полюсов представляет собой собственную частоту ω 0, а для ζ <1 / , нашего условия резонанса в примере гармонического осциллятора, полюса ближе к мнимой оси, чем к действительной оси. ось.

Оценивая H ( s ) по мнимой оси s = , передаточная функция описывает частотную характеристику этой цепи. Эквивалентно, частотная характеристика может быть проанализирована с помощью преобразования Фурье уравнения ( 4 ) вместо преобразования Лапласа. Передаточная функция, которая также является сложной, может быть записана как усиление и фаза,

График амплитуды Боде для напряжения на элементах последовательной цепи RLC. Собственная частота ω 0 = 1 рад / с , коэффициент демпфирования ζ = 0,4 . Пиковое напряжение конденсатора ниже собственной частоты схемы, пиковое напряжение катушки индуктивности выше собственной частоты, а пиковое напряжение резистора достигает собственной частоты с пиковым коэффициентом усиления, равным единице. Коэффициент усиления для напряжения на конденсаторе и катушке индуктивности, соединенных последовательно, показывает антирезонанс, причем коэффициент усиления стремится к нулю на собственной частоте.

Синусоидальное входное напряжение на частоте ω приводит к выходному напряжению на той же частоте, которая была масштабирована с помощью G ( ω ), и имеет фазовый сдвиг Φ ( ω ). Коэффициент усиления и фаза могут быть нанесены на график Боде в зависимости от частоты . Для напряжения конденсатора цепи RLC коэффициент усиления передаточной функции H ( ) равен

 

 

 

 

( 6 )

Обратите внимание на сходство между усилением здесь и амплитудой в уравнении ( 3 ). И снова усиление максимизируется на резонансной частоте.

Здесь резонанс физически соответствует наличию относительно большой амплитуды для установившихся колебаний напряжения на конденсаторе по сравнению с его амплитудой на других частотах возбуждения.

Напряжение на катушке индуктивности

Резонансная частота не всегда должна иметь форму, приведенную в приведенных выше примерах. Для схемы RLC предположим, что интересующее выходное напряжение - это напряжение на катушке индуктивности. Как показано выше, в области Лапласа напряжение на катушке индуктивности равно

используя те же определения для ω 0 и ζ, что и в предыдущем примере. Передаточная функция между V in ( s ) и этим новым V out ( s ) через катушку индуктивности равна

Обратите внимание, что эта передаточная функция имеет те же полюсы, что и передаточная функция в предыдущем примере, но также имеет два нуля в числителе при s = 0 . Оценивая H ( s ) вдоль мнимой оси, его коэффициент усиления становится

По сравнению с коэффициентом усиления в уравнении ( 6 ), использующим напряжение конденсатора в качестве выходного сигнала, это усиление имеет коэффициент ω 2 в числителе и, следовательно, будет иметь другую резонансную частоту, которая максимизирует усиление. Эта частота

Таким образом, для той же цепи RLC, но с напряжением на катушке индуктивности в качестве выхода, резонансная частота теперь больше, чем собственная частота, хотя она все еще стремится к собственной частоте, поскольку коэффициент демпфирования стремится к нулю. То, что одна и та же схема может иметь разные резонансные частоты для разных вариантов выхода, не противоречит. Как показано в уравнении ( 4 ), падение напряжения в цепи делится между тремя элементами схемы, и каждый элемент имеет разную динамику. Напряжение конденсатора медленно растет за счет интегрирования тока с течением времени и, следовательно, более чувствительно к более низким частотам, тогда как напряжение катушки индуктивности растет при быстром изменении тока и, следовательно, более чувствительно к более высоким частотам. В то время как цепь в целом имеет собственную частоту, на которой она имеет тенденцию к колебаниям, разная динамика каждого элемента схемы заставляет каждый элемент резонировать с немного другой частотой.

Напряжение на резисторе

Предположим, что интересующее выходное напряжение - это напряжение на резисторе. В области Лапласа напряжение на резисторе равно

и используя ту же собственную частоту и коэффициент демпфирования, что и в примере конденсатора, передаточная функция равна

Обратите внимание, что эта передаточная функция также имеет те же полюса, что и предыдущие примеры схемы RLC, но у нее есть только один ноль в числителе при s = 0. Для этой передаточной функции ее коэффициент усиления равен

Резонансная частота, которая максимизирует это усиление, равна

и коэффициент усиления один на этой частоте, так что напряжение на резисторе резонирует на собственной частоте цепи и на этой частоте амплитуды напряжения на резисторе равна амплитуде входного напряжения в.

Антирезонанс

Некоторые системы проявляют антирезонанс, который можно анализировать так же, как резонанс. Для антирезонанса амплитуда отклика системы на определенных частотах непропорционально мала, а не непропорционально велика. В примере схемы RLC это явление можно наблюдать, анализируя как катушку индуктивности, так и конденсатор вместе.

Предположим, что интересующее выходное напряжение в цепи RLC - это напряжение на катушке индуктивности и конденсаторе, соединенных последовательно. Уравнение ( 4 ) показало, что сумма напряжений на трех элементах схемы суммируется с входным напряжением, поэтому измерение выходного напряжения как суммы объединенных напряжений катушки индуктивности и конденсатора равно v в минус падение напряжения на резисторе. . Предыдущий пример показал, что на собственной частоте системы амплитуда падения напряжения на резисторе равна амплитуде v in , и, следовательно, напряжение на катушке индуктивности и конденсаторе вместе имеет нулевую амплитуду. Мы можем показать это с помощью передаточной функции.

Сумма напряжений катушки индуктивности и конденсатора равна

Используя ту же собственную частоту и коэффициенты демпфирования, что и в предыдущих примерах, передаточная функция равна

Обратите внимание, что эта передача имеет те же полюса, что и предыдущие примеры, но имеет нули в

 

 

 

 

( 7 )

Оценивая передаточную функцию вдоль мнимой оси, ее коэффициент усиления равен

Вместо того, чтобы искать резонанс, то есть пики усиления, обратите внимание, что усиление стремится к нулю при ω = ω 0 , что дополняет наш анализ напряжения резистора. Это называется антирезонансом , который имеет эффект, противоположный резонансу. Вместо того, чтобы давать непропорционально большие выходы на этой частоте, эта схема с таким выбором выхода вообще не имеет отклика на этой частоте. Частота, которая отфильтровывается, точно соответствует нулям передаточной функции, которые были показаны в уравнении ( 7 ) и находились на мнимой оси.

Взаимосвязь между резонансом и частотной характеристикой в ​​примере последовательной цепи RLC

Эти примеры схем RLC показывают, как резонанс связан с частотной характеристикой системы. В частности, эти примеры иллюстрируют:

  • Как можно найти резонансные частоты, ища пики усиления передаточной функции между входом и выходом системы, например, на графике амплитуды Боде
  • Как резонансная частота для одной системы может отличаться для разных вариантов выхода системы
  • Связь между собственной частотой системы, коэффициентом демпфирования системы и резонансной частотой системы.
  • Связь между собственной частотой системы и величиной полюсов передаточной функции, указанная в уравнении ( 5 ), и, следовательно, связь между полюсами и резонансной частотой
  • Связь между нулями передаточной функции и формой усиления как функции частоты, и, следовательно, связь между нулями и резонансной частотой, которая максимизирует усиление.
  • Связь нулей передаточной функции с антирезонансом

В следующем разделе эти концепции распространяются на резонанс в общей линейной системе.

Обобщающий резонанс и антирезонанс для линейных систем

Затем рассмотрим произвольную линейную систему с несколькими входами и выходами. Например, в представлении в пространстве состояний линейная инвариантная во времени система третьего порядка с тремя входами и двумя выходами может быть записана как

где u i ( t ) - входы, x i (t) - переменные состояния, y i ( t ) - выходы, а A , B , C и D - матрицы, описывающие динамику между переменными.

Эта система имеет матрицу передаточной функции , элементами которой являются передаточные функции между различными входами и выходами. Например,

Каждый H ij ( s ) является скалярной передаточной функцией, связывающей один из входов с одним из выходов. В приведенных выше примерах схемы RLC было одно входное напряжение и четыре возможных выходных напряжения - на конденсаторе, на катушке индуктивности, на резисторе и на конденсаторе и катушке индуктивности, соединенных последовательно, - каждое со своей передаточной функцией. Если бы схема RLC была настроена для измерения всех четырех этих выходных напряжений, эта система имела бы матрицу передаточной функции 4 × 1, связывающую один вход с каждым из четырех выходов.

Вычисленное по мнимой оси, каждое H ij ( ) может быть записано как усиление и фазовый сдвиг,

Пики усиления на определенных частотах соответствуют резонансам между входом и выходом этой передаточной функции, при условии, что система стабильна .

Каждую передаточную функцию H ij ( s ) можно также записать в виде дроби, числитель и знаменатель которой являются полиномами от s .

Комплексные корни числителя называются нулями, а комплексные корни знаменателя - полюсами. Для стабильной системы положения этих полюсов и нулей на комплексной плоскости дают некоторое представление о том, может ли система резонировать или антирезонировать и на каких частотах. В частности, любая стабильная или незначительно устойчивая комплексно сопряженная пара полюсов с мнимыми составляющими может быть записана в терминах собственной частоты и коэффициента затухания как

как в уравнении ( 5 ). Собственная частота ω 0 этого полюса представляет собой величину положения полюса на комплексной плоскости, а коэффициент демпфирования этого полюса определяет, насколько быстро это колебание затухает. В основном,

  • Комплексно сопряженные пары полюсов около мнимой оси соответствуют пику или резонансу в частотной характеристике вблизи собственной частоты полюса. Если пара полюсов находится на мнимой оси, коэффициент усиления на этой частоте бесконечен.
  • Комплексно сопряженные пары нулей около мнимой оси соответствуют провалу или антирезонансу в частотной характеристике в окрестности частоты нуля, т. Е. Частоте, равной величине нуля. Если пара нулей находится на мнимой оси, коэффициент усиления на этой частоте равен нулю.

В примере схемы RLC первое обобщение, связывающее полюса с резонансом, наблюдается в уравнении ( 5 ). Второе обобщение, связывающее нули с антирезонансом, наблюдается в уравнении ( 7 ). В примерах гармонического генератора, напряжения конденсатора цепи RLC и напряжения индуктивности цепи RLC «полюса около мнимой оси» соответствуют условию значительно заниженного демпфирования ζ <1 / .

Стоячие волны

Масса на пружине имеет одну собственную частоту , так как она имеет одну степень свободы.

Физическая система может иметь столько собственных частот, сколько степеней свободы, и может резонировать около каждой из этих собственных частот. Масса на пружине, имеющая одну степень свободы, имеет одну собственную частоту. Двойной маятник , который имеет две степени свободы, может иметь два собственных частот. По мере увеличения количества связанных гармонических осцилляторов время, необходимое для передачи энергии от одного к другому, становится значительным. Системы с очень большим числом степеней свободы можно рассматривать как непрерывные, а не как имеющие дискретные осцилляторы.

Энергия передается от одного осциллятора к другому в виде волн. Например, струну гитары или поверхность воды в чаше можно смоделировать как континуум небольших связанных осцилляторов, и волны могут перемещаться по ним. Во многих случаях эти системы могут резонировать на определенных частотах, образуя стоячие волны с колебаниями большой амплитуды в фиксированных положениях. Резонанс в форме стоячих волн лежит в основе многих известных явлений, таких как звук, производимый музыкальными инструментами, электромагнитные резонаторы, используемые в лазерах и микроволновых печах, и уровни энергии атомов.

Стоячие волны на струне

анимация стоячей волны
Стоячей волны (в черном), создается , когда две волны , движущиеся от левого и правого встречаются и SUPERIMPOSE

Когда струна фиксированной длины приводится в движение с определенной частотой, волна распространяется по струне с той же частотой. Волны отражаются от концов струны, и в конечном итоге достигается устойчивое состояние с волнами, распространяющимися в обоих направлениях. Форма волны - это суперпозиция волн.

На определенных частотах форма волны установившегося состояния не движется по струне. В фиксированных позициях, называемых узлами , струна никогда не смещается . Между узлами струна колеблется, и ровно посередине между узлами - в положениях, называемых антиузлами - колебания имеют наибольшую амплитуду.

Стоячие волны в струне - основная мода и первые 5 гармоник .

Для струны длины с фиксированными концами смещение струны перпендикулярно оси - во времени равно

куда

  • - амплитуда левой и правой бегущих волн, мешающих формированию стоячей волны,
  • - волновое число ,
  • это частота .

Частоты, которые резонируют и образуют стоячие волны, относятся к длине струны как

,

где - скорость волны, а целое число обозначает различные режимы или гармоники . Стоячая волна с = 1 колеблется на основной частоте и имеет длину волны, которая в два раза превышает длину струны. Возможные режимы колебаний образуют гармонический ряд .

Типы

Механический и акустический

Школьный эксперимент с резонирующей массой

Механический резонанс - это тенденция механической системы поглощать больше энергии, когда частота ее колебаний соответствует собственной частоте колебаний системы, чем на других частотах. Это может вызвать резкие раскачивания и даже катастрофические разрушения неправильно построенных конструкций, включая мосты, здания, поезда и самолеты. При проектировании объектов инженеры должны следить за тем, чтобы частоты механического резонанса компонентов не совпадали с управляющими частотами колебаний двигателей или других колеблющихся частей, явление, известное как резонансная катастрофа .

Как избежать резонансных катастроф является одной из основных проблем в каждом здании, башни и мост строительного проекта. В качестве контрмеры, амортизаторы могут быть установлены для поглощения резонансных частот и , таким образом рассеивают поглощенную энергию. Здание Taipei 101 полагается на маятник массой 660 тонн (730 коротких тонн) - настроенный глушитель массы - для подавления резонанса. Кроме того, конструкция спроектирована так, чтобы резонировать на частоте, которая обычно не встречается. Здания в сейсмических зонах часто строятся с учетом частот колебаний ожидаемых колебаний грунта. Кроме того, инженеры, проектирующие объекты с двигателями, должны гарантировать, что механические резонансные частоты компонентов не совпадают с частотами движущихся колебаний двигателей или других сильно колеблющихся частей.

Часы отсчитывают время за счет механического резонанса в колесе баланса , маятнике или кристалле кварца .

Было выдвинуто предположение, что частота вращения педалей бегунов является энергетически выгодной из-за резонанса между упругой энергией, запасенной в нижней конечности, и массой бегуна.

Акустический резонанс - это ветвь механического резонанса, которая связана с механическими колебаниями в частотном диапазоне человеческого слуха, другими словами, со звуком . Для людей слух обычно ограничен частотами от примерно 20  Гц до 20000 Гц (20  кГц ). Многие предметы и материалы действуют как резонаторы с резонансными частотами в этом диапазоне, и при ударе механически вибрируют, давя на окружающий воздух для создания звуковых волн. . Это источник многих ударных звуков, которые мы слышим.

Акустический резонанс является важным фактором для изготовителей инструментов, поскольку в большинстве акустических инструментов используются резонаторы , такие как струны и корпус скрипки , длина трубки в флейте , а также форма и натяжение мембраны барабана.

Как и механический резонанс, акустический резонанс может привести к катастрофическому разрушению объекта при резонансе. Классическим примером этого является разбивание бокала со звуком с точной резонансной частотой бокала, хотя на практике это сложно.

Международная космическая станция

В ракетных двигателях для Международной космической станции (МКС) управляется с помощью автопилота . Обычно загруженные параметры для управления системой управления двигателем модуля «Звезда» заставляют ракетные двигатели выводить Международную космическую станцию ​​на более высокую орбиту. Ракетные двигатели шарнирные , и обычно экипаж не замечает операции. Однако 14 января 2009 года загруженные параметры заставили автопилот раскачивать ракетные двигатели все большими и большими колебаниями с частотой 0,5 Гц. Эти колебания были зафиксированы на видео и длились 142 секунды.

Электрические

Анимация, демонстрирующая электрический резонанс в настроенной цепи , состоящей из конденсатора (C) и катушки индуктивности (L), соединенных вместе. Заряд течет вперед и назад между пластинами конденсатора через катушку индуктивности. Энергия колеблется взад и вперед между электрическим полем конденсатора ( E ) и магнитным полем индуктора ( B ).

Электрический резонанс возникает в электрической цепи на определенной резонансной частоте, когда полное сопротивление цепи является минимальным в последовательной цепи или максимальным в параллельной цепи (обычно, когда передаточная функция достигает пика по абсолютной величине). Резонанс в схемах используется как для передачи, так и для приема беспроводной связи, такой как телевидение, сотовые телефоны и радио.

Оптический

Оптический резонатор , также называемый оптический резонатором , является расположением зеркал , которое образует стоячую волну резонатор для световых волн . Оптические резонаторы - это основной компонент лазеров , окружающий усиливающую среду и обеспечивающий обратную связь с лазерным светом. Они также используются в оптических параметрических генераторах и некоторых интерферометрах . Свет, заключенный в полости, многократно отражается, создавая стоячие волны для определенных резонансных частот. Образцы стоячих волн называются «модами». Продольные моды различаются только частотой, в то время как поперечные моды различаются для разных частот и имеют разные картины интенсивности в поперечном сечении пучка. Кольцевые резонаторы и шепчущие галереи являются примерами оптических резонаторов, которые не образуют стоячие волны.

Разные типы резонаторов различаются фокусным расстоянием двух зеркал и расстоянием между ними; плоские зеркала используются нечасто из-за сложности их точного выравнивания. Геометрия (тип резонатора) должна быть выбрана так, чтобы луч оставался стабильным, то есть размер луча не продолжал расти с каждым отражением. Типы резонаторов также разработаны с учетом других критериев, таких как минимальная перетяжка луча или отсутствие фокальной точки (и, следовательно, интенсивного света в этой точке) внутри полости.

Оптические резонаторы разработаны , чтобы иметь очень большой Q - фактор . Луч отражается большое количество раз с небольшим затуханием, поэтому ширина частотной линии луча мала по сравнению с частотой лазера.

Дополнительные оптические резонансы - это резонансы направленных мод и поверхностный плазмонный резонанс , которые приводят к аномальному отражению и сильным затухающим полям в резонансе. В этом случае резонансные моды являются управляемыми модами волновода или поверхностными плазмонными модами границы раздела диэлектрик-металл. Эти моды обычно возбуждаются субволновой решеткой.

Орбитальный

В небесной механике , орбитальный резонанс возникает , когда два вращающихся вокруг тела оказывает регулярное, периодическое гравитационное влияние друг на друг, как правило , из - за их орбитальные периоды будучи связаны отношением двух малых целых чисел. Орбитальные резонансы значительно усиливают взаимное гравитационное влияние тел. В большинстве случаев это приводит к нестабильному взаимодействию, при котором тела обмениваются импульсом и перемещаются по орбитам до тех пор, пока резонанс не перестанет существовать. При некоторых обстоятельствах резонансная система может быть стабильной и самокорректирующейся, так что тела остаются в резонансе. Примерами являются 1: 2: 4 резонанс Jupiter спутников «S Ганимед , Европа и Ио , и 2: 3 резонанс между Плутоном и Нептуном . Неустойчивые резонансы с внутренними лунами Сатурна вызывают разрывы в кольцах Сатурна . Частный случай резонанса 1: 1 (между телами с одинаковыми радиусами орбиты) заставляет большие тела Солнечной системы очищать окрестности вокруг своих орбит, выбрасывая почти все остальное вокруг себя; этот эффект используется в текущем определении планеты .

Атомные, частичные и молекулярные

Магнит ЯМР в HWB-ЯМР, Бирмингем, Великобритания. В его сильном поле 21,2 тесла протонный резонанс находится на частоте 900 МГц.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) - это название явления физического резонанса, включающего наблюдение определенных квантово-механических магнитных свойств атомного ядра в присутствии приложенного внешнего магнитного поля. Многие научные методы используют явления ЯМР для изучения молекулярной физики , кристаллов и некристаллических материалов с помощью ЯМР-спектроскопии . ЯМР также обычно используется в передовых методах медицинской визуализации, например, в магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Все ядра, содержащие нечетное число нуклонов, обладают собственным магнитным моментом и угловым моментом . Ключевой особенностью ЯМР является то, что резонансная частота конкретного вещества прямо пропорциональна силе приложенного магнитного поля. Именно эта функция используется в методах визуализации; если образец помещен в неоднородное магнитное поле, то резонансные частоты ядер образца зависят от того, где в поле они расположены. Следовательно, частицу можно довольно точно определить по ее резонансной частоте.

Электронный парамагнитный резонанс , также известный как электронно-спиновый резонанс (ЭПР), представляет собой спектроскопический метод, подобный ЯМР, но использующий вместо этого неспаренные электроны. Материалы, для которых это может быть применено, гораздо более ограничены, поскольку материал должен иметь как неспаренный спин, так и быть парамагнитным .

Эффект Мёссбауэра - это резонансное излучение без отдачи и поглощение гамма- квантов атомами, связанными в твердой форме.

Резонанс в физике элементарных частиц возникает в обстоятельствах, аналогичных классической физике на уровне квантовой механики и квантовой теории поля . Резонансы также можно рассматривать как нестабильные частицы, с формулой в резонансном кривой Универсальной этой статье , применяя , если Γ представляет собой частицу скорость распада и Ω является масса частицы М . В этом случае формула исходит из пропагатора частицы , а ее масса заменяется комплексным числом M  +  . Формула связана со скоростью распада частицы оптической теоремой .

Недостатки

Колонна солдат, идущих правильным шагом по узкому и гибкому в конструкции мосту, может вызвать опасно большие колебания амплитуды . 12 апреля 1831 года Бротонский подвесной мост возле Солфорда, Англия, обрушился, когда группа британских солдат маршировала по нему. С тех пор у британской армии есть постоянный приказ солдатам прервать походку при переходе через мосты, чтобы избежать резонанса от их обычного походного режима, влияющего на мост.

Вибрации двигателя или двигателя могут вызывать резонансную вибрацию в его опорных конструкциях, если их собственная частота близка к частоте колебаний двигателя. Типичный пример - дребезжащий звук кузова автобуса, когда двигатель работает на холостом ходу.

Структурный резонанс подвесного моста, вызванный ветрами, может привести к его катастрофическому обрушению. Несколько ранних подвесных мостов в Европе и США были разрушены структурным резонансом, вызванным умеренным ветром. Обрушение моста Tacoma Narrows Bridge 7 ноября 1940 года охарактеризовано в физике как классический пример резонанса. Утверждались от Роберта Х. Scanlan и другими , что разрушение было вызвано вместо аэроупругого флаттером , сложное , взаимодействие между мостом и ветрами , проходящими через него-пример собственного колебания , или своего родом «автоколебаний "как говорится в нелинейной теории колебаний.

Добротность

Высокая и низкая добротность

Коэффициент добротности или добротность - это безразмерный параметр, который описывает, насколько недостаточно демпфирован осциллятор или резонатор, и характеризует полосу пропускания резонатора относительно его центральной частоты. Высокое значение Q указывает на более низкую скорость потерь энергии по сравнению с накопленной энергией, т. Е. Система слабо демпфирована. Параметр определяется уравнением:

.

Чем выше добротность, тем больше амплитуда на резонансной частоте и тем меньше ширина полосы или диапазон частот вокруг резонанса. При электрическом резонансе схему с высокой добротностью в радиоприемнике сложнее настроить, но она имеет большую избирательность и поэтому лучше отфильтровывает сигналы от других станций. Генераторы с высокой добротностью более стабильны.

Примеры, которые обычно имеют низкий коэффициент добротности, включают дверные доводчики (Q = 0,5). К системам с высокой добротностью относятся камертоны (Q = 1000), атомные часы и лазеры (Q≈10 11 ).

Универсальная резонансная кривая

«Универсальная резонансная кривая», симметричное приближение к нормированному отклику резонансного контура; значения абсцисс - отклонение от центральной частоты в единицах центральной частоты, деленной на 2Q; ордината - относительная амплитуда и фаза в циклах; пунктирные кривые сравнивают диапазон откликов реальных двухполюсных цепей для значения Q, равного 5; для более высоких значений Q отклонение от универсальной кривой меньше. Крестиками отмечены края полосы пропускания 3 дБ (усиление 0,707, фазовый сдвиг 45 ° или 0,125 цикла).

Точный отклик резонанса, особенно для частот, далеких от резонансной частоты, зависит от деталей физической системы и обычно не совсем симметричен относительно резонансной частоты, как показано выше для простого гармонического осциллятора . Для слегка затухающего линейного осциллятора с резонансной частотой Ом , то интенсивность колебаний я , когда система приводится в движение с приводным частоты со , как правило , аппроксимируется формулой , которая является симметричной относительно резонансной частоты:

Если восприимчивость связывает амплитуду осциллятора с движущей силой в частотном пространстве:

Интенсивность определяется как квадрат амплитуды колебаний. Это функция Лоренца или распределение Коши , и этот отклик встречается во многих физических ситуациях, связанных с резонансными системами. Γ - параметр, зависящий от затухания осциллятора, и известен как ширина линии резонанса. Осцилляторы с сильным затуханием, как правило, имеют широкую ширину линии и реагируют на более широкий диапазон управляющих частот вокруг резонансной частоты. Ширина линии обратно пропорциональна к Q - фактор, который является мерой остроты резонанса.

В радиотехнике и электронике этот приблизительный симметричный отклик известен как универсальная резонансная кривая , концепция, введенная Фредериком Э. Терманом в 1932 году для упрощения приблизительного анализа радиосхем с диапазоном центральных частот и значений добротности.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки