+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Частота электромагнитных колебаний — Справочник химика 21

    Для расчета теплоемкости твердых веществ и газов применимы принципы квантовой теории. Согласно последней теплоемкость твердых, кристаллических веществ можно вычислить по известной формуле Дебая, используя характеристическую температуру 0 и частоты электромагнитных колебаний V, поглощаемых или излучаемых атомами при переходе электрона с одной орбиты на другую , [c.210]
    Частота электромагнитных колебаний будет равна [c.30]

    Поскольку за единицу времени волна проходит расстояние, равное и, число волн, которое укладывается в отрезке и, равно u/i-, последняя величина есть число колебаний в единицу времени, она называется частотой и обозначается буквой ч таким образом ч = и/Х. Так как частоты электромагнитных колебаний для видимого и ультрафиолетового излучения очень велики, то во многих случаях удобно пользоваться волновым числом v v = 1/Х. Как видно, м отличается от на постоянный множитель и. Волновое число показывает, сколько длин волн укладывается в 1 см. 

[c.289]

    Одним из наиболее характерных свойств пламени является его способность излучать энергию. Излучение — следствие перехода молекулы или атома из возбужденного состояния в основное при этом в виде излучения выделяется квант энергии, равный /IV (Н — постоянная Планка, V — частота электромагнитного колебания). Излучение пламени может иметь тепловую или хемилюминесцентную природу. В первом случае переход атомов (молекул) в возбужденное состояние обусловлен их тепловым движением и является следствием обмена энергии при соударениях, во втором случае переход в возбужденное состояние происходит вследствие протекающих в пламени экзотермических химических реакций. [c.114]

    Таким образом, частоты электромагнитных колебаний, которые могут излучаться атомом водорода, рассчитанные по полученному чисто теоретическим путем соотношению (1, 9), точно совпадают с частотами, известными из опытных данных.

[c.31]

    Электромагнитный спектр простирается от области жесткого 7-излучения с очень короткой длиной волны до длинных радиоволн. Частота электромагнитных колебаний v связана с длиной волны света X соотношением [c.141]

    При изменении направления внешнего электрического поля происходит переориентация полярных молекул и изменение направления вектора наведенного диполя. При увеличении частоты электрического поля сначала отпадает ориентационная поляризация. Полярные молекулы не успевают следовать за сменой направления электрического поля. При дальнейшем увеличении частоты отпадает атомная поляризация. Электронная же поляризация сохраняется даже в переменном электрическом поле с частотой 10 сек , что соответствует частоте электромагнитных колебаний видимого света. 

[c.83]

    В 1900 г. немецкий физик М. Планк объяснил особенности распределения энергии в оптических спектрах. Как известно, атомные спектры состоят из отдельных спектральных линий (линейчатые спектры), каждая из которых соответствует определенному уровню энергии и характеризуется определенными значениями частоты электромагнитных колебаний V и длины волны к, связанных [c. 188]


    Наиболее простые спектры зарегистрированы у атомов водорода и ему подобных ионов (Не+, +, Ве + и т.д.) Частоты электромагнитных колебаний спектральных линий описывают общей формулой [c.188]

    Анализируя спектры, М. Планк предположил, что переход от одной спектральной линии к другой соответствует изменению энергии, пропорциональной частоте электромагнитных колебаний 

[c.189]

    Другая проверка теории Бора заключалась в расчете спектральных линий водородных атомов и сравнении вычисленных спектров с экспериментально полученными. Переход к спектрам, т.е. к частотам электромагнитных колебаний, осуществляем сравнением уравнений (17.11) и (17.12)  [c.192]

    Если коротковолновой границе такой спектральной серии соответствует частота электромагнитных колебаний V,, то энергия ионизации /, может быть вычислена нз уравнения Планка [c.215]

    Частота электромагнитных колебаний V обратно пропорциональна длине волны А, V = сА, где с — скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, равная 3,00-10 м/с.

Частоты электромагнитных колебаний имеют очень большие значения, поэтому вместо них часто используют величину, обратную длине волны, — волновое число У(СМ ). [c.23]

    Монохроматическое излучение—это энергия излучения, характеризуемого одним значением частоты электромагнитного колебания. На практике этот термин употребляют в более широком смысле, используют для обозначения энергии излучения, частоты колебания которого заключены в столь узком интервале значений, что его мож-достаточно точно описать одним единственным значением частоты или длины волны [c.508]

    Основной характеристикой электромагнитных колебаний является длина волны X или частота V, которые связаны между собой простым соотношением уХ=с и, таким образом, однозначно определяют одна другую. По мере изменения длины волны (частоты) электромагнитных колебаний меняется вид процессов, которыми они обусловлены. 

[c.17]

    Это уравнение выражает условие частот. Частота электромагнитного колебания отсюда будет равна  [c.466]

    Для решения ряда задач аэро- и гидромеханики в последнее время получил широкое распространение лазерный доплеров-ский метод [145]. Появление оптических квантовых генераторов дало возможность создавать оптические доплеровские измерители скорости, которые могут быть использованы для исследования несамосветящихся объектов. Сущность эффекта Доплера заключается в изменении частоты электромагнитных колебаний при рассеянии на частицах, движущихся в потоке. Разность между частотами колебаний опорного и рассеянного излучений соответствует доплеровскому сдвигу частоты, пропорциональному скорости движения частиц потока. В исследуемые потоки вводятся мелкие частицы, причем при использовании квантовых генераторов в качестве источника когерентного излучения концентрация частиц (например, шарики полистирола диаметром 0,5 мкм) может быть ничтожной (1 30 000), что практически не сказывается на гидродинамических характеристиках потока.

Интересные результаты работы [146], в которой метод использован для исследования распределения скоростей в жидкости при естественной конвекции, позволяют судить о возможности использования этого метода и для изучения поверхностной конвекции. [c.105]

    Замечательный новый спектроскопический метод изучения молекул дало открытие ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Смысл этого явления заключается в следующем. Если какое-либо вещество содержит атомы, ядра которых имеют магнитный момент (такими атомами являются водород, азот, фтор, фосфор углерод и кислород имеют немагнитные ядра), то в магнитном поле ядра этих атомов стремятся ориентироваться по полю. В результате существования нескольких ориентаций ядерных моментов в магнитном поле уровни энергии атомов расщепляются на так называемые подуровни сверхтонкой структуры. Как известно из атомной теории, если спин частицы (ядра) равен /, то происходит расщепление уровня энергии на 2у4-1 подуровня, соответствующих разным ориентациям магнитиков в пространстве.

Если наложить на образец, помещенный в постоянное магнитное поле, некоторое слабое переменное поле, то при определенных условиях резонанса, когда энергия квантов электромагнитного поля точно равна разности энергетических уровней магнитиков, будет наблюдаться поглощение электромагнитной энергии в образце, которое может быть легко измерено. Условие резонансного поглощения hv—Hg l, где к — постоянная Планка, V — частота электромагнитных колебаний, р — магнитный момент ядра, g — постоянная сверхтонкой структуры, Н — магнитное поле. 
[c.177]

    Частота электромагнитных колебаний V, поглощаемых или излучаемых атомами при таких переходах электронов, пропорциональна изменению энергии Д атома, причем коэффициент пропорциональности является универсальной постоянной — одной из основных постоянных современной физики. Он получил название элементарного кванта действия постоянной Планка), обозначается через Л и равен 6,6256- эрг-с. [c.28]

    Вид спектра поглощения зависит от типа исследуемого вещества я от длины волны поглощаемого излучения (см.

рис. 6.2), Поэтому аналитические методы, основанные на поглощении излучения, разделяются на несколько основных групп в соответствии с используемым диапазоном частоты электромагнитных колебаний природа различных спектров обсуждается более детально в разделах, где приведено описание соответствующих методов. [c.124]


    В отличие от магнитостатического, электромагнитного, индукционного и электродинамического магнитометров, работа ядерного магнитометра не зависит ни от температуры, ни от ориентации датчика. В ядерном магнитометре магнитное поле измеряется по величине частоты электромагнитных колебаний, которые современная техника определяет с точностью до миллионных долей измеряемой величины. Полный цикл работы прецессионного ядерного магнитометра включает два последовательных физических процесса поляризацию рабочего вещества (вода или раствор спирта в воде) и измерение частоты сигнала ядерной индукции в слабом магнитном поле (поле земли).
[c.175]

    Напомним, что между частотой электромагнитных колебаний и энергией соответствующих им квантов существует соотношение /гv=Д , где к — постоянная Планка. [c.267]

    Так как частоты электромагнитных колебаний для видимого и ультрафиолетового излучение очень велики, то во многих случаях удобно пользоваться волновым числом V [c.289]

    Каждое отдельное монохроматическое излучение (фотон) характеризуется определенной длиной электромагнитной волны X, которая связана с частотой электромагнитных колебаний уравнением  [c.22]

    В зависи.мости от того какие лучи электромагнитного спектра пропускать через вещество, могут возбуждаться либо вращательные, либо колебательные движения, либо электронные переходы, либо все виды движений одновременно. Возбуждение того или иного движения в молекуле происходит тогда, когда его частота совладает с частотой электромагнитного колебания (резонанс). Наибольшей энергией обладают рентгеновские лучи (Я = 0,01 — 10А), еатем ультрафиолетовые лучи (10ч-4000.

4), затем видимый свет (4000.А.8000А), затем инфракрасные лучи (0,8—300 р), затем микроволны 0,03—100 см и далее радиоволны. Энергия радиоволн слишком мала, чтобы возбуждать колебания молекул органических веществ. Микроволны и длинные инфракрасные волны могут возбуждать только вращательные движения в молекулах. Если частоты колебания этих волн совпадают с собственной частотой вращения отдельных частей молекулы, то происходит резонансное поглощение энергии инфракрасного облучения этой частоты, что отразится в спектре поглощения. Такого рода спектры применяются для тонкого структурного анализа органических веществ. Инфракрасные спектры органических соединений обычно изучают в пределах длтш волн 1 25 х, при этом линии поглощения Б спектре появляются за счет вращательного п колебательного движения в молекулах исследуемого вещества. Каждой функциональной группе и группе атомов в молекуле исследуемого соединения в спектре соответствует одна или несколько линий с опре-денной длиной волны. С помощью инфракрасных спектров можнс проводить идентификацию чистых углеводородов, анализировать качественно и количественно смеси нескольких компонентов вплотг-до обнаружения таких близких структур как цис- и транс-изомеры.
На рис. 16 приведен г /с-спектр толуола. [c.32]

    Частоту электромагнитных колебаний измеряют в обратных секундах (с ), или герцах (Гц). Волновое число v измеряют в обратнык сантиметрах (см ) или в обратных метк ах (м ). [c.517]

    Взаимодействие высокочастотного магнитного поля катушки с полем вихревых токов приводит к изменению полного сопротивления катушки, что нарушает резонанс высокочастотного колебательного контура и, следовательно, уменьшает амплитуду колебаний в катушке. При этом величина расстройки резонанса, а следовательно, и амплитуда колебаний в значительной степени определяются электропроводностью поверхностного слоя образца, которая, в свою очередь, зависит от степени поражения металла межкристаллитной коррозией. Более подробно физические основы токовихревого метода применительно к контролю межкристаллитной коррозии рассмотрены в работе [118]. Для определения степени поражения металла межкристаллитной коррозией используется токовихревой прибор ТПН-Ш с частотой электромагнитных колебаний 2 МГц. Блок-схема токовихревого прибора ТПН-1М приведена на рис. 114. Прибор состоит из генератора высокочастотных колебаний /, собранного на лампе 6Н 1П, в первичном контуре которого для стабилизации частоты применен кварц диодных детекторов 4 и 5 на лампе 6Х2П с компенсационным контуром 2 и контуром датчика 3 дифференциального усилителя постоянного тока 6, выполненного на лампе 6Н1П, и стрелочного индикатора 7 типа М-24 на 100 мкА. Генератор возбуждает высокочастотные электромагнитные колебания частотой 2 МГц, которые через емкость связи подаются на компенсационный контур и контур выносного датчика. Оба контура настраиваются в резонанс. Контур дат- [c.158]

    Современный технический прогресс тесно связан с созданием и широким прнмеиеиием новых неорганических материалов со специфическими магнитными, электрическими и оптическими свойствами. Среди этих материалов видное место занимают ферриты — соединения окиси железа с окислами других металлов, обладающие ценным сочетанием ферромагнитных, полупроводниковых и диэлектрических свойств. Это позволяет применить ферриты там, где использование обычных металлических ферромагнетиков практически невозможно. Речь идет прежде всего о технике высоких и сверхвысоких частот. С увеличением частоты электромагнитных колебаний значительно возрастают потери энергии из-за возникновения вихревых токов. Мощность этих потерь прямо пропорциональна квадрату частоты и размерам тела, но обратно пропорциональна удельному сопротивлению ферромагнетика. Очевидно, что в высокочастотных полях потери энергии могут быть снижены увеличением сопротивления, а оно у ферритов достигает величины порядка 10 —10 ом см. [c.3]

    Частота прецессии ядра равна частоте электромагнитного колебания, нсобхсдимого для перевода ядра из одного спинового состояния в другое. При таком ядерном переходе происходит изменение угла, образованного осью ядерного магнита с направлением внешнего магнитного поля. Это изменение можно индуцировать наложением электромагнитного поля с маг штным вектором, вращаюш,имея в плоскости, перпендикулярной основному магнитному полю. Если частоты Бращаюш,егося магнитного поля и прецессии ядер совпадают по величине, то говорят о выполнении резонансных условий. При этом может происходить поглош,ение и одновременное испускание энергии. Таким образом, ядерный магнитный резонанс (поглощение или испускание энергии) наблюдается в том случае, когда ядро (/ > > 0) помещено в постоянное магнитное поле и подвергается действию электромагнитного излучения нужной частоты. [c.71]


ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ • Большая российская энциклопедия

ГЕНЕРА́ТОР ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИХ КОЛЕ­БА́НИЙ, уст­рой­ст­во, пре­об­ра­зую­щее разл. ви­ды элек­три­че­ской энер­гии (напр., ис­точ­ни­ков по­сто­ян­но­го на­пря­же­ния или то­ка) в энер­гию элек­три­че­ских (элек­тро­маг­нит­ных) ко­ле­ба­ний. Тер­мин «Г. э. к.» ча­ще все­го от­но­сит­ся к ав­то­ге­не­ра­то­рам (ге­не­ра­то­рам с не­за­ви­си­мым воз­бу­ж­де­ни­ем), в ко­то­рых час­то­та и фор­ма воз­бу­ж­дае­мых ав­то­ко­ле­ба­ний оп­ре­де­ля­ют­ся свой­ст­ва­ми са­мо­го ге­не­ра­то­ра. Г. э. к. с по­сто­рон­ним воз­бу­ж­де­ни­ем пред­став­ля­ют со­бой уси­ли­те­ли мощ­но­сти элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний, соз­да­вае­мых за­даю­щим ге­не­ра­то­ром.

Схема транзисторного LC-генератора с индуктивной (а), ёмкостной (б) и автотрансформаторной (в) обратной связью: Т – транзистор; L, C – индуктивность и ёмкость колебательного контура; Eк &n… Рис. И. В. Баланцевой

Не­об­хо­ди­мые эле­мен­ты Г. э. к.: ис­точ­ник энер­гии; пас­сив­ные це­пи, в ко­то­рых воз­бу­ж­да­ют­ся и под­дер­жи­ва­ют­ся ко­ле­ба­ния; ак­тив­ный эле­мент, пре­об­ра­зую­щий энер­гию ис­точ­ни­ка пи­та­ния в энер­гию ге­не­ри­руе­мых ко­ле­ба­ний, обыч­но в со­че­та­нии с управ­ляю­щи­ми до­пол­нит. це­пя­ми (це­пя­ми об­рат­ной свя­зи). В за­ви­си­мо­сти от тре­буе­мых ха­рак­те­ри­стик в Г. э. к. ис­поль­зу­ют раз­но­об­раз­ные эле­мен­ты. Для воз­бу­ж­де­ния ко­ле­ба­ний в диа­па­зо­нах НЧ и ВЧ слу­жат ко­ле­ба­тель­ные кон­ту­ры, элек­трич. фильт­ры и др. це­пи с со­сре­до­то­чен­ны­ми па­ра­мет­ра­ми (ём­ко­стью, ин­дук­тив­но­стью, со­про­тив­ле­ни­ем), а в ка­че­ст­ве ак­тив­ных эле­мен­тов – элек­трон­ные лам­пы, тран­зи­сто­ры, тун­нель­ные дио­ды, опе­ра­ци­он­ные уси­ли­те­ли и др. В Г. э. к. СВЧ при­ме­ня­ют гл. обр. це­пи с рас­преде­лён­ны­ми па­ра­мет­ра­ми, вклю­чаю­щие объ­ём­ные ре­зо­на­то­ры, за­мед­ляю­щие сис­те­мы, по­лос­ко­вые и ко­ак­си­аль­ные ли­нии, вол­но­во­ды, а так­же от­кры­тые ре­зо­на­то­ры. Ак­тив­ные эле­мен­ты СВЧ ча­ще все­го со­вме­ще­ны с пас­сив­ны­ми це­пя­ми и пред­став­ля­ют со­бой, как пра­ви­ло, элек­тро­ва­ку­ум­ные (СВЧ-три­од, маг­не­трон, клис­трон, лам­па об­рат­ной вол­ны и др.) или твер­до­тель­ные (СВЧ-тран­зи­с­тор, ди­од Ган­на, ла­вин­но-про­лёт­ный ди­од, тун­нель­ный ди­од) при­бо­ры. В оп­тич. кван­то­вых ге­не­ра­то­рах (ла­зе­рах) при­ме­ня­ют разл. ви­ды от­кры­тых ре­зо­на­то­ров и ак­тив­ную сре­ду, пре­об­ра­зую­щую энер­гию ис­точ­ни­ка пи­та­ния (энер­гию «на­кач­ки») в энер­гию элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний.

Возбуждение автоколебаний

Воз­бу­ж­де­ние ав­то­ко­ле­ба­ний в Г. э. к. на­чи­на­ет­ся с воз­ник­но­ве­ния на­чаль­ных ко­ле­ба­ний в к.-л. эле­мен­те при вклю­че­нии ис­точ­ни­ка пи­та­ния, за­мы­ка­нии це­пей, вслед­ст­вие элек­трич. флук­туа­ций и т. п. Бла­го­да­ря це­пи об­рат­ной свя­зи энер­гия это­го ко­ле­ба­ния по­сту­па­ет в ак­тив­ный эле­мент и уси­ли­ва­ет­ся в нём. Ко­ле­ба­ния в Г. э. к. на­рас­та­ют, т. е. про­ис­хо­дит са­мо­воз­бу­ж­де­ние ге­не­ра­то­ра, ес­ли мощ­ность, пе­ре­да­вае­мая ко­ле­ба­ниям ак­тив­ным эле­мен­том от ис­точ­ни­ка пи­та­ния, боль­ше мощ­но­сти по­терь во всех эле­мен­тах Г. э. к. (вклю­чая мощ­ность, от­да­вае­мую в на­груз­ку). Ес­ли по­те­ри энер­гии пре­вы­ша­ют по­сту­п­ле­ние, ко­ле­ба­ния за­ту­ха­ют. Энер­ге­тич. рав­но­ве­сие, со­от­вет­ст­вую­щее ста­цио­нар­но­му ре­жи­му Г. э. к., осу­ще­ст­ви­мо лишь при на­ли­чии у эле­мен­тов сис­те­мы не­ли­ней­ных свойств. В про­тив­ном слу­чае в Г. э. к. мо­гут воз­бу­ж­дать­ся ли­бо на­рас­таю­щие, ли­бо за­ту­хаю­щие ко­ле­ба­ния, и ге­не­ри­ро­ва­ние ста­цио­нар­ных элек­трич. ко­ле­ба­ний не­воз­мож­но.

Вид воз­бу­ж­дае­мых ко­ле­ба­ний, их час­тот­ный спектр су­ще­ст­вен­но за­ви­сят от час­тот­ных свойств пас­сив­ных це­пей и ак­тив­но­го эле­мен­та Г. э. к. Ес­ли це­пи, в ко­то­рых воз­бу­ж­да­ют­ся и под­дер­жи­ва­ют­ся элек­трич. (элек­тро­маг­нит­ные) ко­ле­ба­ния, об­ла­да­ют яр­ко вы­ра­жен­ны­ми ко­ле­ба­тель­ны­ми (ре­зо­нанс­ны­ми) свой­ст­ва­ми (напр., ко­ле­бат. кон­тур, объ­ём­ный ре­зо­на­тор), то час­то­та и фор­ма ге­не­ри­руе­мых ко­ле­ба­ний в осн. оп­ре­де­ля­ют­ся час­то­той и фор­мой собств. ко­ле­ба­ний це­пи. При ма­лых по­те­рях (вы­со­кой доб­рот­но­сти ко­ле­бат. сис­те­мы) фор­ма ко­ле­ба­ний близ­ка к си­ну­сои­даль­ной, со­от­вет­ст­вую­щие Г. э. к. на­зы­ва­ют­ся ге­не­ра­то­ра­ми гар­мо­нич. ко­ле­ба­ний. Ес­ли пас­сив­ные це­пи и ак­тив­ный эле­мент Г. э. к. не об­ла­да­ют ре­зо­нанс­ны­ми свой­ст­ва­ми, то воз­мож­но воз­бу­ж­де­ние ко­ле­ба­ний слож­ной фор­мы как пе­рио­ди­че­ских, так и не­пе­рио­ди­че­ских (шу­мо­по­доб­ных) ко­ле­ба­ний.

Генераторы гармонических колебаний

Наи­бо­лее раз­но­об­раз­ны ви­ды ге­не­ра­то­ров гар­мо­нич. ко­ле­ба­ний. Их осн. ха­рак­те­ри­сти­ки: час­то­та ко­ле­ба­ний, вы­ход­ная мощ­ность, кпд, воз­мож­ность меха­нич. или элек­трич. пе­ре­строй­ки час­то­ты, ста­биль­ность час­то­ты, ха­рак­те­ри­зуе­мая ши­ри­ной ге­не­ри­руе­мой спек­т­раль­ной ли­нии, а так­же воз­мож­ность ра­бо­ты в не­пре­рыв­ном или им­пульс­ном ре­жи­ме. Прин­ци­пы по­строе­ния и кон­ст­рук­ция Г. э. к. за­ви­сят от диа­па­зо­на ге­не­ри­руе­мых час­тот (длин волн).

Для воз­бу­ж­де­ния ко­ле­ба­ний в НЧ- и ВЧ-диа­па­зо­нах слу­жат LC-ге­не­ра­то­ры, со­дер­жа­щие в ка­че­ст­ве осн. эле­мен­та пас­сив­ной це­пи ко­ле­бат. кон­тур (с ин­дук­тив­но­стью L и ём­ко­стью C), по­те­ри в ко­то­ром ком­пен­си­ру­ют­ся, напр., с по­мо­щью лам­по­во­го (на ос­но­ве трио­да или тет­ро­да) ли­бо тран­зи­стор­но­го уси­ли­те­ля; ге­не­ри­ру­ют гар­мо­нич. ко­ле­ба­ния с час­то­той ώ , близ­кой к ре­зо­нансной час­то­те кон­ту­ра ώрез= (LC)–1/2.

 

В LC-ге­не­ра­то­рах ис­поль­зу­ют­ся три осн. ти­па свя­зи – ин­дук­тив­ная, ём­ко­ст­ная или ав­то­транс­фор­ма­тор­ная. Про­стей­ший тран­зи­стор­ный ге­не­ра­тор со­дер­жит ис­точ­ни­ки пи­та­ния, ко­ле­бат. кон­тур, ак­тив­ный эле­мент – тран­зи­стор и цепь об­рат­ной свя­зи (рис.). Тран­зи­стор уси­ли­ва­ет ко­ле­ба­ния, под­во­ди­мые от кон­ту­ра к управ­ляю­ще­му элек­тро­ду (ба­зе), что по­зво­ля­ет с по­мо­щью це­пи об­рат­ной свя­зи под­ка­чи­вать энер­гию в кон­тур для его воз­бу­ж­де­ния и под­дер­жа­ния не­за­ту­хаю­щих ко­ле­ба­ний. LC-ге­не­ра­то­ры по­зво­ля­ют по­лу­чать ко­ле­ба­ния мощ­но­стью от до­лей мил­ли­ватт до со­тен ки­ло­ватт в диа­па­зо­не час­тот от несколь­ких ки­ло­герц до еди­ниц ги­га­герц.

В квар­це­вых LC-ге­не­ра­то­рах ис­поль­зу­ет­ся квар­це­вый ре­зо­на­тор, в ко­то­ром энер­гия элек­трич. по­ля пре­об­ра­зу­ет­ся в энер­гию ме­ха­нич. ко­ле­ба­ний и об­рат­но. Элек­трич. квар­це­вый ре­зо­на­тор ана­ло­ги­чен ко­ле­бат. кон­ту­ру с вы­со­кой доб­рот­но­стью (до 107 и бо­лее) и сла­бой за­ви­си­мо­стью ре­зо­нанс­ной час­то­ты от темп-ры и др. фак­то­ров, что по­зво­ля­ет до­бить­ся вы­со­кой ста­биль­но­сти ге­не­ри­руе­мой час­то­ты.

В ос­но­ве ра­бо­ты ге­не­ра­то­ров СВЧ-диа­па­зо­на ле­жат разл. фи­зич. прин­ци­пы пе­ре­да­чи энер­гии элек­тро­нов элек­тро­маг­нит­но­му по­лю, ис­поль­зую­щие как ме­ха­низ­мы из­лу­че­ния отдельных элек­тро­нов (тор­моз­ное, че­рен­ков­ское, син­хро­трон­ное и др.), так и ме­ха­низ­мы груп­пи­ров­ки по­то­ка элек­тро­нов в дви­жу­щие­ся сгу­ст­ки, соз­даю­щие то­ки СВЧ и при­во­дя­щие к ин­ду­ци­ро­ван­но­му из­лу­че­нию.

Лам­по­вые и тран­зи­стор­ные ге­не­ра­то­ры СВЧ пред­став­ля­ют со­бой мо­ди­фи­ка­ции LC-ге­не­ра­то­ров, в ко­то­рых при­ме­ня­ют­ся объ­ём­ные ре­зо­на­то­ры и ко­ле­бат. сис­те­мы с рас­пре­де­лён­ны­ми па­ра­мет­ра­ми, тран­зи­сто­ры, трио­ды и тет­ро­ды спец. кон­ст­рук­ции (см. так­же Ге­не­ра­тор­ная лам­па). В ди­од­ных СВЧ-ге­не­ра­то­рах ис­поль­зу­ют ла­вин­но-про­лёт­ные дио­ды, тун­нель­ные дио­ды и Ган­на дио­ды, в ко­то­рых при оп­ре­де­лён­ных ус­ло­ви­ях воз­ни­ка­ет от­ри­цат. диф­фе­рен­ци­аль­ное со­про­тив­ле­ние. Вклю­че­ние та­ко­го дио­да в ко­ле­бат. цепь СВЧ при­во­дит к ком­пен­са­ции по­терь в це­пи и са­мо­воз­бу­ж­де­нию ко­ле­баний на со­от­вет­ст­вую­щих час­то­тах. Лам­по­вые ге­не­ра­то­ры обес­пе­чи­ва­ют по­лу­че­ние им­пульс­ной мощ­но­сти до не­сколь­ких ки­ло­ватт на час­то­тах 1–6 ГГц. Ди­од­ные и тран­зи­стор­ные ге­не­ра­то­ры при­ме­ня­ют­ся в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ков СВЧ-ко­ле­ба­ний ма­лой и ср. мощ­но­сти (до де­сят­ков ватт в не­пре­рыв­ном ре­жи­ме) в диа­па­зо­не 1–100 ГГц; они об­ла­да­ют ря­дом пре­иму­ществ пе­ред элек­тро­ва­ку­ум­ны­ми ге­не­ра­то­ра­ми ана­ло­гич­но­го на­зна­че­ния по раз­ме­рам и мас­се, по­треб­ляе­мой мощ­но­сти, дол­го­веч­но­сти и со­вмес­ти­мо­сти с мик­ро­схе­ма­ми. Вме­сте с тем пре­дель­ная мощ­ность твер­до­тель­ных ге­не­ра­то­ров ог­ра­ни­че­на ве­ли­чи­ной рас­сеи­вае­мой в по­лу­про­вод­ни­ке те­п­ло­вой энер­гии и не пре­вы­ша­ет (для од­но­го при­бо­ра) 100 Вт на час­то­тах до 10 ГГц.

Для ге­не­ри­ро­ва­ния СВЧ-ко­ле­ба­ний ши­ро­ко при­ме­ня­ют ва­ку­ум­ные элек­т­рон­ные при­бо­ры с ди­на­мич. управ­ле­ни­ем элек­трон­ным по­то­ком (клис­тро­ны, маг­не­тро­ны, лам­пы об­рат­ной вол­ны, лам­пы бе­гу­щей вол­ны и др.). В маг­не­трон­ном ге­не­ра­то­ре ис­точ­ни­ком энер­гии яв­ля­ет­ся ис­точ­ник анод­но­го на­пря­же­ния, ко­ле­бат. сис­те­мой – объ­ём­ные ре­зо­на­то­ры, а функ­ции ак­тив­но­го эле­мен­та вы­пол­ня­ет элек­трон­ный по­ток в маг­нит­ном по­ле. Маг­не­тро­ны обыч­но ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний боль­шой мощ­но­сти (до не­сколь­ких ме­га­ватт) в им­пульс­ном ре­жи­ме и де­сят­ков ки­ло­ватт при не­пре­рыв­ной ге­не­ра­ции в диа­па­зо­не час­тот от 300 МГц до 300 ГГц.

Клис­трон­ный ге­не­ра­тор так­же со­дер­жит объ­ём­ный ре­зо­на­тор, в ко­то­ром ко­ле­ба­ния воз­бу­ж­да­ют­ся и под­дер­жи­ва­ют­ся элек­трон­ным по­то­ком, управ­ляе­мым элек­трич. по­лем. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны клис­трон­ные ге­не­ра­то­ры, ра­бо­таю­щие в диа­па­зо­не час­тот от еди­ниц до де­сят­ков ги­га­герц. Мощ­ность та­ких ге­не­ра­то­ров за­ви­сит от ти­па клис­тро­на и со­став­ля­ет: у от­ра­жат. клис­тронов – от не­сколь­ких мил­ли­ватт до не­сколь­ких ватт, у про­лёт­ных клис­тро­нов – от со­тен ки­ло­ватт до де­сят­ков ме­га­ватт со­от­вет­ст­вен­но в не­пре­рыв­ном и им­пульс­ном ре­жи­мах ге­не­ри­ро­ва­ния.

Лам­пы об­рат­ной вол­ны (ЛОВ) при­ме­ня­ют в ка­че­ст­ве Г. э. к. ма­лой и ср. мощ­но­сти; их осн. пре­иму­ще­ст­во – боль­шой диа­па­зон элек­трон­ной пе­ре­строй­ки час­то­ты, оп­ре­де­ляе­мый гл. обр. по­ло­сой про­пус­ка­ния за­мед­ляю­щей сис­те­мы (со­став­ля­ет до не­сколь­ких ок­тав). Ге­не­ра­то­ры на ЛОВ ис­поль­зу­ют в ка­чест­ве ге­те­ро­ди­нов, за­даю­щих ге­не­ра­то­ров ра­дио­пе­ре­даю­щих уст­ройств, для ра­дио­спек­тро­ско­пии и др. це­лей.

Ге­не­ра­то­ра­ми мощ­ных ко­ле­ба­ний мил­ли­мет­ро­во­го диа­па­зо­на яв­ля­ют­ся ма­зе­ры на цик­ло­трон­ном ре­зо­нан­се, в ко­то­рых при­ме­ня­ют­ся вин­то­вые элек­трон­ные пуч­ки в про­доль­ном ста­тич. маг­нит­ном по­ле, взаи­мо­дей­ст­вую­щие с по­пе­реч­ным по от­но­ше­нию к оси пуч­ка пе­ре­мен­ным элек­трич. по­лем ре­зо­на­то­ра или вол­но­во­да. Воз­бу­ж­де­ние ко­ле­ба­ний в та­ком Г. э. к. про­ис­хо­дит на цик­ло­трон­ной час­то­те вра­ще­ния элек­тро­нов в маг­нит­ном по­ле или на од­ной из её гар­мо­ник. Осо­бое ме­сто сре­ди мощ­ных СВЧ-ге­не­ра­то­ров за­ни­ма­ют при­бо­ры с ре­ля­ти­ви­ст­ски­ми элек­трон­ны­ми пуч­ка­ми, имею­щие боль­шой ток (по­ряд­ка 103 кА и бо­лее) и со­от­вет­ст­вен­но боль­шую мощ­ность в те­че­ние им­пуль­сов ог­ра­ни­чен­ной дли­тель­но­сти (см. так­же Ре­ля­ти­ви­ст­ская вы­со­ко­час­тот­ная элек­тро­ни­ка).

Отд. груп­пу Г. э. к. со­став­ля­ют кван­то­вые ге­не­ра­то­ры, в ко­то­рых элек­тро­маг­нит­ные ко­ле­ба­ния воз­бу­ж­да­ют­ся за счёт вы­ну­ж­ден­ных кван­то­вых пе­ре­хо­дов ато­мов или мо­ле­кул. Важ­ная осо­бен­ность та­ких Г. э. к. – чрез­вы­чай­но вы­со­кая ста­биль­ность час­то­ты ге­не­ра­ции (до 10–14), что по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать их как кван­то­вые стан­дар­ты час­то­ты. В ла­зе­рах и ма­зе­рах час­то­та из­лу­че­ния на­кач­ки пре­вы­ша­ет час­то­ту ге­не­ри­руе­мых ко­ле­ба­ний. Так, в па­ра­маг­нит­ном ма­зе­ре при на­кач­ке на час­то­те 10 ГГц воз­бу­ж­да­ют­ся ко­ле­ба­ния с час­то­той до 5 ГГц со ста­биль­но­стью час­то­ты, оп­ре­де­ляе­мой лишь ста­биль­но­стью темп-ры и маг­нит­но­го по­ля.

К Г. э. к., пре­об­ра­зую­щим энер­гию пер­вич­ных элек­трич. ко­ле­ба­ний, от­но­сят­ся так­же па­ра­мет­ри­че­ские ге­не­ра­то­ры ра­дио­диа­па­зо­на, пред­став­ляю­щие со­бой ре­зо­нанс­ную ко­ле­бат. сис­те­му – кон­тур или объ­ём­ный ре­зо­на­тор, в ко­то­ром один из энер­го­ём­ких (ре­ак­тив­ных) па­ра­мет­ров (L или C) за­ви­сит от про­те­каю­ще­го то­ка или при­ложен­но­го на­пря­же­ния; дей­ст­вие ос­но­ва­но на яв­ле­нии па­ра­мет­ри­че­ско­го ре­зо­нан­са. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли ма­ло­мощ­ные па­ра­мет­ри­че­ские Г. э. к., в ко­то­рых в ка­че­ст­ве эле­мен­та с элек­три­че­ски управ­ляе­мой ём­ко­стью ис­поль­зу­ет­ся ПП ди­од.

Релаксационные генераторы

Су­ще­ст­ву­ет ши­ро­кий класс ге­не­ра­то­ров пе­рио­дич. ко­ле­ба­ний разл. фор­мы, пе­ри­од ко­то­рых оп­ре­де­ля­ет­ся вре­ме­нем ре­лак­са­ции (ус­та­нов­ле­ния рав­но­ве­сия) в пас­сив­ных це­пях, не об­ла­даю­щих ре­зо­нанс­ны­ми свой­ст­ва­ми. В та­ких Г. э. к. за ка­ж­дый пе­ри­од ко­ле­ба­ний те­ря­ет­ся и вновь по­пол­ня­ет­ся зна­чит. часть ко­ле­бат. энер­гии. Фор­ма ко­ле­ба­ний за­ви­сит от свойств как пас­сив­ных це­пей, так и ак­тив­но­го эле­мен­та и мо­жет быть весь­ма раз­но­об­раз­ной – от скач­ко­об­раз­ных, поч­ти раз­рыв­ных ко­ле­ба­ний до ко­ле­баний, близ­ких к гар­мо­ни­че­ским. В радио­тех­ни­ке, элек­тро­ни­ке, из­ме­рит. и им­пульс­ной тех­ни­ке наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли ре­лак­сац. им­пульс­ные ге­не­ра­то­ры (напр., бло­кинг-ге­не­ра­то­ры, муль­ти­виб­ра­то­ры), ге­не­ра­то­ры ли­ней­но из­ме­няю­ще­го­ся сиг­на­ла, а так­же ге­не­ра­то­ры си­ну­сои­даль­ных ко­ле­ба­ний (RC-ге­не­ра­то­ры, ге­не­ра­то­ры Ган­на) и др.

RC-ге­не­ра­тор не со­дер­жит ко­ле­бат. кон­ту­ров. Ак­тив­ным эле­мен­том (напр., элек­трон­ной лам­пой, тран­зи­сто­ром) управ­ля­ет RC-цепь об­рат­ной свя­зи, со­стоя­щая лишь из ём­ко­стей C и актив­ных со­про­тив­ле­ний R, соз­даю­щая ус­ло­вия ге­не­ра­ции лишь для од­но­го гар­мо­нич. ко­ле­ба­ния с час­то­той, оп­ре­де­ляе­мой вре­ме­нем ре­лак­са­ции це­пи. В по­доб­ных Г. э. к. про­ис­хо­дит пол­ный энер­го­об­мен за ка­ж­дый пе­ри­од ко­ле­ба­ний. При от­клю­че­нии ис­точ­ни­ка пи­та­ния ко­ле­ба­ния ис­че­за­ют. RC-ге­не­ра­то­ры ис­поль­зу­ют­ся пре­им. как ис­точ­ни­ки эта­лон­ных ко­ле­ба­ний в диа­па­зо­не час­тот от до­лей герц до со­тен ки­ло­герц.

Ге­не­ра­тор Ган­на пред­став­ля­ет со­бой кри­сталл ПП, ко­то­рый яв­ля­ет­ся од­но­вре­мен­но и ко­ле­бат. сис­те­мой, и ак­тив­ным эле­мен­том. Че­рез кри­сталл про­пус­ка­ют по­сто­ян­ный ток, и при оп­ре­де­лён­ных ус­ло­ви­ях в нём воз­ни­ка­ют не­ста­цио­нар­ные про­цес­сы, при­во­дя­щие к по­яв­ле­нию СВЧ пе­ре­мен­ной со­став­ля­ю­щей то­ка, про­те­каю­ще­го че­рез кри­с­талл, и к воз­ник­но­ве­нию на элек­тро­дах эдс СВЧ (см. Ган­на эф­фект). С по­мо­щью та­ких ге­не­ра­то­ров мож­но по­лу­чать элек­трич. ко­ле­ба­ния час­то­той от 100 МГц до 50 ГГц и мощ­но­стью до 100 мВт (при не­пре­рыв­ном ге­не­ри­ро­ва­нии) и со­тен ватт (в им­пульс­ном ре­жи­ме).

Генераторы случайных сигналов

Ге­не­ра­то­ры слу­чай­ных сиг­на­лов пред­на­зна­че­ны для ге­не­ри­ро­ва­ния не­пре­рыв­ных шу­мов или по­сле­до­ва­тель­но­стей им­пуль­сов со слу­чай­ны­ми зна­че­ния­ми ам­пли­туд, дли­тель­но­стей им­пуль­сов, ин­тер­ва­лов ме­ж­ду ни­ми. Ра­бо­та та­ких Г. э. к. ос­но­ва­на на ис­поль­зо­ва­нии ес­теств. ис­точ­ни­ков шу­мов и слу­чай­ных им­пуль­сов ли­бо воз­бу­ж­де­нии сто­хас­тич. ав­то­ко­ле­ба­ний. В ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ков ши­ро­ко­по­лос­ных шу­мов при­ме­ня­ют­ся шу­мо­вые дио­ды, ти­ра­тро­ны, по­ме­щён­ные в по­пе­реч­ное маг­нит­ное по­ле, дро­бо­вые шу­мы вход­ных элек­трон­ных ламп, тран­зи­сто­ров или фо­то­дио­дов в ви­део­уси­ли­те­лях, фо­то­ум­но­жи­те­лях и др.; пер­вич­ны­ми ис­точ­ни­ка­ми слу­чай­ных по­сле­до­ва­тель­но­стей им­пуль­сов мо­гут слу­жить, напр., га­зо­раз­ряд­ные и сцин­тил­ля­ци­он­ные счёт­чи­ки про­дук­тов ра­дио­ак­тив­но­го рас­па­да. Про­из­во­дя уси­ле­ние и пре­об­ра­зо­ва­ние шу­мов, соз­да­вае­мых ис­точ­ни­ком, с по­мо­щью разл. ли­ней­ных и не­ли­ней­ных уст­ройств (уси­ли­те­лей, ог­ра­ни­чи­те­лей, жду­щих муль­ти­виб­ра­то­ров, бло­кинг-ге­не­ра­то­ров, триг­ге­ров, ра­бо­таю­щих в ре­жи­ме счё­та вы­бро­сов шу­ма, и др.) мож­но по­лу­чать не­пре­рыв­ные шу­мо­вые ко­ле­ба­ния или слу­чай­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти им­пуль­сов с оп­ре­де­лён­ны­ми за­ко­на­ми рас­пре­де­ле­ния па­ра­мет­ров в разл. диа­па­зо­нах ра­дио­час­тот. Ге­не­ра­то­ры слу­чай­ных сиг­на­лов при­ме­ня­ют для оп­ре­де­ле­ния ко­эф. шу­ма и пре­дель­ной чув­ст­ви­тель­но­сти ра­дио­при­ём­ных уст­ройств, по­ме­хо­устой­чи­во­сти сис­тем ав­то­ма­тич. ре­гу­ли­ро­ва­ния и те­ле­управ­ле­ния, пре­дель­ной даль­но­сти ра­дио­ло­кац. и ра­дио­на­ви­гац. сис­тем, в ка­че­ст­ве ка­либ­ро­ван­ных ис­точ­ни­ков мощ­но­сти при из­ме­ре­нии па­ра­мет­ров слу­чай­ных про­цес­сов (напр., ат­мо­сфер­ных по­мех, шу­мов вне­зем­но­го про­ис­хо­ж­де­ния) и др.

Глава 24. Электромагнитные колебания и волны

Электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (см. рисунок), называется колебательным контуром. В этой цепи могут происходить своеобразные электрические колебания. Пусть, например, в начальный момент времени мы заряжаем пластины конденсатора положительным и отрицательным зарядами, а затем разрешим зарядам двигаться. Если бы катушка отсутствовала, конденсатор начал бы разряжаться, в цепи на короткое время возник электрический ток, и заряды пропали бы. Здесь же происходит следующее. Сначала благодаря самоиндукции катушка препятствует увеличению тока, а затем, когда ток начинает убывать, препятствует его уменьшению, т.е. поддерживает ток. В результате ЭДС самоиндукции заряжает конденсатор с обратной полярностью: та пластина, которая изначально была заряжена положительно, приобретает отрицательный заряд, вторая — положительный. Если при этом не происходит потерь электрической энергии (в случае малого сопротивления элементов контура), то величина этих зарядов будет такая же, как величина первоначальных зарядов пластин конденсатора. В дальнейшем движение процесс перемещения зарядов будет повторяться. Таким образом, движение зарядов в контуре представляет собой колебательный процесс.

Для решения задач ЕГЭ, посвященных электромагнитным колебаниям, нужно запомнить ряд фактов и формул, касающихся колебательного контура. Во-первых, нужно знать формулу для периода колебаний в контуре. Во-вторых, уметь применять к колебательному контуру закон сохранения энергии. И, наконец (хотя такие задачи встречаются редко), уметь использовать зависимости силы тока через катушку и напряжения на конденсаторе от времени

Период электромагнитных колебаний в колебательном контуре определяется соотношением:

(24.1)

где — емкость конденсатора, — индуктивность катушки.

При электромагнитных колебаниях энергия колебательного контура складывается из энергии конденсатора и энергии тока в катушке:

(24.2)

где и — заряд на конденсаторе и сила тока в катушке в этот момент времени, и — емкость конденсатора и индуктивность катушки. Если электрическое сопротивление элементов контура мало, то электрическая энергия контура (24.2) остается практически неизменной, несмотря на то, что заряд конденсатора и ток в катушке изменяются с течением времени. Из формулы (24.4) следует, что при электрических колебаниях в контуре происходят превращения энергии: в те моменты времени, когда ток в катушке равен нулю, вся энергия контура сводится к энергии конденсатора. В те моменты времени, когда равен нулю заряд конденсатора, энергия контура сводится к энергии магнитного поля в катушке. Очевидно, в эти моменты времени заряд конденсатора или ток в катушке достигают своих максимальных (амплитудных) значений.

При электромагнитных колебаниях в контуре заряд конденсатора изменяется с течением времени по гармоническому закону:

(24.3)

где — амплитуда колебаний заряда на конденсаторе, — циклическая (или круговая) частота колебаний, — начальная фаза. Циклическая частота колебаний связана с периодом по формуле

(24.4)

стандартной для любых гармонических колебаний. Поскольку сила тока в катушке представляет собой производную заряда конденсатора по времени, из формулы (24.4) можно найти зависимость силы тока в катушке от времени

(24.5)

В ЕГЭ по физике часто предлагаются задачи на электромагнитные волны. Необходимый для решения этих задач минимум знаний включает в себя понимание основных свойств электромагнитной волны и знание шкалы электромагнитных волн. Сформулируем кратко эти факты и принципы.

Согласно законам электромагнитного поля переменное магнитное поле порождает поле электрическое, переменное электрическое поле порождает поле магнитное. Поэтому если одно из полей (например, электрическое) начнет меняться, возникнет второе поле (магнитное), которое затем снова порождает первое (электрическое), затем снова второе (магнитное) и т.д. Процесс взаимного превращения друг в друга электрического и магнитного полей, который может распространяться в пространстве, называется электромагнитной волной. Опыт показывает, что направления, в которых колеблются векторы напряженности электрического и индукции магнитного поля в электромагнитной волне перпендикулярны направлению ее распространения. Это означает, что электромагнитные волны являются поперечными. В теории электромагнитного поля Максвелла доказывается, что электромагнитная волна создается (излучается) электрическими зарядами при их движении с ускорением. В частности, источником электромагнитной волны является колебательный контур.

Длина электромагнитной волны , ее частота (или период ) и скорость распространения связаны соотношением, которое справедливо для любой волны (см. также формулу (11.6)):

(24.6)

Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью = 3 • 108 м/с, в среде скорость электромагнитных волн меньше, чем в вакууме, причем эта скорость зависит от частоты волны. Такое явление называется дисперсией волн. Электромагнитной волне присущи все свойства волн, распространяющихся в упругих средах: интерференция, дифракция, для нее справедлив принцип Гюйгенса. Единственное, что отличает электромагнитную волну, это то, что для ее распространения не нужна среда — электромагнитная волна может распространяться и в вакууме.

В природе наблюдаются электромагнитные волны с сильно отличающимися друг от друга частотами, и обладающие благодаря этому существенно различными свойствами (несмотря на одинаковую физическую природу). Классификация свойств электромагнитных волн в зависимости от их частоты (или длины волны) называется шкалой электромагнитных волн. Дадим краткий обзор этой шкалы.

Электромагнитные волны с частотой меньшей 105 Гц (т.е. с длиной волны, большей нескольких километров) называются низкочастотными электромагнитными волнами. Излучают волны такого диапазона большинство бытовых электрических приборов.

Волны с частотой от 105 до 1012 Гц называются радиоволнами. Этим волнам отвечают длины волн в вакууме от нескольких километров до нескольких миллиметров. Эти волны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации, сотовых телефонов. Источниками излучения таких волн являются заряженные частицы, движущиеся в электромагнитных полях. Радиоволны излучаются также свободными электронами металла, которые совершают колебания в колебательном контуре.

Область шкалы электромагнитных волн с частотами, лежащими в интервале 1012 — 4,3 • 1014 Гц (и длинами волн от нескольких миллиметров до 760 нм) называется инфракрасным излучением (или инфракрасными лучами). Источником такого излучения служат молекулы нагретого вещества. Человек излучает инфракрасные волны с длиной волны 5 — 10 мкм.

Электромагнитное излучение в интервале частот 4,3 • 1014 — 7,7 • 1014 Гц (или длин волн 760 — 390 нм) воспринимается человеческим глазом как свет и называется видимым светом. Волны различных частот внутри этого диапазона воспринимаются глазом, как имеющие различный цвет. Волна с самой маленькой частотой из видимого диапазона 4,3 • 1014 воспринимается как красная, с самой большой частотой внутри видимого диапазона 7,7 • 1014 Гц — как фиолетовая. Видимый свет излучается при переходе электронов в атомах, молекулами твердых тел, нагретых до 1000 °С и более.

Волны с частотой 7,7 • 1014 — 1017 Гц (длина волны от 390 до 1 нм) принято называть ультрафиолетовым излучением. Ультрафиолетовое излучение имеет выраженное биологическое действие: оно способно убивать ряд микроорганизмов, способно вызвать усиление пигментации человеческой кожи (загар), при избыточном облучении в отдельных случаях может способствовать развитию онкологических заболеваний (рак кожи). Ультрафиолетовые лучи содержатся в излучении Солнца, в лабораториях создаются специальными газоразрядными (кварцевыми) лампами.

За областью ультрафиолетового излучения лежит область рентгеновских лучей (частота 1017 — 1019 Гц, длина волны от 1 до 0,01 нм). Эти волны излучаются при торможении в веществе заряженных частиц, разогнанных напряжением 1000 В и более. Обладают способностью проходить сквозь толстые слои вещества, непрозрачного для видимого света или ультрафиолетового излучения. Благодаря этому свойству рентгеновские лучи широко используются в медицине для диагностики переломов костей и ряда заболеваний. Рентгеновские лучи оказывают губительное действие на биологические ткани. Благодаря этому свойству их можно использовать для лечения онкологических заболеваний, хотя при избыточном облучении они смертельно опасны для человека, вызывая целый ряд нарушений в организме. Из-за очень малой длины волны волновые свойства рентгеновского излучения (интерференцию и дифракцию) можно обнаружить только на структурах, сравнимых с размерами атомов.

Гамма-излучением (-излучением) называют электромагнитные волны с частотой, большей, чем 1020 Гц (или длиной волны, меньшей 0,01 нм). Возникают такие волны в ядерных процессах. Особенностью -излучения является его ярко выраженные корпускулярные свойства (т.е. это излучение ведет себя как поток частиц). Поэтому о -излучении часто говорят как о потоке -частиц.

В задаче 24.1.1 для установления соответствия между единицами измерений используем формулу (24.1), из которой следует, что период колебаний в контуре с конденсатором емкостью 1 Ф и индуктивностью 1 Гн равен секунд (ответ 1).

Из графика, данного в задаче 24.1.2, заключаем, что период электромагнитных колебаний в контуре составляет 4 мс (ответ 3).

По формуле (24.1) находим период колебаний в контуре, данном в задаче 24.1.3: (ответ 4). Отметим, что согласно шкале электромагнитных волн такой контур излучает волны длинноволнового радиодиапазона.

Периодом колебания называется время одного полного колебания. Это значит, что если в начальный момент времени конденсатор заряжен максимальным зарядом (задача 24.1.4), то через половину периода конденсатор будет также заряжен максимальным зарядом, но с обратной полярностью (та пластина, которая изначально была заряжена положительно, будет заряжена отрицательно). А максимальный в контуре ток будет достигаться между этими двумя моментами, т.е. через четверть периода (ответ 2).

Если увеличить индуктивность катушки в четыре раза (задача 24.1.5), то согласно формуле (24.1) период колебаний в контуре возрастет в два раза, а частота уменьшится в два раза (ответ 2).

Согласно формуле (24.1) при увеличении емкости конденсатора в четыре раза (задача 24.1.6) период колебаний в контуре увеличивается в два раза (ответ 1).

При замыкании ключа (задача 24.1.7) в контуре вместо одного конденсатора будут работать два таких же конденсатора, соединенных параллельно (см. рисунок). А поскольку при параллельном соединении конденсаторов их емкости складываются, то замыкание ключа приводит к двукратному увеличению емкости контура. Поэтому из формулы (24.1) заключаем, что период колебаний увеличивается в раз (ответ 3).

Пусть заряд на конденсаторе совершает колебания с циклической частотой (задача 24.1.8). Тогда согласно формулам (24.3)-(24.5) с той же частотой будет совершать колебаний ток в катушке. Это значит, что зависимость тока от времени может быть представлена в виде . Отсюда находим зависимость энергии магнитного поля катушки от времени

Из этой формулы следует, что энергия магнитного поля в катушке совершает колебания с удвоенной частотой, и, значит, с периодом, вдвое меньшим периода колебания заряда и тока (ответ 1).

В задаче 24.1.9 используем закон сохранения энергии для колебательного контура. Из формулы (24.2) следует, что для амплитудных значений напряжения на конденсаторе и тока в катушке справедливо соотношение

(здесь в отличие от (24.2) использовано другое выражение для энергии конденсатора). Или А (ответ 2).

В задаче 24.1.10 удобно использовать закон сохранения энергии в виде (24.2). Имеем

где и — амплитудные значения заряда конденсатора и тока в катушке. Из этой формулы с использованием соотношения (24.1) для периода колебаний в контуре находим амплитудное значение тока

ответ 3.

Радиоволны — электромагнитные волны с определенными частотами. Поэтому скорость их распространения в вакууме равна скорости распространения любых электромагнитных волн, и в частности, рентгеновских. Эта скорость — скорость света (задача 24.2.1 — ответ 1).

Как указывалось ранее, заряженные частицы излучают электромагнитные волны при движении с ускорением. Поэтому волна не излучается только при равномерном и прямолинейном движении (задача 24.2.2 — ответ 1).

Электромагнитная волна — это особым образом изменяющиеся в пространстве и времени и поддерживающие друг друга электрическое и магнитное поля. Поэтому правильный ответ в задаче 24.2.32.

Из данного в условии задачи 24.2.4 графика следует, что период данной волны — = 4 мкс. Поэтому из формулы (24.6) получаем м (ответ 1).

В задаче 24.2.5 по формуле (24.6) находим

(ответ 4).

С антенной приемника электромагнитных волн связан колебательный контур. Электрическое поле волны действует на свободные электроны в контуре и заставляет их совершать колебания. Если частота волны совпадает с собственной частотой электромагнитных колебаний, амплитуда колебаний в контуре возрастает (резонанс) и может быть зарегистрирована. Поэтому для приема электромагнитной волны частота собственных колебаний в контуре должна быть близка к частоте этой волны (контур должен быть настроен на частоту волны). Поэтому если контур нужно перенастроить с волны длиной 100 м на волну длиной 25 м (задача 24.2.6), собственная частота электромагнитных колебаний в контуре должна быть увеличена в 4 раза. Для этого согласно формулам (24.1), (24.4) емкость конденсатора следует уменьшить в 16 раз (ответ 4).

Согласно шкале электромагнитных волн (см. введение к настоящей главе), максимальной длиной из перечисленных в условии задачи 24.2.7 электромагнитных волн обладает излучение антенны радиопередатчика (ответ 4).

Среди перечисленных в задаче 24.2.8 электромагнитных волн максимальной частотой обладает рентгеновское излучение (ответ 2).

Электромагнитная волна является поперечной. Это значит, что векторы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне в любой момент времени направлены перпендикулярно направлению распространения волны. Поэтому при распространении волны в направлении оси (задача 24.2.9), вектор напряженности электрического поля направлен перпендикулярно этой оси. Следовательно, обязательно равна нулю его проекция на ось = 0 (ответ 3).

Скорость распространения электромагнитной волны — есть индивидуальная характеристика каждой среды. Поэтому при переходе электромагнитной волны из одной среду в другую (или из вакуума в среду) скорость электромагнитной волны изменяется. А что можно сказать о двух других параметрах волны, входящих в формулу (24.6), — длине волны и частоте . Будут ли они изменяться при переходе волны из одной среды в другую (задача 24.2.10)? Очевидно, что частота волны не изменяется при переходе из одной среды в другую. Действительно, волна это колебательный процесс, в котором переменное электромагнитное поле в одной среде создает и поддерживает поле в другой среде благодаря именно этим изменениям. Поэтому периоды этих периодических процессов (а значит и частоты) в одной и другой среде должны совпадать (ответ 3). А поскольку скорость волны в разных средах разная, то из проведенных рассуждений и формулы (24.6) следует, что длина волны при ее переходе из одной среды в другую — изменяется.

радиочастота — это… Что такое радиочастота?

  • радиочастота — радиочастота …   Орфографический словарь-справочник

  • радиочастота — сущ., кол во синонимов: 1 • частота (3) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 …   Словарь синонимов

  • радиочастота — радиочастота/, ы/, мн. радиочасто/ты, часто/т …   Слитно. Раздельно. Через дефис.

  • радиочастота — Любая частота, электромагнитное излучение на которой используется для связи. К радиочастотам относится спектр частот от 9 кГц до 300 ГГц, указанный в Регламенте радиосвязи МСЭ R (МСЭ R F.1499, МСЭ Т K.61). [http://www.iks… …   Справочник технического переводчика

  • РАДИОЧАСТОТА — частота электромагнитных колебаний, на которой можно практически обеспечить целесообразную передачу сигналов по (см.). О диапазоне радиочастот …   Большая политехническая энциклопедия

  • Радиочастота — 19) радиочастота частота электромагнитных колебаний, устанавливаемая для обозначения единичной составляющей радиочастотного спектра;… Источник: Федеральный закон от 07.07.2003 N 126 ФЗ (ред. от 28.07.2012) О связи …Радиочастота любая частота …   Официальная терминология

  • радиочастота — 06.01.01 радиочастота [ radio frequency]: Частота периодической радиоволны или соответствующего периодического электрического колебания. Примечание 1 Данный термин и его сокращение могут являться определениями для обозначения электрического… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • радиочастота — radijo dažnis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. radio frequency vok. Hochfrequenz, f; Radiofrequenz, f rus. радиочастота, f pranc. fréquence radioélectrique, f; radiofréquence, f …   Automatikos terminų žodynas

  • радиочастота — radijo dažnis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Radijo bangos dažnis. atitikmenys: angl. radio frequency vok. Radiofrequenz, f rus. радиочастота, f pranc. fréquence radioélectrique, f; radiofréquence, f …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • радиочастота — radijo dažnis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. radio frequency vok. Funkfrequenz, f; Radiofrequenz, f rus. радиочастота, f pranc. radiofréquence, f …   Fizikos terminų žodynas

  • Электромагнитные колебания и волны — Технарь

    Пример

    Колебательный контур состоит из конденсатора с емкостью 48 мкФ и катушки с индуктивностью 24 МГн и активным со­противлением 20 Ом. Определить частоту свободных электромагнит­ных колебаний в этом контуре. Насколько изменится частота элек­тромагнитных колебаний в контуре, если пренебречь активным со­противлением катушки?

    Дано: С=4,8*10-5 Ф — электроемкость конденсатора, L=2,4*10-2 Гн — индуктивность катушки, R=20 Ом — активное сопротивление катушки.

    Найти: v1— частоту свободных электромагнитных колебаний в контуре; ∆v=(v1v2) — насколько изменится частота колебаний в контуре, если его активное сопротивление будет равно нулю.

    Решение. Частоту колебаний можно найти из соотношения:

    Находим частоту v1:

    Если сопротивление R равно нулю, то формула для периода колебаний примет вид:

    Отсюда найдем период колебаний при R=0 и частоту колебаний v2, а затем ∆v.

    Определяем частоту v2:

    Вычисляем изменение частоты:

    Ответ. Частота свободных колебаний в контуре 132 Гц; в идеальном случае, когда R=0, частота собственных колебаний в кон­туре на 16 Гц больше.

    Пример

    Определить длину электромагнитной волны в ваку­уме, на которую настроен колебательный контур, если максималь­ный заряд конденсатора 2,0*10-8 Кл, а максимальный ток в контуре 1,0 А. Какова емкость конденсатора, если индуктивность контура 2,0*10-7 Гн? Какова энергия электрического поля конденсатора в тот момент, когда энергия магнитного поля составляет 3/4 от ее максимального значения? Определить напряжение на конденсаторе в этот момент. Активным сопротивлением контура пренебречь.

    Дано: qм=2,0*10-8 Кл — максимальный заряд конденсатора, Iм=1,0 А — максимальный ток в контуре, L=2,0*10-7 Гн — индуктивность контура, R=0 — активное сопротивление контура, с =3*108 м/с — скорость распространения электромагнитных волн и вакууме.

    Найти: λ — длину электромагнитной волны, на которую настроен колебательный контур; С — емкость конденсатора; Wэл — энергию электрического поля в тот момент, когда энергия магнит­ного поля составляет 3/4 от ее максимального значения; U— на­пряжение на конденсаторе в тот же момент времени.

    Решение. Длина волны определяется по формуле:

    λ=cT

    где T = 2π√(LС). Для нахождения периода колебаний используем закон сохранения и превращения энергии. При незатухающих ко­лебаниях максимальная энергия магнитного поля равна максималь­ной энергии электрического поля и равна полной энергии электро­магнитных колебаний в контуре, т. е.

    Wэл.м=Wмаг.м=W;

    отсюда

    qм2/2С=LIм2/2 и LC=q м2/ Iм2  

    Тогда Т =2π(q м/ Iм)

    Находим длину электромагнитной волны:

    Зная индуктивность контура, находим емкость конденсатора:

    Полная энергия электромагнитных колебаний в контуре равна сумме мгновенных значений энергии электрического и магнитного полей и, при отсутствии затухания колебаний, есть величина постоянная:

    где

    Следовательно,

    Подставляя числовые значения, находим энергию электрического поля для данного момента времени:

    Энергия электрического поля определяется по формуле Wэл=CU2/2. Получаем

    откуда находим мгновенное зна­чение напряжения U на конденсаторе:

    Ответ. Длина электромагнитной волны 38 м; емкость конденса­тора 2,0*10-9 Ф; мгновенное значение энергии электрического поля 2,5*10-7 Дж; мгновенное напряжение 5,0 В.

    Пример

    Определить длину электромагнитной волны в ваку­уме, если частота колебаний в ней 4,5*1011 Гц. Чему равна скорость распространения и длина этой же волны в бензоле, если его отно­сительная диэлектрическая проницаемость 2,28? При решении ис­пользовать теорию Максвелла.

    Дано: v=4,5*1011 Гц — частота колебаний в волне, ε=2,28 — диэлектрическая проницаемость бензола, ε0=8,85*10-12 Ф/м — элек­трическая постоянная, μ0=4π*10-7 Гн/м — магнитная постоянная.

    Найти: λ0— длину электромагнитной волны в вакууме; υ — скорость распространения волны в бензоле; λ— длину этой же волны в бензоле.

    Решение. Вычисляем скорость распространения электро­магнитных волн в вакууме:

    Определяем длину волны в вакууме:

    Находим скорость распространения электромагнитной волны в бензоле *) и вычисляем ее длину:

    *) Прозрачными веществами для электромагнитных волн являются диэлект­рики, у которых магнитные свойства очень слабо зависят от их рода, поэтому их относительную магнитную проницаемость можно принять равной единице. По-скольку

    Ответ. Длина волны электромагнитных волн в вакууме 0,67 мм; скорость распространения волны в бензоле 2*108 м/с; длина этой же волны в бензоле 0,44 мм.

    Электромагнитные колебания и волны (страница 1)

    11 Какой интервал частот и длин волн может перекрыть один из диапазонов радиоприемника, если индуктивность колебательного контура радиоприемника этого диапазона L = 1 мкГн, а его емкость изменяется от С1=50пФ до С2=100пФ?

    Решение:
    Частота электромагнитных колебаний

    длина волны

    Подставляя числовые данные, имеем

    Таким образом, диапазон радиоприемника перекрывает интервал частот

    и интервал длин волн


    12 Какую длину волны электромагнитных колебаний будет принимать радиоприемник, колебательный контур которого имеет конденсатор с емкостью С=750 пФ и катушку с индуктивностью L=1,34мГн? Найти частоту колебаний контура радиоприемника.

    Решение:


    13 Частота колебаний электромагнитного контура f0 = 30 кГц. Какой будет его частота f, если расстояние между пластинами плоского конденсатора контура увеличить в n=1,44 раза?

    Решение:


    14 При изменении тока в катушке индуктивности на величину ΔI= 1 А за время Δt= 0,6 с в ней индуцируется э.д.с. ε =0,2 мВ. Какую длину λ будет иметь радиоволна, излучаемая генератором, колебательный контур которого состоит из этой катушки и конденсатора емкости С=14,1нФ?

    Решение:


    15 Найти частоту f электромагнитных колебаний контура, изображенного на рис. 148, а также круговую частоту ω, период Т и длину волны λ, излучаемой контуром. Индуктивность катушки контура L=10мГн, емкость конденсатора С1=880 пФ, емкость подстроечного конденсатора С2 = 20 пФ.

    Решение:

    длина волны


    16 Колебательный контур, содержащий конденсатор емкости С=20 пФ, настроен на длину волны λ = 5 м. Найти индуктивность катушки L контура и частоту его колебаний f.

    Решение:


    17 На какую длину волны настроен колебательный контур, состоящий из катушки с индуктивностью L = 2 мГн и плоского конденсатора? Пространство между пластинами конденсатора заполнено веществом с диэлектрической проницаемостью ε = 11. Площадь пластин конденсатора S=800 см2, расстояние между ними d= 1 см.

    Решение:


    18 Найти емкость конденсатора колебательного контура, если при индуктивности L= 50мкГн контур настроен на длину волны электромагнитных колебаний λ = 300 м.

    Решение:
    Период колебаний контура

    где С-емкость конденсатора. Длина волны λ=сТ; отсюда


    19 Емкость переменного конденсатора колебательного контура изменяется в пределах от C1 до С2= 9С1. Найти диапазон длин волн, принимаемых контуром, если емкости конденсатора С1 соответствует длина волны λ1=3м.

    Решение:
    Диапазон длин волн ограничен

    где
    -скорость распространения электромагнитных волн, T1 и T2 — наименьший и наибольший периоды колебаний контура, L-индуктивность катушки контура; отсюда

    Таким образом, диапазон длин волн контура ограничен


    20 Колебательный контур радиоприемника настроен на радиостанцию, частота которой f0 = 9 М Гц. Во сколько раз нужно изменить емкость переменного конденсатора контура, чтобы он был настроен на длину волны λ=50 м?

    Решение:


    21 Электромагнитные волны распространяются в некоторой однородной среде со скоростью . Какую длину волны λ имеют электромагнитные волны в этой среде, если их частота в вакууме f0=1 МГц?
    Решение:
    Частота колебаний электромагнитной волны при переходе из одной среды в другую не изменяется, поэтому при скорости распространения сср длина волны

    Радио | Объединение учителей Санкт-Петербурга

    Радио.

    Радиосвязь – передача информации с помощью электромагнитных волн радиодиапазона.

    Радиовещание – передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн радиодиапазона.

    Телевидение – передача изображения, речи и музыки с помощью электромагнитных волн радиодиапазона.

     

    А. С. Попов повторил опыты Герца и в апреле 1895 г. создал первый приемник (грозоотметчик). «Генрих Герц» — первая в мире радиограмма. (Передавалась азбукой Морзе).

    7 мая 1895 г. демонстрация прибора на заседании Русского физико-химического общества. Дальность — 250м; 1899 г. -— 20 км; 1901 г.—150 км. Попов впервые использовал когерер и приемную антенну.

    Одновременно с Поповым над той же проблемой работал итальянский изобретатель Гульермо Маркони. Он усовершенствовал приемник, создал первую фирму, занявшуюся производством и продажей радиооборудования (Нобелевская премия по физике).

     

    1 — антенна, 2 — когерер, 3 — электромагнитное реле, 4 — электрический звонок, 5 — источник тока.

    Когерер — трубка с металлическими опилками (R очень большое). Когда волна улавливается антенной, напряжение увеличивается, между опилками проскакивают искорки, и они спаиваются. Сопротивление уменьшается, сила тока увеличивается. Включается реле, срабатывает звонок, молоточек звонка ударяет по когереру и происходит встряхивание опилок. Сопротивление когерера увеличивается, цепь звонка размыкается. Приемник вновь готов к работе.

    Роль антенны и заземления:

    увеличение чувствительности и дальности приема.

     

    Диапазоны радиоволн

     

    Наименование радиоволн

    Диапазон частот, Гц

    Диапазон длин волн

    (в вакууме), м

    Распространение

    Сверхдлинные

    Длинные

    Средние

    <3.104

    3.104-3.105

    3.105 — 3.106

    >1000

    10000 –1000

    1000 – 100

    Огибают земную поверхность.

    Короткие

    3.106 — 3.107

    100 – 10

    Отражаются от ионосферы и поверхности

    Ультракороткие

    Метровые

    Дециметровые

    Сантиметровые

    Миллиметровые

    3.107 — 3.108

    3.108 — 3.109

    3.109 — 3.1010

    3.1010 — 3.1011

    10 –1

    1- 0,1

    0,1 – 0,01

    0,01 – 0,001

    Проникают сквозь ионосферу

    Принцип радиотелефонной связи

     

    Структурная схема радиопередатчика и радиоприемника.

    1. Задающий генератор (генератор высокой частоты) выра­батывает гармонические колебания высокой частоты ВЧ (несу­щая частота более 100 тыс. Гц).
    2. Микрофон преобразует механические звуковые колебания в электрические той же частоты.
    3. Модулятор изменяет (модулирует) по частоте или ампли­туде высокочастотные колебания с помощью электрических ко­лебаний низкой частоты НЧ.
    4. Усилители высокой и низкой частоты УВЧ и УНЧ усилива­ют по мощности высокочастотные и звуковые (низкочастотные) электрические колебания.

    1. Передающая антенна излучает модулированные электро­магнитные волны.
    2. Приемная антенна принимает электромагнитные волны. Электромагнитная волна, достигшая приемной антенны, индуци­рует в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
    3. УВЧ.
    4. Детектор выделяет из модулированных высокочастотных колебаний низкочастотные колебания.
    5. УНЧ.
    6. Динамик преобразует электромагнитные колебания в ме­ханические звуковые колебания.

    Амплитудная модуляция

    Изменение амплитуды колебаний высокой (несущей) частоты колебаниями низкой (звуковой) частоты называется амплитуд­ной модуляцией. Для получения амплитудно-модулированных электромагнит­ных колебаний в цепь транзисторного генератора последователь­но с колебательным контуром включают катушку трансформато­ра.

    На первичную обмотку трансформатора подается напряжение звуковой частоты. На вторич­ной обмотке трансформатора ин­дуцируется ЭДС той же частоты и складывается с постоянным на­пряжением источника тока. Из­менение  напряжения между эмиттером и коллектором транзи­стора приводит к изменению звуковой частотой, амплитуды ко­лебаний тока высокой частоты в колебательном контуре генера­тора. В результате амплитуда колебаний в контуре генератора будет изменяться в такт с изме­нением напряжения низкочастот­ного сигнала на транзисторе. При изменении амплитуды сигна­ла НЧ меняется глубина моду­ляций. Основной недостаток амплитудной модуляции в том, что амплитуда на разных участках волны разная, следовательно, разная энергия. Значит и качество воспроизведения в приемнике будет не очень высоким. Существуют другие виды модуляции (частотная, фазовая), в которой эти недостатки меньше. Частотная модуляция применяется на УКВ (FM).

    Детектирование (демодуляция)

    Детектирование осуществляется устройст­вом, содержащим элемент с односторонней проводимостью: вакуумный или полупроводни­ковый диод — детектор.

    Вольтамперная характери­стика диода показывает, что ток в цепи течет преимущест­венно в одном направлении, являясь пульсирующим током. Этот ток сглаживается с по­мощью фильтра. Когда диод пропускает ток, то часть его проходит через на­грузку, а другая часть ответв­ляется на конденсатор. Если диод заперт, то кон­денсатор частично разряжает­ся через нагрузку. Уменьшает­ся пульсация тока. Через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма коле­баний воспроизводит форму низкочастотного сигнала.

    Радиоприемник

     Детекторный радиоприемник состоит из колебательного кон­тура, антенны, детектора (диода), конденсатора постоянной ем­кости, телефона. В контуре принятая радиоволна возбуждает модулирован­ные колебания. Конденсатор переменной емкости настраивает контур в резонанс с принятой радиоволной. Модулированные колебания ВЧ поступают на детекторный каскад. После про­хождения детектора составляющая тока ВЧ идет через конден­сатор постоянной емкости, а составляющая тока НЧ идет на об­мотки катушек телефона. Так как ,то для тока высокой частоты , а для тока низкой частоты . Таким образом, по катушкам телефона идет ток низкой час­тоты, вызывающий колебания мембраны с той же звуковой ча­стотой.

    Анализ вибрации электрических асинхронных двигателей

    Электродвигатель — это электромеханическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Электродвигатели делятся на две большие группы: двигатели постоянного тока (DC) и двигатели переменного тока (AC); Двигатели переменного тока делятся на однофазные и многофазные. Многофазные двигатели могут быть асинхронными или синхронными. Тогда асинхронные двигатели могут быть с фазным ротором или короткозамкнутым ротором. Двигатели с короткозамкнутым ротором являются наиболее широко используемыми двигателями в современной промышленности.Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором — это относительно простые, очень надежные и неприхотливые в обслуживании машины.

    Асинхронные двигатели

    работают по принципу электромагнитной индукции и также известны как асинхронные двигатели, поскольку их скорость вращения (об / мин) не достигает синхронной частоты электродвижущего поля. Асинхронные двигатели производятся для различных применений и требований, рабочая скорость, мощность и КПД, среди прочих параметров, рассматриваются при проектировании, существуют двигатели малой, средней и большой мощности, они также изготавливаются для работы на различных скоростях; количество полюсов двигателя определяет его рабочую скорость.

    Количество полюсов Синхронная скорость (об / мин) в зависимости от частоты входной мощности
    50 Гц 60 Гц
    2 3000 3600
    4 1500 1800
    6 1000 1200
    8 750 900
    10 600 720
    12 500 600
    16 375 450

    Основные компоненты электродвигателя

    Основными компонентами асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором являются:

    1. Статор
    2. Ротор
    3. Рама двигателя
    4. Торцевой щиток
    5. Подшипники
    6. Клеммная коробка
    7. Опорная база
    8. Вентилятор охлаждения

    Точки измерения вибрации

    Как мы уже обсуждали в общих чертах в нашей статье «Где разместить датчик вибрации», в электродвигателе точки измерения вибрации должны соответствовать средней линии вала на корпусе подшипника.Обеспечьте стабильную установку на твердую деталь. По возможности производите измерения в горизонтальном (H), вертикальном (V) и осевом (A) направлениях каждого подшипника.

    В крайнем неприводном положении датчик не всегда удастся разместить на средней линии, так как его закрывает защитная крышка вентилятора, однако рекомендуется подойти как можно ближе к подшипнику. Точки мониторинга должны быть отмечены, и данные всегда берутся с одних и тех же мест. Некоторые кожухи двигателя изготовлены из алюминия; следовательно, магнит не прилипает; в этих случаях его можно удерживать рукой, сильно надавив на него.Избегайте использования удлинителей, поскольку они подавляют высокочастотные колебания. В некоторых приложениях устанавливаются аксессуары для измерения вибрации; это устройства, которые крепятся с помощью клея или болтов, создавая фиксированный и прочный акселерометр.

    Безопасность является приоритетом при выборе точек мониторинга вибрации; мы должны гарантировать, что мы не соприкасаемся с вращающимися или горячими частями, безопасность при сборе данных заботится об инструментах и ​​нашем здоровье.

    Типичные отказы электродвигателей, обнаруживаемые с помощью анализа вибрации

    Дисбаланс

    В электродвигателях дисбаланс обычно вызывается одной из следующих причин:

    • Неправильная процедура балансировки в мастерской.
    • Неправильный выбор класса качества балансировки.
    • Использование шпоночной канавки вне спецификации.
    • Не учитывать шпоночный паз при балансировке в мастерской.
    • Деформация ротора из-за перегрева.
    • Износ или поломка охлаждающего вентилятора.
    • Износ или поломка муфты.
    • Поломка или неправильная установка охлаждающего вентилятора.

    При обнаружении дисбаланса в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

    • Просмотрите историю эксплуатации и технического обслуживания, чтобы проверить, когда возникла проблема: во время эксплуатации, после технического обслуживания, нового двигателя и т. Д.Это поможет в анализе первопричин.
    • Проверьте процедуры и уровень качества балансировки для приложения.
    • Осмотрите муфту и вентилятор охлаждения, проверьте ее целостность и состояние.
    • Выполните проверку биения , чтобы обнаружить деформации в роторе.
    • Проверить калибровку балансировочного станка.
    • Выполните точную балансировку в соответствии с применением, критичностью и характеристиками двигателя.
    • Проверить вентилятор охлаждения.

    Несоосность

    В электродвигателях несоосность обычно вызывается одной из следующих причин:

    • Несоответствующая процедура центровки.
    • Неправильный расчет стандартов или допусков центровки.
    • Тепловое расширение.
    • Слабость или несоответствующая опорная база.
    • Мягкая опора или обернутая моторная база.
    • Поломки в муфте, чрезмерное биение или износ.

    При обнаружении несоосности в электродвигателе можно порекомендовать следующее:

    • Оценить процедуры и обучение персонала.
    • Выполните точную центровку, применяя соответствующие стандарты.
    • Измерьте и исправьте мягкую стопу.
    • Оцените состояние основания и муфты.
    • Оцените влияние теплового расширения и учтите это при процедуре центровки.

    Проблемы с подшипником

    В электродвигателях проблемы с подшипниками обычно возникают по одной из следующих причин:

    • Плохая сборка, чрезмерный предварительный натяг или износ корпуса подшипника.
    • Сбои в процедуре смазки, избыток или недостаток смазочного материала.
    • Смазка некачественная или несовместимая с областью применения.
    • Загрязненная смазка.
    • Чрезмерная вибрация во время работы.
    • Неисправности заземляющей проводки.

    При обнаружении проблем с подшипником в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

    • Проанализировать характеристики повреждений: коррозия, эрозия, износ…
    • Оцените процедуру сборки подшипника.
    • Проверить балансировку и центровку.
    • Убедитесь, что подшипник выбран правильно.
    • Проверить размеры и допуски при установке в корпус и ротор.
    • Оптимизируйте процесс смазки.
    • Проверить заземляющий провод.

    Эксцентриситет

    В электродвигателях эксцентриситет обычно вызывается одной из следующих причин:

    • Чрезмерный износ подшипника или корпуса подшипника.
    • Износ ротора или подшипника.
    • Несоосность корпусов.
    • Деформация ротора.
    • Эксцентриситет отверстий муфты или шкивов.

    При обнаружении эксцентриситета в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

    • Проверьте соосность между корпусом подшипника или торцевыми щитками двигателя.
    • Проверить износ корпусов подшипников.
    • Измерьте биение в муфте, шкивах и роторе.

    Ослабление вращения

    В электродвигателях люфт или люфты при вращении обычно возникают по одной из следующих причин:

    • Износ подшипников или корпуса.
    • Износ подшипников баббита .
    • Неправильная регулировка деталей.

    При обнаружении зазоров в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

    • Проверка размеров корпуса подшипника, подшипников и ротора.

    Структурные вопросы

    В электродвигателях структурные проблемы обычно возникают по одной из следующих причин:

    • Слабые или поврежденные основания из-за коррозии.
    • Неисправные анкерные болты или болты.
    • Ослабленные винты или анкерные болты.

    При обнаружении структурных проблем в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

    • Оцените состояние оснований как станка, так и фундамента.
    • Оцените состояние анкерных болтов.
    • Отрегулируйте болты до правильного момента затяжки.

    Проблемы с электрикой

    В электродвигателе проблемы с электричеством обычно возникают по любой из следующих причин:

    • Неравномерный воздушный зазор между ротором и статором.
    • Ослабленная или сломанная штанга ротора.
    • Низкое качество электроэнергии: несимметрия напряжений, гармоники …
    • Отказы от преобразователей частоты.
    • Избыточная нагрузка.
    • Превышение числа пусков и остановов двигателя.
    • Проблемы с изоляцией.

    При обнаружении электрических проблем в электродвигателе в зависимости от симптомов могут быть рекомендованы следующие действия:

    • Выполните анализ качества электроэнергии.
    • Изучите воздушный зазор и оцените его происхождение (ротор / статор).
    • Провести электрические испытания двигателя (качество изоляции).
    • Оцените целостность соединений в стержнях ротора.
    • Проанализируйте количество последовательных стартапов.

    Резонанс

    В электродвигателях резонанс обычно вызывается одной из следующих причин:

    • Работайте со скоростью, близкой к критической или собственной частоте системы.
    • Изменения жесткости конструкции.
    • Изменения скорости, которые приближают двигатель к критической скорости (двигатели с регулируемой скоростью).

    При обнаружении резонанса в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

    • Выполните тест для расчета критических скоростей.
    • Проведите испытание на удар, чтобы проверить, не возбуждается ли какая-либо собственная частота.
    • Оцените, изменилась ли жесткость системы.

    Прочие технологии прогнозирования

    Осмотр электродвигателей должен быть комплексным, включая динамические, термические и эксплуатационные испытания.Следующие технологии также применимы к электродвигателям:

    Прогностическая техника Обнаруживаемые отказы
    Термография в двигателе и в силовой цепи Отсутствие теплоотвода (охлаждения), перегрузка, неисправное соединение, трение, дисбаланс нагрузки или напряжения.
    Визуальный осмотр Грязь, необычный шум, недостатки безопасности, структурные проблемы, целостность заземления, плохое охлаждение, влажность, утечки, ослабленные болты, неплотное соединение, недостающие детали, износ.
    УЗИ Проблемы с подшипниками, проблемы с электрикой, проблемы со смазкой.
    Анализ масла или трибология Плохое состояние смазочного материала, загрязненный смазочный материал: вода, гликоль, топливо, твердые частицы; Недостаточное количество смазки, качество и применимость смазки, плохая процедура смазки.
    Анализ качества электроэнергии Неуравновешенность нагрузки, напряжение, частота, сила тока, состояние изоляции, состояние стержней ротора, электрические гармоники, КПД.

    Нормы и стандарты

    Допустимые пределы вибрации для электродвигателей можно найти в стандарте ISO 10816-3. Стандарты NEMA и IEC также устанавливают некоторые критерии приемлемости.

    Паспортная табличка двигателя

    Идентификационная табличка является важным источником полезной информации, и ее понимание является решающим фактором; Данные на табличке — это параметры, которые всегда следует учитывать для обеспечения надежной и эффективной работы, эффективного осмотра и надлежащего обслуживания.Эксплуатация двигателя за пределами его проектных ограничений резко сокращает его срок службы и эффективность. Операторы, инспекторы и специалисты по техническому обслуживанию должны понимать все эти параметры и соотносить их с рабочим и функциональным состоянием машины.

    Найдите паспортную табличку двигателей, защитите ее и поддерживайте в хорошем состоянии. Солнечное излучение, загрязнение окружающей среды и влажность влияют на состояние и читаемость таблички.

    Собственная частота, коэффициент демпфирования и анализ вибрации корпуса двигателя из углепластика

    Существующий корпус двигателя изготовлен из металлических материалов.В этой статье рама двигателя из армированного углеродным волокном пластика (CFRP), в котором используется демпфирующий материал для уменьшения амплитуды вибрации, предлагается для разработки и производства двигателей с низким уровнем вибрации. Коэффициент увлажнения рамы двигателя из углепластика рассчитывается с помощью модели прогнозирования влажности на основе энергии деформации, что подтверждается комбинацией метода конечных элементов и эксперимента. Вибрационные характеристики двигателя с рамой из углепластика исследованы экспериментально и сравниваются с характеристиками двигателя с металлической рамой.Результаты показывают, что двигатель с рамой из углепластика имеет хорошее снижение вибрации. Снижение амплитуды до 5 раз выше, чем у металлической рамы двигателя, что доказывает, что гашение вибрации рамы мотора из углепластика имеет хорошее прикладное значение.

    1. Введение

    Двигатель широко используется в качестве источника питания. Электродвигатель для снижения вибрации имеет важное прикладное значение для снижения вибрации системы оборудования. Вибрация двигателя связана со многими дисциплинами и областями.Некоторые ученые изучали вибрационные характеристики моторной конструкции. Mendon et al. [1] исследовали динамические характеристики составного ротора. Установлено, что из различных слоистых композитов можно получить ротор с различной критической скоростью вращения, порогом нестабильности и частотными характеристиками. Druesne et al. [2] использовали структурную динамическую модель конечно-элементной связи для анализа динамических характеристик статора двигателя при электромагнитной и механической вибрации.Установлено, что модуль Юнга и плотность материала статора имеют большое влияние на собственную частоту и сигнал вибрации.

    В настоящее время большинство корпусов двигателей изготовлено из чугуна, алюминиевого сплава и других металлических материалов, но демпфирование металлических материалов ограничено, что не может воспроизводить очень хорошую вибрацию. Композиты, армированные углеродным волокном (CFRP), представляют собой новый тип конструкционного и функционального композитного материала с высоким удельным модулем, высокой удельной прочностью, легким весом и высокой прочностью.Он также обладает отличными демпфирующими характеристиками и может напрямую использоваться в конструкции с уменьшением амплитуды вибрации [3–5]. Адамс и Бэкон [6], а также Ни и Адамс [7] считают, что демпфирующий вклад композитного материала происходит от компонентов напряжения внутри материала, и каждое направление имеет разные коэффициенты потерь. Демпфирование композитного материала можно определить как отношение суммы энергии рассеяния деформации во всех направлениях к общей энергии деформации за один цикл колебаний.Биллапс и Кавалли [8] использовали модальную модель энергии деформации для изучения демпфирующих характеристик композитной тонкой пластинчатой ​​структуры с чередованием последовательной укладки. С увеличением угла укладки удельная демпфирующая способность конструкции увеличивается, достигая максимума 10% при 35 °. Martone et al. [9] и Assarar et al. [10] исследовали демпфирующие свойства композитных пластинчатых и консольно-балочных конструкций; Абрамович и др. [11] глубоко исследовали демпфирующие характеристики композитных слоистых материалов для конструктивных элементов самолетов.Композитные ламинаты имеют более высокие коэффициенты потерь на демпфирование. Махери [12] обобщил факторы, влияющие на демпфирующие свойства композитов, армированных волокном, и обнаружил, что коэффициент демпфирования слоя тканого материала примерно в 4 раза выше, чем у слоя однонаправленного материала; Rueppel et al. [13] использовали метод логарифмического затухания, анализ прямого доступа к памяти и метод вибрационной балки для изучения демпфирующих характеристик слоистой структуры из углепластика. Результаты показывают, что демпфирование композитной структуры увеличивается с углом наклона ламината, когда частота ниже 300 Гц.Hong et al. [14] предложили гибридный метод для прогнозирования структурного демпфирования композитной лопатки. Zhang et al. [15] изучали углепластик и металлическую раму плота, и результаты показывают, что рама плота из углепластика имеет хорошие характеристики виброизоляции. Wen et al. [16] исследовали вибрационные характеристики плота фермы из углепластика. Таким образом, изучение свойств гашения вибрации композитных материалов является передовым рубежем в области композитного материаловедения.

    В статье, начиная с улучшения демпфирования материала корпуса двигателя, трехфазного асинхронного двигателя определенного типа, конструкция корпуса двигателя из углепластика выполняется на основе отличных характеристик демпфирования и устанавливает модель прогнозирования демпфирования на основе потерь энергии деформации.Наконец, модальный эксперимент и испытание на вибрацию двигателя рамы из углепластика проводятся и сравниваются с вибрацией двигателя с металлической рамой, и доказывается эффект вибрации демпфирования рамы, который имеет важное прикладное значение для уменьшения амплитуды вибрации система оборудования.

    2. Конструкция рамы двигателя из углепластика

    В этой статье трехфазный асинхронный двигатель JW6314 выбран в качестве эталона. В соответствии с рамой из алюминиевого сплава (немагнитной рамой машины) этого типа двигателя разработана конструкция рамы двигателя из углепластика.В таблице 1 приведены рабочие параметры трехфазного двигателя JW6314. На рис. 1 представлена ​​конструкция рамы двигателя JW6314, отлитой из алюминиевого сплава. Двигатель приводится в движение с постоянным намагничиванием на каждой скорости. Сердечник статора, обмотка, ротор, вращающийся вал, торцевая крышка и другие компоненты, используемые при сборке двигателей из углепластика, являются оригинальными частями JW6314. Учитывая сложность и экономичность формования, была изменена конструкция моторной рамы из углепластика. Чтобы упростить производство, рама двигателя из углепластика разделена на три части: цилиндр, основание и металлическое соединительное кольцо, как показано на Рисунке 2, где цилиндр и основание отформованы композитным препрегом из углеродного волокна и скреплены вместе. приклеиванием.Материал, из которого изготовлено металлическое соединительное кольцо, — сталь 45, которое скреплено с цилиндрическим при помощи склеивания и короткого штифта.

    IP44 Мощность

    Напряжение 380 В Класс изоляции B

    Ток 0,65 A Степень защиты
    0,18 кВт Режим охлаждения IC411
    Частота вращения 1440 об / мин Рабочие дни S1
    Количество полюсов 4 Номинальная частота 50 Гц



    3.Численный анализ собственной частоты и коэффициента демпфирования корпуса двигателя из углепластика

    Собственная частота и демпфирование являются основными параметрами, которые влияют на вибрацию оборудования. Модель конечных элементов корпуса двигателя из углепластика, показанная на рисунке 3, построена в программе моделирования конечных элементов Abaqus, которая измеряется в свободном состоянии. Рама двигателя из углепластика изготовлена ​​из пре-прега типа T700 / YPH-42T. Ламинирование цилиндра есть, ламинация моторной базы есть.Метод прогонки используется для разделения гексаэдральных сеток конечных элементов. Выбран линейный приведенный интегральный элемент C3D8R. Количество элементов в цилиндрической части составляет 5808, в базовой части — 4142, а в металлическом соединительном кольце — 1456. Проведен модальный анализ двигателя из углепластика и рамы из алюминиевого сплава соответственно. Устанавливается линейное возмущение шага частотного анализа. Анализируются первые 3 режима.


    3.1. Исследование собственной частоты и формы мод рамы двигателя

    Выполнен модальный анализ углепластика и рамы мотора из алюминиевого сплава, соответственно, и получены первые 3 модальных частоты рамы мотора, как показано в таблице 2.Собственная частота каждого режима корпуса двигателя из углепластика выше, чем у металлического корпуса, а частота в первом режиме примерно в 9 раз выше, чем у металлического корпуса. Поскольку удельная прочность и удельная жесткость углепластика выше, чем у алюминиевого сплава, а плотность углепластика ниже, чем у алюминиевого сплава, характеристики собственной частоты корпуса двигателя из углепластика, очевидно, лучше, чем у металлического каркаса, когда размер та же. Номинальная скорость JW6314 составляет 1440 об / мин, преобразованная в частоту — 24 Гц, что намного меньше, чем частота первого режима корпуса двигателя из углепластика.Следовательно, если рассматривать только вращательную вибрацию двигателя, рама двигателя из углепластика может эффективно избежать резонанса.


    Первый режим Второй режим Третий режим

    Каркас двигателя CFRP 535 23 710 943 943 металлический корпус двигателя 60 143 163

    Первые трехрежимные формы корпуса двигателя показаны на рисунке 4.3 формы режима двух типов корпусов двигателя согласованы. Деформация цилиндра больше, а базовая часть меньше. В основном это связано с тем, что цилиндрическая часть тонкостенная, а жесткость меньше, чем у основания. Если вы хотите повысить жесткость корпуса двигателя, можно повысить жесткость цилиндра.


    3.2. Демпфирование рамы двигателя из углепластика

    Чтобы определить коэффициенты демпфирования рамы двигателя из углепластика, во-первых, необходимо получить напряжение-деформацию каждого режима.С помощью программного обеспечения для моделирования методом конечных элементов Abaqus частота и формы колебаний корпуса двигателя из углепластика в свободном режиме извлекаются методом Ланцоша, а информация о деформации каждого элемента получается в процессе постобработки. На рис. 5 показаны компоненты деформации в шести направлениях в первом режиме рамы двигателя из углепластика. Затем в MATLAB пишется программа для расчета коэффициента потерь конструкции. Блок-схема расчета показана на рисунке 6.


    Введите количество элементов цилиндрической части N 1 = 5808, базовая часть — N 2 = 4142, а слои — n = 30.Информация о напряжениях и деформациях каждого элемента слоя может быть получена при постобработке. Диссипация энергии деформации и энергия деформации рассчитываются по формулам (2) и (3). Коэффициент демпфирования конструкции получается согласно формулам (1) и (5).

    Поскольку рама двигателя из углепластика состоит из композитного углеродного волокна и металлического соединительного кольца, существует две части рассеивания энергии деформации. Согласно модели Адамса и Бэкона [17], коэффициент потерь рамы двигателя из углепластика равен:

    В приведенной выше формуле — коэффициент демпфирующих потерь металлического материала, — максимальная энергия деформации детали из металлического материала, — максимальная энергия деформации детали из углеродного волокна и — потеря энергии деформации.

    Согласно модели демпфирующей энергии деформации Адамса-Бэкона, потери энергии деформации и полная энергия деформации конструкции могут быть выражены следующим образом:

    В приведенной выше формуле показан единичный интегральный объем в слое k слоистой структуры и, () представляет компоненты напряжения и деформации в шести направлениях слоя k -го слоистой структуры, среди которых направление 1 показывает направление волокон, направления 2 и 3 указывают поперечное направление.() показывает коэффициенты потерь на демпфирование анизотропных материалов в шести направлениях углепластика. Коэффициент демпфирующих потерь материала T700 / YPH-42T, используемого в корпусе двигателя из углепластика, составляет, и [18]. Поскольку 2–3 плоскость углепластика изотропна, коэффициент демпфирующих потерь в направлении сдвига материала считается равным; следовательно, есть и.

    После получения коэффициента потерь первой моды ( η ) рамы двигателя из углепластика, коэффициенты демпфирования ( ξ ) других режимов могут быть захвачены в соответствии с формулами (4) и (5).Аналогичным образом, другие компоненты деформации второго режима могут быть получены из Abaqus, и результаты коэффициента демпфирования рамы двигателя из углепластика показаны в таблице 3.


    Первый режим Второй режим Третий режим

    Коэффициент демпфирования ξ (%) 1,00 0,97 0,80

    В этой статье материал, используемый для Металлическое соединительное кольцо корпуса двигателя из углепластика изготовлено из стали 45, а коэффициент демпфирующих потерь равен 0.03%, где Ψ — коэффициент демпфирования.

    4. Экспериментальное исследование вибрации рамы двигателя из углепластика
    4.1. Модальный эксперимент с рамой двигателя из углепластика

    Модальный эксперимент с рамой двигателя из углепластика с использованием оборудования для испытаний на вибрацию BK, подвешивания рамы на эластичном шнурке и присоединения двух датчиков акселерометра напряжения с чувствительностью 102,98 мВ / г и 105,60 мв / г к датчику поверхность кадра, как показано на рисунке 7. Данные частотной характеристики, полученные в модальных экспериментах, импортируются в Modal Genius (как показано на рисунке 8).Функция частотной характеристики тестовой системы решается с использованием метода анализа единого эталонного рабочего режима. Красные линии представляют собой аппроксимирующую кривую, а самая высокая точка представляет пик резонанса. Модальная частота второй и третьей мод и коэффициент демпфирования образцов показаны на рисунке 8.


    Из рисунка 8 видно, что сигнал частотной характеристики нестабилен в диапазоне 0-700 Гц, что делает пиковое значение не концентрировано. Частота первой моды находится в пределах 500-600 Гц, а частоту и коэффициент демпфирования можно получить из программного обеспечения Modal Genius.Сравнив экспериментальное значение с численным расчетом, результаты показаны в таблице 4.


    Собственная частота Коэффициент демпфирования
    Тест (Гц) FEA ( Гц) Ошибка (%) Тест (%) FEA (%) Ошибка (%)

    Первый режим 559 530 5.5 0,91 1 9
    Второй режим 767 710 7,43 0,88 0,97 11,49
    Третий режим 950 943 0,73 0,69 0,80 15,94

    4.2. Характеристики Испытание на вибрацию двигателя

    Выполняются испытания на вибрацию двух двигателей (как показано на рисунке 9).Было измерено виброускорение двух типов двигателей. Сердечник статора, обмотка, ротор, вращающийся вал, торцевая крышка и другие компоненты, используемые при сборке двигателей из углепластика, являются оригинальными частями JW6314. То есть, за исключением рамы из углепластика, другие аксессуары совместимы с двигателем JW6314, и процесс сборки такой же. Источником вибрации является вибрация, вызванная неуравновешенным ротором.

    4.2.1. Вибрационное испытание двигателя рамы из углепластика

    Прикрепите двигатель к основанию испытательного стенда анкерными болтами.Платформа для испытания на вибрацию показана на рисунке 10. Датчики ускорения 2, 3 и 4 соответственно прикреплены к поверхности цилиндра двигателя из углепластика, а датчик ускорения 1 прикреплен к основанию двигателя из углепластика. Перед испытанием четыре датчика ускорения подключаются к входному каналу кондиционирующего усилителя, чтобы получить устойчивый и четкий сигнал ускорения, фильтр нижних частот подключается к выходу кондиционирующего усилителя и частоты среза. установлен на 73 Гц.Вибрационные сигналы от фильтров нижних частот по очереди передаются на устройство сбора данных, а сигналы ускорения собираются и анализируются программным обеспечением для динамического анализа сигналов. Устройство акселерометра показано на рисунке 11.



    Частота дискретизации установлена ​​на 146 Гц, а время записи — 3 с. Отрегулируйте мощность преобразователя частоты так, чтобы скорость двигателя CFRP составляла последовательно 1000 об / мин, 1100 об / мин, 1200 об / мин, 1300 об / мин, 1400 об / мин и 1500 об / мин.После настройки преобразователя частоты дайте двигателю поработать 1 мин, затем получите виброускорение двигателя из углепластика на разных скоростях. Чтобы точно оценить вибрационные характеристики кадра CFRP, сигналы во временной области преобразуются в быстрое преобразование Фурье. Вибрационное ускорение на каждой скорости анализируется в частотной области, близкой к частоте вращения двигателя, то есть учитывается только вибрация вращения двигателя. Результаты показаны на Рисунке 12.

    Из рисунка 12 (а) видно, что учитывается только амплитуда вращательной вибрации ротора, виброускорение на основании увеличивается при увеличении скорости двигателя, а ускорение увеличивается при увеличении скорости с 1000 об / мин. до 1500 об / мин, при росте 94%; Из рисунка 12 (c) видно, что скорость двигателя увеличивается с 1000 об / мин до 1500 об / мин, ускорение на корпусе цилиндра не сильно меняется, и его увеличение составляет всего 17%. Виброускорение корпусов цилиндров в горизонтальном направлении (датчик 2 и 4, которые показаны на рисунках 12 (b) и 12 (d)) внезапно уменьшается до минимального значения при 1100 об / мин, а затем мало изменяется.

    4.2.2. Испытание на вибрацию трехфазного двигателя JW6314

    В качестве условий испытаний двигателя рамы из углепластика был проведен анализ виброускорения в металлическом двигателе JW6314 на различных скоростях. Результаты показаны на рисунке 13.

    Из рисунка 13 (a) видно, что когда учитывается только вращательная вибрация ротора двигателя, виброускорение рамы трехфазного двигателя JW6314 увеличивается с увеличением скорости вращения. Когда частота вращения увеличивается с 1000 об / мин до 1500 об / мин, увеличение ускорения составляет 130%; Цилиндр трехфазного двигателя JW6314 не претерпел значительных изменений, как показано на Рисунке 13 (c).Виброускорение корпуса цилиндра в горизонтальном направлении, как показано на рисунках 13 (b) и 13 (d), внезапно уменьшается до минимального значения при 1100 об / мин, а затем мало изменяется. Из рисунков 13 (b) и 13 (d) видно, что рама двигателя JW6314 серьезно повреждена внешней средой.

    5. Сравнительный анализ результатов

    Вибрация во время работы двигателя включает множество причин, таких как вращательная вибрация ротора, электромагнитное возбуждение между статором и ротором, а также вибрация, вызванная проблемами установки.Чтобы сделать более точную оценку характеристик снижения вибрации рамы из углепластика, изучается виброускорение двух двигателей вблизи частоты вращения ротора. Результаты показаны на Рисунке 14.

    Из Рисунка 14 видно, что скорость двигателя составляет от 1000 до 1500 об / мин. Вибрация двух двигателей около частоты вращения показывает, что виброускорение основания двигателя из углепластика и корпуса цилиндра меньше, чем у трехфазного двигателя JW6314, то есть рама двигателя из углепластика показывает хорошее снижение амплитуды вибрации. .С увеличением частоты вращения двигателя виброускорение оснований двигателя и корпусов цилиндров из углепластика в вертикальном направлении (датчик 1 и 3) показывает общую тенденцию роста, в то время как виброускорение корпусов цилиндров в горизонтальном направлении (датчик 2 и 4) внезапно снижается до минимального значения при 1100 об / мин и затем остается неизменным. Можно видеть, что тенденция изменения на рисунках 14 (b) и 14 (d) такая же, но амплитуды разные. Датчик 2 и 4 теоретически лежат в одной плоскости, но есть ошибка при размещении датчика.

    Вибрационное ускорение на основании и корпусе цилиндра двигателя из углепластика по сравнению с двигателем JW6314 показано в таблице 5. Можно видеть, что виброускорение на основании двигателя из углепластика было уменьшено более чем вдвое вблизи частоты вращения. двигателя и виброускорение было уменьшено, минимальное — 18%, максимальное — 519% на цилиндрической оболочке. В целом, рама двигателя из углепластика имеет лучшее снижение амплитуды вибрации, чем мотор из алюминиевого сплава.

    9 0013

    Скорость вращения (об / мин) Снижение виброускорения
    Датчик 1 на основании (%) Датчик 2 на цилиндре (%) Датчик 3 на цилиндре (%) Датчик 4 на цилиндре (%)

    1000 132 197 34 66
    1100 108 237 38 107
    1200 159 519 22 45
    1300 115 493 18 42
    1400 156 268 35 30
    1500 168 322 30 24

    6.Заключение

    В этой статье разработана рама двигателя из углепластика и изучаются собственная частота и демпфирование. Модель коэффициента демпфирования рамы двигателя из углепластика создана на основе метода энергии деформации и проверена экспериментально. Снижение амплитуды вибрации при его работе сравнивается с двигателем с металлическим каркасом. Можно сделать следующие выводы: (1) Рама двигателя из углепластика имеет ту же форму первой трехмодовой вибрации, что и рама из алюминиевого сплава, но собственная частота рамы из углепластика примерно в 9 раз больше, чем у рамы из алюминиевого сплава. (2) Погрешности между численным расчетом коэффициента демпфирования рамы двигателя из углепластика и экспериментальными результатами составляет менее 15%, что свидетельствует о том, что установленная модальная модель энергии деформации является точной (3) Сравнение виброускорения двигателя из углепластика и двигателя JW6314 на разных скоростях в частотной области результаты показывают, что максимальное снижение амплитуды вибрации на цилиндрической оболочке рамы двигателя из углепластика составляет 519%, что доказывает, что рама двигателя из углепластика может уменьшить амплитуду вибрации больше, чем рама двигателя из алюминиевого сплава

    Доступность данных

    Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, доступны по запросу у соответствующего автора.

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

    Благодарности

    Этот проект поддержан Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 51975435).

    Влияние частоты нервно-мышечной электростимуляции с широким импульсом и наложенной вибрации сухожилий на возникновение и величину дополнительного крутящего момента

    .2021 г., 1 июля; 131 (1): 302-312. DOI: 10.1152 / japplphysiol.00968.2020. Epub 2021 3 июня.

    Принадлежности Расширять

    Принадлежности

    • 1 Univ Lyon, UJM-Saint-Etienne, Межуниверситетская лаборатория биологии человеческого движения, EA 7424, Сент-Этьен, Франция.
    • 2 Institut Universitaire de France, Париж, Франция.
    • 3 Institut NeuroMyoGène, Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS UMR-5310, INSERM U-1217, Lyon, France.
    • 4 Лаборатория деятельности человека, Клиника Шультесс, Цюрих, Швейцария.

    Элемент в буфере обмена

    Лоик Эспейт и др.J. Appl Physiol (1985). .

    Показать детали Показать варианты

    Показать варианты

    Формат АннотацияPubMedPMID

    .2021 г., 1 июля; 131 (1): 302-312. DOI: 10.1152 / japplphysiol.00968.2020. Epub 2021 3 июня.

    Принадлежности

    • 1 Univ Lyon, UJM-Saint-Etienne, Межуниверситетская лаборатория биологии человеческого движения, EA 7424, Сент-Этьен, Франция.
    • 2 Institut Universitaire de France, Париж, Франция.
    • 3 Institut NeuroMyoGène, Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS UMR-5310, INSERM U-1217, Lyon, France.
    • 4 Лаборатория деятельности человека, Клиника Шультесс, Цюрих, Швейцария.

    Элемент в буфере обмена

    Полнотекстовые ссылки Опции CiteDisplay

    Показать варианты

    Формат АннотацияPubMedPMID

    Абстрактный

    Низкочастотная и высокочастотная импульсная нервно-мышечная электростимуляция (NMES) может генерировать дополнительный крутящий момент (ET) через афферентные пути.Наложение вибрации сухожилий (TV) на NMES может увеличить активацию этих афферентных путей и способствовать генерации ET. Знание характеристик ЭТ необходимо для реализации этих парадигм стимуляции в клинической практике. Таким образом, мы стремились исследовать эффекты наложения частоты и TV на возникновение и величину ET в ответ на широкоимпульсную NMES. NMES-индуцированный момент изометрического подошвенного сгибания был зарегистрирован у 30 здоровых людей, которые выполнили пять протоколов NMES: широкополосный низкочастотный (1 мс; 20 Гц; WPLF) и широкий импульс высокочастотный (1 мс; 100 Гц; WPHF). без и с наложенным TV (1 мм; 100 Гц) и обычным NMES (50 мкс; 20 Гц; эталонный протокол).Каждый протокол NMES состоял из трех 20-секундных тренировок, чередующихся с 90-секундным отдыхом, при этом интенсивность NMES регулировалась для достижения 10% от максимального произвольного сокращения. Возникновение ЭТ было сходным для WPLF и WPHF ( P = 0,822). У респондентов величина ET была больше для WPHF, чем для WPLF ( P <0,001). Эффекта наложения ТВ на характеристики ЕТ не наблюдалось. В этом исследовании сообщалось о влиянии частоты NMES на величину ET, тогда как наложение TV не влияло на этот параметр.В контексте наших экспериментальных решений, настоящие результаты ставят под сомнение клиническое использование NMES с широким импульсом и его комбинацию с наложенным ТВ. Тем не менее, необходимы дальнейшие исследования, чтобы максимизировать производство силы за счет возникновения и величины ET. НОВОЕ И ЗНАМЕНИТОЕ Это исследование является первым, в котором оценивается влияние частоты стимуляции и наложенной вибрации сухожилий на дополнительные характеристики крутящего момента, создаваемые нервно-мышечной электростимуляцией с широким импульсом. Процент испытуемых, показывающих дополнительный крутящий момент (т.е., рассматриваемые как респондеры) была аналогичной для низкочастотной и высокочастотной широкополосной нервно-мышечной электростимуляции. У респондентов дополнительный крутящий момент был больше при высокочастотной, чем при низкочастотной импульсной нервно-мышечной электростимуляции. Наложение вибрации сухожилий не повлияло на возникновение или величину дополнительного крутящего момента.

    Ключевые слова: NMES; кластерный анализ; экстрафорс; респонденты; трицепс surae.

    Типы публикаций

    • Поддержка исследований, за пределами США. Правительство
    Объяснение анализа вибрации

    | Надежный завод

    Анализ вибрации помогает отслеживать и обнаруживать проблемы с помощью данных о вибрации. Прочтите о методологии, инструментах и ​​методах анализа вибрации, методах измерения анализа вибрации и многом другом.

    Что такое анализ вибрации?

    Анализ вибрации определяется как процесс измерения уровней и частоты вибрации машин и последующего использования этой информации для анализа состояния машин и их компонентов. Хотя внутренние механизмы и формулы, используемые для расчета различных форм вибрации, могут быть сложными, все начинается с использования акселерометра для измерения вибрации. Каждый раз, когда работает машина, она вибрирует. Акселерометр, прикрепленный к машине, генерирует сигнал напряжения, который соответствует величине вибрации и частоте вибрации, производимой машиной, обычно сколько раз в секунду или минуту возникает вибрация.

    Все данные, собранные акселерометром, поступают непосредственно в сборщик данных (программное обеспечение), которое записывает сигнал как амплитуду в зависимости от времени (известная как временная форма волны), амплитуда в зависимости от частоты (известная как быстрое преобразование Фурье), или как и то, и другое. Все эти данные анализируются с помощью алгоритмов компьютерной программы, которые, в свою очередь, анализируются инженерами или обученными аналитиками вибрации для определения состояния машины и выявления возможных надвигающихся проблем, таких как ослабление, дисбаланс, несоосность, проблемы со смазкой и т. Д.Анализ вибрации может выявить такие проблемы, как:

    • Дисбаланс
    • Неисправности подшипников
    • Механический люфт
    • Несоосность
    • Резонанс и собственные частоты
    • Неисправности электродвигателя
    • Валы коленчатые
    • Неисправности коробки передач
    • Пустое пространство или пузырьки (кавитация) в насосах
    • Критические скорости

    Дистрибьютор, поставщик услуг по центровке и техническому обслуживанию VibrAlign использует пример взятия промышленного вентилятора, снятия лопасти вентилятора и его запуска.Как и ожидалось, вентилятор вибрирует из-за неуравновешенного колеса вентилятора. Эта неуравновешенная сила возникает один раз за оборот вентилятора. Другим примером может быть поврежденная гусеница подшипника, из-за которой ролик подшипника генерирует вибрацию каждый раз, когда он соприкасается со сколом (аналогично выбоине на шоссе). Если три опорных ролика ударяют о скол за оборот, вы должны увидеть сигнал вибрации, в три раза превышающий скорость вращения вентилятора.

    Методика анализа вибрации

    Хотя акселерометры по-прежнему являются наиболее распространенным инструментом, используемым для сбора данных о вибрации, современные технологии и улучшенная сенсорная технология позволили создать бесконтактные высокоскоростные лазерные датчики, которые могут обнаруживать проблемы, которые акселерометры не могут.Это позволяет проводить более точный и локализованный анализ и расширять возможности анализа вибрации. Анализ вибрации обычно разбивается на четыре принципа, и каждый принцип дает вам конкретную информацию об условиях работы и характеристиках вибрирующих частей.

    1. Временная область: Когда сигнал вибрации снимается с преобразователя (устройства, которое преобразует физическую величину в электрический сигнал) и отображается на экране осциллографа, это называется формой волны.Этот сигнал находится во временной области. Временная область представляет собой график зависимости амплитуды от времени. В то время как большинство проблем с вибрацией машины обнаруживается с помощью спектрального анализа, некоторые типы легче увидеть по форме волны.
    2. Частотная область: Когда форма волны, описанная ранее, подвергается спектральному анализу, конечным результатом является изображение зависимости частоты от амплитуды, известное как спектр. Спектр находится в частотной области, как и вибрация во временной области. Наиболее глубокий анализ вибрации оборудования выполняется в частотной области или с использованием спектрального анализа.
    3. Объединенный домен: Поскольку сигналы вибрации меняются со временем, может быть полезно одновременное вычисление более чем одного спектра. Для этого можно использовать метод совместного измерения времени, называемый вейвлетом Габора-Вигнера-Вейвлета. Этот метод используется для вычисления вариаций быстрого преобразования Фурье (обсуждается ниже), включая кратковременное преобразование Фурье (STFT).
    4. Модальный анализ: Модальный анализ берет измеренные частотные характеристики части оборудования и помещает их в компьютерную модель.Компьютерная модель может отображаться с анимацией всех различных режимов вибрации. Модель можно скорректировать, добавив или убрав такие вещи, как масса или жесткость, чтобы увидеть эффекты.

    Помимо этих четырех основных принципов, лежат многочисленные формы анализа, вычислений и алгоритмов, используемых для определения различных аспектов анализа вибрации. К ним относятся:

    • Временной сигнал: Временной сигнал — это зависимость ускорения от времени, отображаемая в виде таблиц и графиков.Временные колебания показывают короткую временную выборку необработанной вибрации, выявляя ключи к состоянию оборудования, которые не всегда четко видны в частотном спектре. Способ использования сигналов вибрации с временной формой волны в качестве инструмента анализа вибрации заключается в использовании БПФ.
    • Быстрое преобразование Фурье (БПФ): БПФ определяется как алгоритм, используемый для вычисления спектра по временной форме волны. Другими словами, это вычисление, предназначенное для разбивки сигнала на все его частоты. Если вы вспомните рассмотренные выше временную и частотную области, БПФ преобразует сигнал из временной области в частотную.Быстрое преобразование Фурье чаще всего используется для обнаружения неисправностей машины, таких как несоосность или дисбаланс.
    • Измерение фазы: Говоря об анализе вибрации, фаза — это относительная разница во времени между двумя сигналами, измеряемая в угловых единицах, а не во времени. Это работает только в том случае, если два сравниваемых сигнала имеют одинаковую частоту. Измерение фазы используется в тандеме с БПФ для выявления неисправностей машины, таких как незакрепленные детали, несоосность и дисбаланс.
    • Анализ заказа: Анализ заказа — это разновидность анализа БПФ, который в основном используется для количественной оценки вибрации машин с различными оборотами в минуту (об / мин).Другими словами, анализ порядка — это частотный анализ, при котором ось частот спектра отображается в порядке об / мин, а не в герцах. Термин «заказы» относится к частоте, кратной опорной скорости вращения. Например, если сигнал вибрации равен удвоенной частоте вращения двигателя, порядок равен двум.
    • Спектральная плотность мощности (PSD): Спектральная плотность мощности вычисляется путем умножения амплитуды, полученной при БПФ, на ее различные формы, чтобы нормализовать ее с шириной частотного бина (ширина бина относится к сгруппированным значениям оси x).Думайте о PSD как о «случайных» вибрациях или движении на разных частотах. PSD точно сравнивает случайные сигналы вибрации, которые имеют разную длину сигнала.
    • Анализ огибающей: Анализ огибающей — это форма анализа вибрации, которая может обнаруживать удары с очень низкой энергией, часто скрытые другими сигналами вибрации. Это популярный инструмент для диагностики поврежденных зубьев шестерен и роликовых подшипников.
    • Орбита: Орбита определяется как участок средней линии шейки подшипника скольжения.Измеряется путем размещения двух датчиков в корпусе подшипника под углом 90 градусов друг к другу. Данные этих датчиков могут отображаться в цифровом виде и использоваться для обнаружения вибраций вала, вызванных масляным вихрем — масло кружится внутри, вызывая перемещение цапфы.
    • Резонансный анализ: Резонансный анализ идентифицирует все собственные колебания и частоты в машинах. Наличие резонанса означает высокую вибрацию, которая может достигать опасного уровня.

    Категории измерения вибрации

    • Общий уровень вибрации: Вы можете думать о проверке общего уровня вибрации как о «грубой проверке» машины.Пощупывая машину рукой, вы можете определить, работает ли она примерно в широком диапазоне частот. Эта первоначальная проверка лучше всего подходит для вращающегося оборудования, в частности, для высокоскоростных машин. Обычно это не применимо к поршневым машинам.
    • Спектральный анализ вибрации: Спектральный анализ — это процесс преобразования сигнала из временной области в частотную. Часто это делается с помощью БПФ. Сигнал анализируется, чтобы определить любые существенные частоты, исходящие от компонентов машины.Вероятный источник вибрации — пик частотного сигнала. Общие приложения для спектрального анализа включают скорость вращения вала или частоту зацепления зубьев пары зубчатых колес.
    • Мониторинг дискретной частоты: Если вам необходимо контролировать конкретный компонент в машине, мониторинг дискретной частоты измеряет уровень вибрации, генерируемой на определенной частоте, которую этот компонент, как ожидается, будет генерировать.Например, если вы хотите изучить определенный вал в машине, вы должны включить мониторинг на скорость вращения этой машины. Дискретная частота вычисляется с использованием алгоритма БПФ.
    • Контроль ударных импульсов: Контроль ударных импульсов — это метод профилактического обслуживания, который контролирует подшипники качения с помощью портативного прибора. Ручной прибор излучает собственную частоту, которая вызывается ударами или вибрациями, создаваемыми подшипниками качения.Другими словами, когда два куска металла касаются друг друга во время движения, в результате удара возникают ударные волны, которые проходят через металл. Эта ударная волна используется для мониторинга ударных импульсов.
    • Измерение эксцесса: Эксцесс позволяет измерить «резкость» случайного сигнала. Сигналы с более высоким значением эксцесса имеют больше пиков, которые более чем в три раза превышают среднеквадратичное значение сигнала (RMS). В анализе вибрации эксцесс используется для отслеживания развития усталости подшипников качения с помощью простого прибора.
    • Усреднение сигнала: Поскольку сигналы меняются со временем, усреднение сигнала важно при анализе спектра, поскольку оно определяет уровень сигнала на каждой частоте. Это особенно важно для низкочастотных измерений, поскольку для получения статически точной оценки спектра требуется более длительное время усреднения. Усреднение сигнала часто используется для контроля шестерни в зависимости от ее скорости вращения. В этом примере усреднение сигнала покажет вам циклическое действие каждого зуба шестерни.Если на зубе есть большая трещина, это будет обнаружено из-за его повышенной гибкости.
    • Анализ кепстра: Первоначально изобретенный для характеристики сейсмических эхосигналов, создаваемых землетрясениями и взрывами бомб, кепстр используется для изучения повторяющихся структур в спектре. Повторяющиеся паттерны в спектре воспринимаются как один или два компонента кепстра с множеством наборов боковых полос, что может сбивать с толку. Кепстр разделяет эти боковые полосы так же, как спектр разделяет повторяющиеся временные паттерны в форме волны.Кепстр-анализ часто используется для изучения взаимодействия между частотой вращения лопастных роторов и частотой прохождения лопастей. Другой пример — исследование частот зацепления зубьев шестерни и скорости вращения шестерен.

    Параметры измерения для анализа вибрации

    Все эти методы анализа вибрации помогают определить три основных параметра: ускорение, скорость (RMS) и смещение. Каждый из этих параметров по-своему подчеркивает определенные частотные диапазоны и может быть проанализирован вместе для диагностики проблем.Давайте посмотрим на каждый параметр.

    • Ускорение: Ускорение придает большее значение высоким частотам. Однако сигнал ускорения не является исключительным. Сигнал ускорения может быть преобразован в скорость или смещение.
    • Смещение: Так же, как ускорение придает большее значение высоким частотам, смещение учитывает низкие частоты. Измерения смещения обычно используются только при изучении общей картины механических колебаний.Вы можете использовать смещение, чтобы обнаружить дисбаланс во вращающейся части из-за значительного смещения на частотах вращения вала машины.
    • Скорость: Скорость связана с разрушительной силой вибрации, что делает ее наиболее важным параметром. Он придает одинаковое значение как высоким, так и низким частотам. Обычно среднеквадратичное значение скорости (измеренное в диапазоне от 10 до 10 000 Гц) показывает лучший признак серьезности вибрации. Среднеквадратичное значение рассчитывается путем умножения пиковой амплитуды на 0.707.

    Ниже приведен пример того, как ускорение, смещение и скорость выглядят в одном и том же сигнале. Вы можете увидеть несколько пиков на одинаковых частотах, но каждый имеет разную амплитуду. Это хороший наглядный пример того, как каждый параметр придает разное значение частотным диапазонам.

    Инструменты и технологии для анализа вибрации

    Передовые технологии, в частности достижения в области беспроводных технологий, значительно улучшили способы сбора, интерпретации и обмена данными специалистами по анализу вибрации.Сегодня анализаторы вибрации чрезвычайно портативны, обмениваются данными со смартфонами и планшетами в режиме реального времени и могут генерировать БПФ с чрезвычайно высоким разрешением. Многие компании, производящие вибрационные приборы, разрабатывают собственные приложения для взаимодействия друг с другом.

    Еще одна форма передовой технологии, которую вы увидите с приборами для интерпретации анализа вибраций, — это трехмерное моделирование рабочих форм отклонения (ODS) вибраций оборудования. Короче говоря, этот тип программного обеспечения преувеличивает вызванные вибрацией движения в 3D-модели, поэтому вы можете визуализировать силы, воздействующие на вашу машину во время ее работы.

    Некоторые компании, производящие приборы для анализа вибрации, предлагают базы данных с предварительно загруженными тысячами частот неисправностей подшипников, чтобы помочь вам определить определенные частоты неисправностей для ваших подшипников. Некоторое программное обеспечение может постоянно контролировать геометрию ваших тел качения и предупреждать вас о возможных преждевременных отказах.

    Как и в случае с наиболее передовыми технологиями, большая часть данных анализа вибрации автоматически загружается в облако и доступна на вашем мобильном устройстве, компьютере или непосредственно из браузера.Это особенно полезно, если вы выполняете анализ вибрации в качестве стороннего консультанта, чтобы вы могли свободно делиться спектрами со своими клиентами.

    Преимущества непрерывного мониторинга вибрации

    Методы и инструменты, обсуждаемые в этой статье, не только отлично подходят для определения того, что не так с частью оборудования или механизмов (реактивный), но также могут использоваться для выявления проблем до того, как они приведут к значительному простою (упреждающее). Использование анализа и мониторинга вибрации позволяет вам количественно оценить слабость или ослабление конструкции, ослабление вращающихся компонентов и наличие резонанса.

    При правильной реализации непрерывный мониторинг вибрации помогает оптимизировать работу оборудования. Используя современные технологии, вы можете снимать непрерывные показания вибрации на различном оборудовании в режиме реального времени и отправлять данные прямо на ваш смартфон, планшет или компьютер через облако.

    • Контролировать критическое оборудование: Критическое оборудование — это любая часть оборудования или машины, которая может нанести вам большой финансовый удар в случае отказа.Непрерывный мониторинг вибрации помогает обнаруживать несоответствия в спектре вибрации, что позволяет выявить проблемы со смазкой и дефекты подшипников задолго до появления серьезных проблем.
    • Контролировать часто используемое оборудование: Многие заводы работают круглосуточно и без выходных, останавливаясь только ежемесячно или ежеквартально для текущего обслуживания. Остановка большего количества ресурсов может стоить заводу значительных денег. Непрерывный онлайн-мониторинг вибрации помогает отслеживать состояние интенсивно используемого оборудования или неисправного оборудования и отправляет предупреждения при изменении этого состояния.
    • Монитор труднодоступного оборудования: Проведение технического обслуживания оборудования, расположенного в труднодоступных местах, затруднено. Машины на крышах, градирнях и те, которые работают в высокотемпературных зонах, могут постоянно контролироваться на предмет отклонений от нормы вибрации, что позволяет проводить техническое обслуживание в удобное время. Это предотвращает незапланированные простои и предотвращает доступ обслуживающего персонала к этим местам без необходимости.

    Пример анализа вибрации

    Инструменты и методы, используемые в процессе анализа вибрации, могут немного сбивать с толку на бумаге, поэтому давайте взглянем на реальный пример от IVC Technologies.В этом конкретном примере изучается тестирование вентиляционной установки на фармацевтическом предприятии. Агрегат необходим для работы двух приточных вентиляторов с мощностью, необходимой для обеспечения воздушного потока в замкнутом пространстве. Приточно-вытяжная установка оснащена двумя вентиляторами с прямым подключением, каждый из которых оснащен двигателем мощностью 150 л.с. Первоначальная оценка вентиляторного агрегата показала, что агрегат работает нормально, когда работает один вентилятор, но после включения второго вентилятора возникают проблемы с вибрацией в определенных заданных точках.

    Анализ вибрации показал, что когда-то вентилятор No.2 был включен, произошло небольшое увеличение амплитуды вибрации во всех трех точках измерения, при этом вентилятор № 1 остался прежним. По данным IVC Technologies, испытания показали, что наибольшая амплитуда наблюдается в вертикальном подвесном двигателе со скоростью 0,456 дюйма в секунду с доминирующим пиком при 841 цикле в минуту. Это указывало на то, что проблема могла быть в структурной резонансной вибрации, поскольку спектральные данные не показали никаких других признаков механических проблем.

    Результаты испытаний на вибрацию
    (оба вентилятора работают одновременно)
    Точка измерения Скорость VFD Вентилятор №2 Вентилятор №1
    Подвесной мотор, вертикальный (MOV) 55.6 Гц 0,456 дюйма / сек. 0,255 дюйма / сек.
    Двигатель Внутренний вертикальный (MIV) 55,6 Гц 0,347 дюйма / сек. 0,174 дюйма / сек.
    Горизонтальный двигатель с внутренней стороны (MIH) 55,6 Гц 0,260 дюйма / сек. 0,96 дюйма / сек.
    * Информация из примера использования установки кондиционирования воздуха IVC Technologies

    Как консультант, IVC Technologies рекомендовала компании проверить конструкцию каркаса и динамический поглотитель вентилятора No.2. Было также рекомендовано выполнить ударное испытание для дальнейшего обнаружения и анализа резонансной вибрации.


    Учебное пособие по физике: собственная частота

    Как уже упоминалось ранее, звуковая волна создается в результате вибрации объекта. Вибрирующий объект является источником возмущения, которое движется в среде. Вибрирующий объект, который создает помехи, может быть голосовыми связками человека, вибрирующей струной и декой гитары или скрипки, вибрирующими зубцами камертона или вибрирующей диафрагмой радиодинамика.Любой объект, который вибрирует, издает звук. Звук мог быть музыкальным или шумным; но независимо от качества звуковая волна создается вибрирующим объектом.

    Почти все предметы при ударе, ударе, ощупывании, бренчании или каком-либо воздействии на них будут вибрировать. Если вы уроните на пол метр или карандаш, он начнет вибрировать. Если вы дернете гитарную струну, она начнет вибрировать. Если вы дунете через бутылку, воздух внутри будет вибрировать.Когда каждый из этих объектов вибрирует, они склонны вибрировать с определенной частотой или набором частот. Частота или частоты, на которых объект имеет тенденцию вибрировать при ударе, ударе, ощупывании, бренчании или каком-либо воздействии, известна как собственная частота объекта . Если амплитуда колебаний достаточно велика и если собственная частота находится в пределах диапазона частот человека, то вибрирующий объект будет производить звуковые волны, которые можно слышать.

    Все объекты имеют собственную частоту или набор частот, на которых они вибрируют.Качество тембра звука, производимого вибрирующим объектом, зависит от собственных частот звуковых волн, производимых объектами. Некоторые объекты имеют тенденцию вибрировать с одной частотой, и часто говорят, что они издают чистый тон. Флейта имеет тенденцию вибрировать на одной частоте, производя очень чистый звук. Другие объекты вибрируют и производят более сложные волны с набором частот, между которыми существует целое число математических соотношений; они, как говорят, производят богатый звук.Туба имеет тенденцию вибрировать с набором частот, которые математически связаны соотношением целых чисел; он производит насыщенный тон. Тем не менее, другие объекты будут вибрировать с множеством частот, между которыми нет простой математической связи. Эти объекты совсем не музыкальны, и создаваемые ими звуки можно охарактеризовать как шум. Когда метр или карандаш падает на пол, он колеблется на нескольких частотах, создавая сложную звуковую волну, которая является лязгающей и шумной.


    Факторы, влияющие на собственную частоту

    Фактическая частота, с которой объект будет вибрировать, определяется множеством факторов. Каждый из этих факторов влияет либо на длину волны, либо на скорость объекта. С

    частота = скорость / длина волны

    изменение скорости или длины волны приведет к изменению собственной частоты. Роль музыканта — контролировать эти переменные, чтобы воспроизводить заданную частоту на инструменте, на котором он играет.Рассмотрим в качестве примера гитару. Есть шесть струн, каждая из которых имеет разную линейную плотность (более широкие струны более плотные на метр), разное натяжение (которое контролируется гитаристом) и разную длину (также контролируется гитаристом). Скорость, с которой волны движутся по струнам, зависит от свойств среды — в данном случае от плотности (натяжения) струны и линейной плотности струн. Изменения этих свойств повлияют на собственную частоту конкретной струны.Вибрирующую часть конкретной струны можно на 90–150 укоротить на путем прижатия струны к одному из ладов на грифе гитары. Это изменение длины струны повлияет на длину волны и, в свою очередь, на собственную частоту, на которой вибрирует конкретная струна. Такое управление скоростью и длиной волны позволяет гитаристу управлять собственными частотами вибрирующего объекта (струны) и, таким образом, воспроизводить намеченные музыкальные звуки.Те же принципы можно применить к любому струнному инструменту — будь то арфа, клавесин, скрипка или гитара.

    В качестве другого примера рассмотрим тромбон с длинной цилиндрической трубой, которая дважды согнута сама по себе и заканчивается расширяющимся концом. Тромбон — образец духового инструмента. Трубка любого духового инструмента действует как контейнер для колеблющегося столба воздуха. Воздух внутри трубки будет приводиться в колебание из-за вибрирующего тростника или вибрации губ музыканта о мундштук.В то время как скорость звуковых волн в воздушном столбе не может быть изменена музыкантом (они могут быть изменены только изменениями комнатной температуры), длина воздушного столба равна. Для тромбона длина изменяется, отталкивая трубку наружу от мундштука, чтобы удлинить ее, или втягивая ее, чтобы сократить. Это приводит к изменению длины столба воздуха и, соответственно, к изменению длины волны создаваемых им волн. И, конечно же, изменение длины волны приведет к изменению частоты.Таким образом, собственная частота духового инструмента, такого как тромбон, зависит от длины воздушного столба инструмента. Те же принципы можно применить к любому подобному инструменту (тубе, флейте, колокольчику, органной трубе, кларнету или поп-бутылке), звук которого создается за счет колебаний воздуха внутри трубки .

    Было проведено множество демонстраций в классе (некоторые из них забавные, а некоторые банальные), которые иллюстрируют идею собственных частот и их модификации.Бутылку можно частично наполнить водой, оставив внутри воздух, способный вибрировать. Когда человек дует через горлышко бутылки, воздух внутри приводится в колебательное движение; турбулентность над краем бутылки создает помехи внутри бутылки. Эти колебания приводят к возникновению звуковой волны, которую слышат студенты. Конечно, частоту можно изменять, изменяя объем столба воздуха (добавляя или удаляя воду), что изменяет длину волны и, в свою очередь, частоту.Принцип аналогичен соотношению частота-длина волны воздушных столбов; меньший объем воздуха внутри бутылки означает более короткую длину волны и более высокую частоту.

    Оркестр рулонов туалетной бумаги можно создать из рулонов туалетной бумаги разной длины (или рулонов оберточной бумаги). Булочки будут вибрировать с разной частотой при ударе ученика о голову. Правильно подобранный набор роликов приведет к воспроизведению звуков, способных дать премию Тони «У Мэри был ягненок».«

    Может быть, вы знакомы с популярным трюком на выпускном вечере с кубком с водой, который часто демонстрируется на уроках физики. Возьмите стакан с водой и вымойте пальцы. Затем осторожно проведите пальцем по краю стакана с водой. Если вам повезет, вы можете привести кубок в состояние вибрации с помощью трения с помощью скольжения . (Необязательно использовать хрустальный кубок. Часто говорят, что хрустальные кубки работают лучше; но этот трюк так же легко выполнить с чистыми пальцами и недорогим кубком.) Подобно тетиве скрипки, натянутой на струну скрипки, палец прилипает к молекулам стекла, разрывая их в заданной точке, пока натяжение не станет настолько большим. Затем палец соскальзывает со стекла и затем находит другую микроскопическую поверхность к палке , к которой ; палец притягивает молекулы к этой поверхности, скользит и затем застревает в другом месте. Этого процесса прерывистого трения, происходящего на высокой частоте, достаточно, чтобы заставить молекулы стекла вибрировать с собственной частотой.Результатов хватит, чтобы впечатлить гостей ужина. Попробуйте дома !!

    Возможно, вы видели качели маятника, колеблющиеся взад и вперед относительно своего положения равновесия. Хотя маятник не издает звука, когда он колеблется, он иллюстрирует важный принцип. Маятник, состоящий из более длинной струны, колеблется с большим периодом и, следовательно, с меньшей частотой. Еще раз, существует обратная зависимость между длиной вибрирующего объекта и собственной частотой, с которой объект вибрирует.Сама эта связь распространяется на любой вибрирующий инструмент — будь то гитарная струна, ксилофон, музыкальный инструмент или литавра.

    В заключение, все объекты имеют собственную частоту или набор частот, на которых они вибрируют при ударах, ощупывании, бренчании или каком-либо воздействии. Фактическая частота зависит от свойств материала, из которого сделан объект (это влияет на скорость волны) и длины материала (это влияет на длину волны).Цель музыкантов — найти инструменты, которые обладают способностью вибрировать с наборами частот, которые звучат музыкально (т.е. математически связаны простыми целочисленными отношениями), и изменять длину и (если возможно) свойства для создания желаемых звуков. .

    Смотри!
    Инструктор физики заставляет кубок с водой петь на своей собственной частоте.

    Границы | Парадигма интерфейса мозг-компьютер P300, основанная на простой тактильной стимуляции электрических и вибрационных сигналов

    Введение

    Интерфейсы мозг-компьютер (BCI) обеспечивают прямой канал связи между мозгом человека и внешней средой, распознавая произвольные изменения в активности мозга пользователей, независимо от активности периферических афферентных нервов или мышц (Dey et al., 2015). Эта технология может быть полезна пациентам с ограниченными возможностями, которым трудно формировать выражения с помощью речи или движений тела, например пациентам с боковым амиотрофическим склерозом (БАС), мышечной дистрофией или синдромом запертости (LIS), для общения с внешней средой (Бирбаумер и Cohen, 2007; Chatelle et al., 2012; Naci et al., 2012). Более того, ИМК является важным подходом для пациентов с целью достижения двигательной и когнитивной реабилитации для пациентов с заболеваниями, нарушающими нервные пути между мозгом и внешней средой, такими как инсульт, церебральный паралич и синдром атрезии, которые серьезно влияют на выживаемость пациентов. и качество жизни (Wolpaw et al., 2002; Jolley et al., 2018).

    В исследованиях систем BCI используются различные парадигмы управления, включая BCI с помощью моторных образов (MI) (Scherer et al., 2004; Nijholt et al., 2008; Demirer et al., 2009; Carlson and Millan, 2013; Meng et al. al., 2016) как спонтанные системы, зрительные BCI (Фарвелл, Дончин, 1988; Cao et al., 2012; Falzon et al., 2012; Chen et al., 2015), слуховые BCI (Hill et al., 2005; Furdea et al., 2009; Klobassa et al., 2009; Guo et al., 2010; Halder et al., 2010; Kim et al., 2011; Xu et al., 2013) и тактильные ИМК как вызванные системы. Среди вышеперечисленных систем сравнительно широко изучаются и применяются MI BCI и визуальные BCI, однако они не являются панацеей. Например, многие люди имеют «ИМ-слепоту» (Yao et al., 2017) или не могут эффективно генерировать инструменты воображаемого движения в центральной нервной системе (ЦНС). Кроме того, ИМ может легко вызвать утомление мозга, головокружение, тошноту и другие побочные реакции. У Visual BCI есть похожие проблемы. Большинство визуальных ИМК основаны на мерцающих стимулах, и постоянное мерцание может привести к зрительному утомлению, что снижает комфорт пользователей (Punsawad and Wongsawat, 2012).Он также имеет ограничения для конкретных пациентов, например пациентов с синдромом атрезии, которые частично или полностью утратили зрительные функции (Murguialday et al., 2011). Слуховые BCI не используются широко из-за их чувствительности к внешним воздействиям и относительно низкой точности. В последнее время тактильной соматосенсорной стимуляции уделяется много внимания из-за следующих преимуществ: (1) ее легко запускать и генерировать идеальные целевые сигналы без повторного обучения; (2) это не налагает дополнительной визуальной или аудиовизуальной нагрузки на пользователя; и (3) он скрыт, тем самым не привлекая внимания других и помогая защитить личную жизнь пользователя.

    Было разработано множество интерактивных тактильных BCI, и было продемонстрировано, что онлайн-система может достичь той же точности классификации, что и автономная (Rutkowski et al., 2015; Chen et al., 2020; Jin et al., 2020 ; Ziebell et al., 2020). Подобно визуальным и слуховым BCI, тактильные BCI также могут выполнять задачи множественной классификации. Однако Ortner et al. (2014) продемонстрировали, что задача множественной классификации имеет более низкую точность классификации по сравнению с задачей двойной классификации, хотя позволяет передавать больше информации.Для реабилитационного робота для людей с относительно медленной умственной деятельностью, таких как инсульт, пациенты с атрезией, а также пожилые люди, получение точного намерения движения более важно, чем передача информации. Однако тактильные системы BCI все еще имеют недостатки, такие как слишком много стимуляторов и относительно громоздкие операции (Chen et al., 2020; Jin et al., 2020; Ziebell et al., 2020). Кроме того, точность и скорость классификации для понимания намерения пользователя движения все еще нуждаются в улучшении для практического использования.

    В этой статье предлагается новая парадигма тактильного BCI P300 и разработан алгоритм классификации путем комбинирования пространственных и частотных характеристик. BCI на базе P300 имеет явное преимущество в том, что не требует начального обучения. Тесты проводились на 20 испытуемых путем стимуляции подушечек указательных пальцев левой и правой рук, при этом в каждом блоке стимулировалась только одна целевая подушечка. Были изучены и сравнены как электрическая, так и вибрационная стимуляция.

    Материалы и методы

    Субъектов

    В исследовании приняли участие 20 здоровых субъектов, в том числе 10 мужчин и 10 женщин.Их возраст был в пределах 20–30 лет, все правши. Никто из них ранее не участвовал в эксперименте BCI. У них не было неврологических или психических отклонений или серьезных заболеваний, таких как сердечные заболевания, они не принимали в последнее время никаких лекарств от неврологических состояний и не были зависимы от алкоголя или наркотиков. Каждый субъект был подробно проинформирован о цели и мерах предосторожности перед экспериментом с подписанной формой информированного согласия.

    Настройка

    Были разработаны устройства для генерации электрических и вибрационных стимулов, как показано на рисунке 1, и параметры были установлены следующим образом:

    (1) Устройство запуска вибростимулятора: четырехканальный двигатель постоянного тока (модуль STM32F103) с номинальной мощностью 2 Вт.Устройство питалось от независимого источника питания. Напряжение возбуждения можно было регулировать от 0 до 5 В, а частоту вибрации можно было изменять от 0 до 300 Гц. Стимул принимает форму прямоугольных волн.

    (2) Устройство запуска электрического стимула: Двухканальный модуль генерации сигналов произвольной формы STM32F103 с источником питания 12 В постоянного тока. Устройство питалось от независимого источника питания. Выходное напряжение можно было регулировать от 2 до 12 В, а выходная частота находилась в диапазоне 0–1 000 Гц.Стимул принимает форму синусоид. Кроме того, максимальный ток устройства был намного меньше 5 мА, что было ниже предела тока, безопасного для человека (Nave and Nave, 1985). Кроме того, были предприняты меры безопасности, введя ограничительную схему, чтобы гарантировать, что напряжение и ток не превышают безопасный предел.

    Рисунок 1. Устройства для генерации электрических и вибрационных стимулов: (1) Устройство запуска вибростимулятора в верхнем ряду: четырехканальный двигатель постоянного тока (модуль STM32F103) с номинальной мощностью 2 Вт.Напряжение возбуждения можно было регулировать от 0 до 5 В, а частоту вибрации можно было изменять от 0 до 300 Гц. (2) Устройство запуска электрического стимула в нижнем ряду: двухканальный модуль генерации сигналов произвольной формы STM32F103 с источником питания 12 В постоянного тока. Выходное напряжение можно было регулировать от 2 до 12 В, а выходная частота находилась в диапазоне 0–1 000 Гц.

    Paradigm Design

    В этом исследовании была разработана новая парадигма, использующая только два типа стимулов, отличающаяся от традиционных задач двойной классификации.Последний имеет одинаковую пропорцию целевых стимулов и помех, что затрудняет выявление «низкой вероятности» цели. Разработанную нами задачу легко адаптировать, так как в каждом блоке с «малой вероятностью» было реализовано только одно целевое воздействие. Эта парадигма предлагается для достижения высокой точности различения, ориентированной на пожилых людей и пациентов, которые менее способны учиться и сосредотачиваться в течение длительного времени.

    Предложенная здесь парадигма была усовершенствованной парадигмой Oddball.Было три режима стимулов: левые целевые стимулы, правые целевые стимулы и нарушения. Выполнимость и обоснованность этой парадигмы были проверены путем применения как электрической, так и вибрационной стимуляции.

    Так как механорецепторы Пачиниана и Мейснера человеческого тела чувствительны к колебаниям частот в диапазоне 20–50 Гц и выше 100 Гц (Breitwieser et al., 2012). Целевая частота стимулов была установлена ​​равной 100 Гц при длительности 150 мс, частота возмущений была установлена ​​равной 23 Гц при продолжительности 200 мс, а интервалы между ними были установлены на 400 мс.Не было отмечено значительных различий в производительности ИМК между тактильной стимуляцией подушечек пальцев или запястья, но исследования показали, что первая имеет более широкую и стабильную десинхронизацию, связанную с событием (Missiroli et al., 2019). Поэтому подушечки указательных пальцев обеих рук были выбраны в качестве мест для стимуляции.

    Протокол

    Каждого испытуемого просили сесть на стул во время теста в расслабленном состоянии, положив руки на подлокотники. Стимуляторы прикрепляли к подушечкам указательных пальцев, один слева и один справа.Во время теста испытуемый пристально смотрел на «+» (символ) на экране без движения глаз, как показано на рисунке 2. Эксперименты с вибрацией и электричеством проводились отдельно с перерывом в 3 минуты.

    Рис. 2. Процесс тестирования: Каждого испытуемого просили сесть на стул во время теста в расслабленном состоянии, положив руки на подлокотники. Во время теста испытуемый должен пристально смотреть на «+» (символ) на экране.

    На рис. 3 показана экспериментальная процедура.Целевой стимул — 100 Гц длительностью 150 мс, возмущения — 23 Гц длительностью 200 мс. Каждое испытание содержало шесть стимулов, из которых только один целевой стимул был выбран псевдослучайно, а остальные были нарушениями. Каждый блок содержал 13 испытаний, и каждый запуск состоял из восьми блоков, причем только один целевой сайт (левый или правый) стимулировался в одном блоке. Первым испытанием в каждом блоке были все шесть раздражающих стимулов, отмечающих начало блока. Испытуемого просили сосредоточиться либо на левой, либо на правой руке в одном блоке, скрытно подсчитывая появление целевых стимулов для повышения внимания.После каждого блока делался 1-минутный перерыв во избежание утомления.

    Рис. 3. Методика эксперимента: Целевые стимулы были 100 Гц длительностью 150 мс, возмущения 23 Гц длительностью 200 мс. Каждый прогон состоял из восьми блоков, причем в одном блоке стимулировался только один целевой сайт (левый или правый), и каждый блок содержал 13 испытаний. Каждое испытание содержало шесть стимулов, в которых единственный целевой стимул был выбран псевдослучайно, а остальные были нарушениями.Первым испытанием в каждом блоке были все шесть раздражающих стимулов, отмечающих начало блока.

    Сборник сигналов ЭЭГ

    сигналов ЭЭГ собирали с помощью колпачка с 32-проводным электродом (BrainAmp TM MR, Германия) в соответствии с международным стандартом 10–20, который показан на рисунке 4. Частота дискретизации была установлена ​​равной 1000 Гц. Электроды сравнения для каждого канала располагались на левом и правом сосцевидном отростке, а заземляющие электроды располагались между электродами Fz и Fpz.Было подтверждено, что импеданс электрода ниже 5 кОм. Эксперименты проводились в помещении с электромагнитной защитой, чтобы избежать шума и электромагнитных помех.

    Рис. 4. Положение датчика в экспериментах по ЭЭГ: использовалось тридцать два электрода на основе расширенной международной системы 10–20, из которых электрод ЭКГ был исключен.

    Описание и предварительная обработка данных

    Мы собрали данные у 20 здоровых субъектов, три набора из которых были оставлены, потому что электроды плохо прикреплены к головам.Среди 17 испытуемых было 8 мужчин и 9 женщин. Инструментарий MATLAB-EEGLAB (Delorme and Makeig, 2004) использовался для предварительной обработки данных с использованием стандарта MNI (Монреальский неврологический институт) для определения положения электродов. Сигналы ЭКГ (электрокардиограммы) были удалены, взяв за основу среднее значение TP9 и TP10.

    Для предварительной обработки использовался полосовой фильтр 0,5–30 Гц для удаления помех промышленной частоты и большей части высокочастотного шума. Первоначальные 1000 мс ЭЭГ после начала каждого целевого стимула были извлечены с базовой линией 200 мс перед началом.Независимый компонентный анализ (ICA) был проведен для удаления сигналов ЭОГ (электроокулограммы), например, компонентов, которые распределяются в основном в префронтальной области, и компонентов, которые распределяются симметрично, как с высокой энергией в низкочастотных диапазонах.

    Извлечение и выбор признаков

    Мы проанализировали распределение энергии данных с помощью спектральной плотности мощности (PSD), частотно-временного анализа, анализа спектральных возмущений, связанных с событиями (ERSP) и анализа межпробной когерентности (ITC) (Makeig, 1993), и применили ограничение частоты из 0.5–20 Гц. Полоса частот была дополнительно сегментирована, и были разработаны полосовые фильтры с учетом волн δ (0,5–3 Гц), θ (4–7 Гц), α (8–13 Гц) и β (выше 14 Гц), а также характеристик волн различные полосы частот выделялись фильтром Баттерворта четвертого порядка.

    Объемная проводимость, построенная на основе многоканальной электроэнцефалограммы (ЭЭГ), зафиксировала нечеткую картину активности мозга (Blankertz et al., 2007). Если интересующий сигнал слабый и другие источники (включая артефакты) производят сильные сигналы в том же частотном диапазоне, это может серьезно повлиять на интересующий сигнал ЭЭГ.Этот тип помех сигнала может быть особенно серьезным, особенно во время анализа в реальном времени одного испытания (Baykara et al., 2016). Методы, обычно используемые для улучшения результатов одного испытания, включают (1) получение необходимого сигнала посредством повторного обучения (Baykara et al., 2016; Halder et al., 2016; Herweg et al., 2016) и (2) сопоставление система с учетом индивидуальных особенностей каждого пользователя. В этом исследовании Common Spatial Patterns (CSP) (Blankertz et al., 2007) приняли отдельные параметры, которые использовались для калибровки пространственного фильтра.Это позволяет нам значительно улучшить классификацию отдельных испытаний и достичь высокой точности идентификации без наложения нескольких испытаний.

    Метод, используемый алгоритмом CSP, основан на одновременной диагонализации двух ковариационных матриц. Сигналы до и после пространственного фильтра выражаются буквами E и Z соответственно и связаны соотношением:

    Z = WE (1)

    , где E — матрица, представляющая необработанные данные измерений ЭЭГ одного испытания, в которой N представляет количество каналов, T представляет количество выборок измерений на канал, а W представляет матрицу проекции CSP.В этом исследовании пространственный фильтр был построен с использованием шести наибольших и наименьших объектов. Следовательно, первые и последние шесть строк Z, то есть Zp, p {1,2,…, 6}, сформировали вектор признаков Xp, указанный в (2), в качестве входных данных для классификатора.

    Xp = log⁡ (var (Zp) / ∑i = 12mvar (Zp)) (2)

    Операция уменьшила размер данных и, следовательно, время вычислений. В этом исследовании использовались традиционные классификаторы машинного обучения для двух задач классификации. Классификация проводилась с использованием LDA (линейный дискриминантный анализ) и SVM (машина опорных векторов) (svc, c = 0.4, ядро: RBF) в среде Python, и результаты были подтверждены 10-кратной перекрестной проверкой. Чтобы лучше представить наши результаты, мы выбрали LDA для дальнейшего объяснения.

    С другой стороны, скорость передачи информации (ITR) является важным показателем производительности BCI, которая определяется как количество битов, переданных в единицу времени. ITR рассчитывается следующим образом (Serby et al., 2005): ITR = BM, где M — среднее количество решений в минуту, было установлено равным 9,5238 (каждое испытание было 3.15 с), а B — количество бит на испытание, которое определяется по формуле:

    B = log2⁡N + Plog2⁡P + (1-P) log2 [(1-P) / (N-1)] (3)

    , в котором P представляет вероятность точной классификации, был установлен на 0,95, а N — на количество командных категорий, т.е. количество классифицированных категорий было установлено на 2.

    Результаты

    Компоненты ERP

    Под воздействующими на цель стимулами были представлены характеристики P300, в то время как для раздражающих стимулов не наблюдалось пиков, т.е.е., сигналы ERP не генерировались. На рис. 5 показано наложенное среднее значение 12 испытаний во всех блоках всех испытуемых и представлены сигналы ЭЭГ, вызванные наблюдаемыми целями, игнорируемыми целями и раздражающими стимулами. Это продемонстрировало эффективность P300 с использованием предложенной парадигмы. Соответствующие топографии кожи головы с задержкой 350 мс также были показаны на рисунке, и датчики, относящиеся к активированным областям под целевыми стимулами, были значительно выше, чем в других областях.

    Рисунок 5. Грандиозные усредненные формы сигналов с полосой, заштрихованной ошибками (со стандартной ошибкой), соответствующие топографии кожи головы с задержкой 350 мс, общие усредненные ответы ERP от каналов ЭЭГ для наблюдаемых целей, игнорируемых целей и раздражающих стимулов в Cz по всем испытуемых, и p — значения разницы амплитуд между ERP реакции на стимулы с обслуживаемой целью и игнорируемые целевые стимулы, как определено с помощью дисперсионного анализа: (A) данные вибрации, (B) данные электричества .

    Избранные функции и дополнения

    Анализ на основе PSD, спектральное возмущение, связанное с событием (ERSP), и анализ синхронизированной межпробной когерентности (ITC) представителя были выполнены на данных, как показано на рисунках 6, 7. Частотная информация была сильно сконцентрирована в пределах 0–20 Гц. Затем диапазон внутренних частот 20 Гц был разделен в соответствии с волнами δ, θ, α и β. Чтобы исследовать влияние различных частотных диапазонов на эффект классификации, для оценки и визуализации характеристик в реальном времени использовалось скользящее временное окно длиной 500 мс и шагом 100 мс.

    Рис. 6. Представитель спектрального анализа на основе PSD, с наибольшей частотой информации в 20 Гц: верхний ряд — задача вибрации, нижняя строка — электрическая задача

    Рис. 7. Результаты ERSP (спектральное возмущение, связанное с событием) и ITC (межпробная когерентность) двух представителей с наибольшей частотной информацией в 20 Гц: (A) представитель вибрационной задачи, (В) представитель электротехнической задачи.

    Дальнейший анализ показал, что волны θ, α и β имеют разный вес в отношении эффективности модели классификации в популяциях, контрастный пример двух репрезентативных субъектов показан на рисунке 8. Эти три диапазона волн отражают, соответственно, три состояния человек: (1) подсознательное состояние глубокого расслабления и отсутствия стресса (4-7 Гц), (2) оптимальное состояние мозга для обучения и мышления, когда разум бодрствует, но тело расслаблено, обеспечивая «мост» между сознанием и подсознанием (8–13 Гц), (3) состояние стресса или умственной усталости (14–20 Гц).Разнообразие людей и диапазонов волн отражало вклад различных психологических состояний в классификацию во время эксперимента. Более того, в этой модели δ-волны (0,5–3 Гц) практически не вносили никакого вклада в классификацию (внося вклад меньше среднего уровня вероятности). Поэтому для классификации мы выбрали полосу 4–20 Гц.

    Рис. 8. Шесть пространственных паттернов и соответствующие пространственные фильтры в среднем по всем объектам, которые мы выбираем с помощью CSP, которые можно использовать для извлечения пространственных характеристик из мозга: (A) задача вибрации, (B) задача электрическая задача.

    Функции, извлеченные через CSP

    В этом исследовании пространственный фильтр был построен с использованием шести самых больших и самых маленьких объектов. Соответствующие пространственные паттерны и пространственные фильтры, которые мы построили с помощью CSP в среднем для всех субъектов, были показаны на рисунке 9. Наиболее репрезентативные отфильтрованные характеристики, извлеченные с помощью CSP для правой и левой руки в среднем для всех субъектов, были показаны на рисунке 10 из одна особая точка была извлечена из реальных сигналов ЭЭГ каждые 10 мс, а значения p векторов признаков обоих были вычислены в каждых 10 характерных точках (т.е. каждые 100 мс), что подтверждено парным тестом t . Он показывает, что с помощью пространственных фильтров CSP особенности левой и правой руки могут быть напрямую разделены во временной области, что раньше было нелегко различить.

    Рис. 9. Наиболее репрезентативные характеристики ЭЭГ для всех испытуемых были преобразованы с помощью выбранных пространственных фильтров CSP с заштрихованной полосой (со стандартной ошибкой), из которых одна характерная точка была извлечена из реальных сигналов ЭЭГ каждые 10 мс, а значения p левосторонних и правосторонних векторов признаков были вычислены в каждых 10 точках признаков (т.е., каждые 100 мс), что было подтверждено парным t -тест: (A) вибрационная задача, (B) электрическая задача.

    Рис. 10. Пример разнообразных вкладов для разных предметов и диапазонов волн. Например, испытуемый в задаче о вибрации в (A) показал, что наибольшее влияние на качество классификации оказали β-волны (выше 14 Гц), за ними следуют α-волны (8–13 Гц), а другой субъект также участвовал в вибрации. Задача в (B) показала, что α-волны (8–13 Гц) имеют наибольшее влияние на качество классификации, за ними следуют β-волны (выше 14 Гц).

    Результаты классификации

    Результат классификации был основан на данных левых обслуживаемых целей и правых обслуживаемых целей. При вибрационных стимулах наивысшая точность классификации и ITR составили 98,50% и 9,09 бит / мин, наименьшее — 89,50% и 4,91 бит / мин, а среднее — 94,88% ± 2,85% и 6,75 ± 1,17 бит / мин. При электрических стимулах наивысшая точность классификации составила 100% и 9,52 бит / мин, самая низкая — 83,5% и 3,37 бит / мин, а средняя — 95.21% ± 4,10% и 6,88 ± 1,56 бит / мин. На рисунке 11 показана точность классификации и ITR при вибрации и электрических стимулах сигналов P300 по всем объектам. Статистический анализ показал, что не было значительной разницы в точности классификации между двумя режимами, а ITR обоих режимов было достаточным для удовлетворения требований передачи информации для управления реабилитационным роботом для пожилых людей. В режиме вибрации 9 из 17 испытуемых достигли более высокой точности, когда целевые стимулы были доставлены в левую руку, чем в правую руку, которую насчитали 7 из 17 испытуемых (рис. 12 слева).Находясь в электрическом режиме, 12 из 17 испытуемых достигли более высокой точности, когда целевые стимулы были доставлены в правую руку, чем в левую руку, которую насчитали 3 из 17 испытуемых (рис. 12 справа). Статистический анализ точности классификации по одной цели не показал существенной разницы между двумя целевыми сайтами в обоих режимах, а также отсутствие существенной разницы в точности классификации по одной цели между двумя режимами ( p > 0,05).

    Рисунок 11. Точность классификации и ITR двух моделей стимуляции по всем предметам.

    Рис. 12. Точность классификации по одной цели по всем объектам для вибрации и электрического режима.

    Мы также показываем эффективность классификации в реальном времени предложенной модели до и после выбранного фильтра диапазона длин волн (как через пространственный фильтр CSP) с классификатором LDA на представителе (рисунок 13). После выбранного нами фильтра точность классификации была значительно высокой вначале с точностью около 90%, а самая низкая точность составляла около 80%, что происходило через 1 секунду после времени начала.

    Рисунок 13. Представитель в задаче вибрации: скользящее временное окно длиной 500 мс и шагом 100 мс, используемое для оценки производительности в реальном времени до и после выбранной полосы частот.

    Роль внимания

    Амплитуда ERP может быть значительно улучшена с привлечением внимания, как это было показано при задержке 350 мс. На рисунке 5 мы также сопоставили формы сигналов, соответствующие ответы и p -значения ERP среди наблюдаемых, игнорируемых и мешающих стимулов.Кроме того, большие усредненные ответы ERP, наблюдаемые по каналам ЭЭГ по всем испытуемым, также проявлялись более интенсивно с вниманием, особенно в каналах C3, C4, CP1, CP2, Cz, F3, F4, FC1, FC2, Fz, P3. , P4, POz, Pz. Это еще раз подтвердило, что предложенная парадигма с вниманием может привести к значительному увеличению производительности P300, что способствовало улучшению классификации.

    Обсуждение

    ITR, ACC и категории

    Основное преимущество тактильных ИМК заключается в том, что они не нагружают зрительную или слуховую систему и скрыты.Тем не менее, его недостатки также очевидны, например, низкая точность и ITR повлияли на его применимость. Чтобы улучшить ITR, были разработаны более сложные задачи множественной классификации, например, Ortner et al. (2014) разработали задачу с двумя классификациями со стимуляторами на обоих запястьях и спине, а также задачу с восемью классификациями со стимуляторами на обоих пальцах, которую экспериментировали с 12 здоровыми субъектами и 6 пациентами с LIS и подтвердили возможность вибрации. -БКИ как у здоровых, так и у пациентов с поражением головного мозга.Он также был убежден, что задача множественной классификации имеет более высокий ITR, чем задача двойной классификации, хотя точность этой задачи была ниже. Однако точность распознавания намерений может быть гораздо более важной, чем ITR для пожилых людей и пациентов с ALS, LIS, инсультами и т. Д., Которые относительно опаздывают и не требуют быстрой реакции.

    Существующие тактильные BCI

    Причиной того, что точность задач с двумя классификациями всегда была менее многообещающей, чем в других режимах, может быть неразличимая «малая вероятность» целевых стимулов.Некоторые примеры были перечислены, чтобы лучше проинструктировать нас о «малой вероятности». Брауэр и ван Эрп (2010) разработали парадигму вибрации с восприятием поясничного отдела тела, проведенную на 11 здоровых испытуемых, которая достигла точности 73% в задаче с двумя классификациями. Ортнер и др. (2014) достигли точности 80% в задании на две классификации с тремя тактильными стимуляторами на запястьях и спине, Guger et al. (2017) предложили задачу с двумя классификациями с использованием трех тактильных стимуляторов на запястьях и плечах и достигли точности 86.7%, однако, потребовалось 12 трейлов для генерации инструкции стоимостью 38 с, что слишком долго для управления. Упомянутые выше парадигмы могут не очень хорошо подчеркивать «малую вероятность» целевых стимулов, которой, наоборот, уделялось много внимания в нашей парадигме, что приводит к более идеальному результату.

    Преимущества соматосенсорной стимуляции

    Было обнаружено, что соматосенсорный ввод тактильных стимулов увеличивает связанную с движением корковую возбудимость у обоих здоровых субъектов (de Moraes Silva et al., 2015; Лаполь и Тиндель, 2015; Lopez et al., 2017) и пациентов с инсультом (Rothwell and Rosenkranz, 2005; Marconi et al., 2011). Клинически доказано, что комбинация соматосенсорных стимулов и моторных команд может улучшить функции рук после инсульта (Conforto et al., 2010; Fleming et al., 2015). Между тем, точность контроля ИМК положительно коррелировала с эффективностью реабилитации (Ramos-Murguialday et al., 2013). Поэтому он имеет большое значение для реабилитации пожилых людей и пациентов с БАС, ЛИС, инсультами и т. Д.что мы предложили тактильный BCI с простой парадигмой высокой точности.

    Обсуждения в двух режимах

    В нашей парадигме, вибрация и электрические режимы были применены для исследования обоснованности предложенной парадигмы P300. Средняя точность распознавания намерений для обоих режимов была близка к 95%, а у некоторых людей даже достигала 100%. Это означало, что и вибрация, и электрическая тактильная стимуляция в рамках нашей парадигмы могли эффективно вызывать сигнал P300 и хорошо распознавать намерения пользователя.Однако наши экспериментальные результаты показали, что есть также некоторые аспекты, отличные от этих двух режимов. Например, индивидуальная чувствительность к разным тактильным стимулам, некоторые испытуемые лучше справлялись с одним видом стимулов, чем с другим, у некоторых была почти одинаковая чувствительность к обоим. Более того, стабильность среди испытуемых также отражала некоторые различия, выполнение вибрационных стимулов казалось более стабильным, чем у электрических (STD-vib = 0,0285, STD-elec = 0.0410), хотя электрическая стимуляция может лучше работать у некоторых испытуемых.

    В частности, оба режима имеют свои преимущества и недостатки. Что касается режима вибрации, то вибростимуляция может уменьшить боль и уменьшить тремор, а также уменьшить скованность и повысить уровень дофамина в мозге (Mosabbir et al., 2020), что может помочь облегчить симптомы. Также было показано, что вибрация на мышцах увеличивает кортикоспинальную возбудимость, оцениваемую с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), и изменяет производство произвольной силы у здоровых субъектов, а двигательная реакция, генерируемая нисходящим корковым возбуждением у пациентов с хроническим гемипаретическим синдромом, может усиливаться во время вибрации (de Андраде Мело и др., 2015). Вибрация обычно считается безопасной для большинства людей, но беременным, имеющим судороги или кардиостимуляторам она может не подходить, поскольку может вызывать резонансные реакции. Более того, шумовое загрязнение, вызванное вибрацией, также может быть проблемой.

    Что касается электрического режима, безопасные применения электростимуляции могут использоваться для создания контролируемых движений конечностей у людей, получивших повреждения ЦНС, такие как травма спинного мозга (SCI) или инсульт (Popovic et al., 2016).Также наблюдаются изменения в реорганизации позвоночника и коры головного мозга и преимущества, полученные после некоторой электрической стимуляции (Popovic et al., 2003, 2016; Thrasher et al., 2008; Kapadia et al., 2011), с терапевтической эффективностью, сопровождаемой длительная реорганизация мозга и ЦНС (Shin et al., 2008; Sasaki et al., 2012; Carson and Buick, 2019; Milosevic et al., 2020). Однако переутомление мышц — явный дефект режима. Это повлияет на продолжительность тренировки, что может замедлить скорость восстановления пациентов, и мышцы будут утомляться с разной скоростью по мере увеличения частоты (Naeem et al., 2013).

    Возможности, влияющие на производительность

    Соматосенсорные способности могут изменяться с возрастом (Wickremaratchi and Llewelyn, 2006), что может еще больше уменьшить его применимость к целевой популяции тактильных ИМК. Тактическое восприятие опосредуется четырьмя механорецепторами: тельцами Пачини, тельцами Мейснера, дисками Меркеля и окончаниями Руффини, все из которых демонстрируют возрастающие пороги обнаружения с возрастом (Gescheider et al., 1994). Кроме того, чувствительность, точность и скорость распознавания тактильных паттернов также могут снизиться (Cauna, 1964; Kok, 1999; Wickremaratchi and Llewelyn, 2006; Master et al., 2010) с общим снижением соматосенсорных возможностей (Gescheider et al., 1994). Более того, более слабое внимание и память также могут способствовать снижению производительности P300-BCI (Kok, 1999).

    Тем не менее, исследования показали, что тренировки могут улучшить показатели P300-BCI (Baykara et al., 2016; Halder et al., 2016). Точно так же дефекты, которые влияют на характеристики тактильных ИМК, обусловленные возрастом, также могут быть улучшены путем повторного обучения (Herweg et al., 2016; Eidel and Kübler, 2020), где амплитуда сигнала тактильного P300 была улучшена, поскольку а также поразительное улучшение точности и ITR после эффективных тренировок.«В частности, мы не обнаружили плато для амплитуд ERP, площади между кривыми, точности единичного испытания или ITR, что позволяет предположить, что участники могут извлечь выгоду из еще большего количества тренировок». (Herweg et al., 2016), которые доказали, что возрастные тактильные изменения можно исправить с помощью тренировок, поэтому влияние возрастных изменений тактильного восприятия на показатели BCI оказалось как достоинствами, так и недостатками.

    Заключение

    В этой статье была предложена новая парадигма P300, сочетающая пространственную и частотную информацию, для решения проблем существующих тактильных BCI, например, низкой точности классификации, перекрывающихся средних значений нескольких испытаний и низкой эффективности.Был разработан адаптивный алгоритм. Предложенная нами парадигма требовала только двух стимуляторов и имела более простую задачу — сконцентрироваться на целевых для испытуемых, поэтому, вероятно, была более подходящей для пожилых людей и пациентов с инсультом, LIS, ALS и т. Д. Два режима тактильной стимуляции (вибрация и электрический) были разработаны, чтобы проверить осуществимость парадигмы, и тесты были проведены на 20 здоровых испытуемых. Благодаря выбору определенных частотных диапазонов и соответствующему пространственному фильтру с повышенным вниманием, оба из двух тактильных режимов достигли стабильных и отличных результатов идентификации для классификации.Результаты продемонстрировали среднюю точность 94,88% для электрических стимулов и 95,21% для вибрационных стимулов, соответственно.

    Заявление о доступности данных

    Оригинальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью / дополнительные материалы, дальнейшие запросы можно направлять соответствующим авторам.

    Заявление об этике

    Исследования с участием людей были рассмотрены и одобрены этическим комитетом 983 больницы совместной логистической поддержки Тяньцзиня.Пациенты / участники предоставили письменное информированное согласие на участие в этом исследовании.

    Авторские взносы

    CC и JL совместно завершили написание статьи и интерпретацию алгоритмов. XT и XH участвовали в разработке и производстве устройств аппаратной стимуляции. CC и XT участвовали в разработке парадигмы и наборе добровольцев для эксперимента. SG обеспечила финансовую поддержку проекта, академическое руководство в качестве ответственного лица. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

    Финансирование

    Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (61871173), Национальным фондом естественных наук Китая (U1

    6), Планом поддержки ключевых территорий провинции Гуандун для лаборатории Цзихуа (X1TB190), Шанхайским муниципальным научным учреждением. and Technology Major Project (2017SHZDZX01), а также Шанхайским планом действий в области науки, технологий и инноваций (194410).

    Конфликт интересов

    CC и SG были наняты компанией Guanghua Lingang Engineering Application and Technology R&D (Shanghai) Co., ООО

    Остальные авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Список литературы

    Байкара, Э., Руф, К. А., Фиораванти, К., Катнер, И., Саймон, Н., Клей, С. К. и др. (2016). Влияние обучения и мотивации на производительность слухового интерфейса мозг-компьютер P300. Clin. Neurophysiol. 127, 379–387. DOI: 10.1016 / j.clinph.2015.04.054

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Бирбаумер Н. и Коэн Л. Г. (2007). Интерфейсы мозг-компьютер: общение и восстановление движения при параличе. J. Physiol. 579 (Pt 3), 621–636. DOI: 10.1113 / jphysiol.2006.125633

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Бланкерц, Б., Томиока, Р., Лемм, С., Каванабе, М., и Мюллер, К.-Р. (2007). Оптимизация пространственных фильтров для надежного однократного анализа ЭЭГ. Сигнал IEEE. Процесс. Журнал 25, 41–56.

    Google Scholar

    Брайтвизер К., Кайзер В., Нойпер К. и Мюллер-Пуц Г. Р. (2012). Стабильность и распределение устойчивых соматосенсорных вызванных потенциалов, вызванных вибротактильной стимуляцией. Med. Биол. Англ. Comput. 50, 347–357. DOI: 10.1007 / s11517-012-0877-9

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Цао, Т., Ван, Ф., Мак, П. У., Мак, П. И., Вай, М.И., Ху Ю. (2012). Мигающий цвет указывает на производительность интерфейсов мозг-компьютер на основе SSVEP. Annu. Int. Конф. IEEE Eng. Med. Биол. Soc. 2012, 1819–1822. DOI: 10.1109 / EMBC.2012.6346304

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Карлсон, Т., и Миллан, Дж. (2013). Инвалидные коляски, управляемые мозгом: роботизированная архитектура. Робот IEEE. Журнал «Автоматика» 20, 65–73.

    Google Scholar

    Cauna, N. (1964). Влияние старения на рецепторные органы дермы человека. Adv. Биол. Кожа 6, 63–96.

    Google Scholar

    Шатель, К., Ченну, С., Нуархомм, К., Круз, Д., Оуэн, А. М., и Лаурис, С. (2012). Интерфейс мозг-компьютер при расстройствах сознания. Brain Inj. 26, 1510-1522. DOI: 10.3109 / 02699052.2012.698362

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Чен, X., Ван, Ю., Наканиши, М., Гао, X., Юнг, Т. П., и Гао, С. (2015). Высокоскоростное правописание с неинвазивным интерфейсом мозг-компьютер. Proc. Natl. Акад. Sci. США 112, E6058 – E6067. DOI: 10.1073 / pnas.1508080112

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Чен, З., Цзинь, Дж., Дейли, И., Цзо, К., Ван, X., и Цихоцки, А. (2020). Влияние визуального внимания на тактильный BCI P300. Comput. Intell. Neurosci. 2020: 6549189. DOI: 10.1155 / 2020/6549189

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Конфорто, А. Б., Феррейро, К. Н., Томази, К., душ Сантуш, Р. Л., Морейра, В. Л., Мари, С. К. и др. (2010). Влияние соматосенсорной стимуляции на двигательную функцию после подострого инсульта. Neurorehabil. Ремонт нейронов 24, 263–272. DOI: 10.1177 / 1545968309349946

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    де Андраде Мело, С., Янку, А., Дайер, Ж.-О., и Форгет, Р. (2015). Влияние вибрации руки на моторную мощность при хроническом гемипарезе. Внутр. J. Brain Sci. 2015: 804206.

    Google Scholar

    de Moraes Silva, J., Лима, Ф. П. С., де Паула Жуниор, А. Р., Тейшейра, С., Вале Бастос, В. Х., душ Сантуш, Р. П. М. и др. (2015). Оценка активности коры головного мозга, вызванной вибростимуляцией, во время выполнения двигательной задачи — рандомизированное клиническое исследование. Neurosci. Lett. 608, 64–70.

    Google Scholar

    Делорм, А., Макейг, С. (2004). EEGLAB: набор инструментов с открытым исходным кодом для анализа динамики ЭЭГ в одном исследовании, включая независимый компонентный анализ. J. Neurosci. Методы 134, 9–21.DOI: 10.1016 / j.jneumeth.2003.10.009

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Демирер, Р. М., Озердем, М. С., и Байрак, К. (2009). Классификация воображаемых движений в ЭКоГ с помощью гибридного подхода на основе многомерного решения Гильберта-SVM. J. Neurosci. Методы 178, 214–218. DOI: 10.1016 / j.jneumeth.2008.11.011

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Дей А., Сарма М. и Саманта Д. (2015).BCI расширил HCI для людей с ограниченной подвижностью с помощью доступного устройства ЭЭГ. Proc. Компьютерные науки.

    Google Scholar

    Эйдель М., Кюблер А. (2020). Управление креслом-коляской в ​​виртуальной среде здоровыми участниками с помощью P300-BCI на основе тактильной стимуляции: тренировочные эффекты и удобство использования. Перед. Гм. Neurosci. 14: 265.

    Google Scholar

    Фальзон, О., Камиллери, К., и Маскат, Дж. (2012). Комплексные пространственные фильтры для BCI на основе SSVEP с фазовым кодированием. IEEE Trans. Биомед. Англ. 59, 2486–2495. DOI: 10.1109 / TBME.2012.2205246

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Фарвелл, Л. А., Дончин, Э. (1988). Говорите не в голове: к ментальному протезу, использующему связанные с событиями мозговые потенциалы. Электроэнцефалогр. Clin. Neurophysiol. 70, 510–523. DOI: 10.1016 / 0013-4694 (88)

  • -6

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Флеминг, М.К., Соринола, И.О., Робертс-Льюис, С. Ф., Вулф, К. Д., Веллвуд, И., Ньюхэм, Д. Дж. (2015). Влияние комбинированной соматосенсорной стимуляции и специальной тренировки на функцию верхних конечностей при хроническом инсульте: двойное слепое рандомизированное контролируемое исследование. Neurorehabil. Ремонт нейронов 29, 143–152. DOI: 10.1177 / 1545968314533613

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Furdea, A., Halder, S., Krusienski, D., Bross, D., Nijboer, F., Birbaumer, N., et al. (2009).Система проверки правописания слуховых чудаков (P300) для интерфейсов мозг-компьютер. Психофизиология 46, 617–625.

    Google Scholar

    Гешайдер Г. А., Болановски С. Дж., Холл К. Л., Хоффман К. Э. и Веррилло Р. Т. (1994). Влияние старения на каналы обработки информации в осязании: I. Абсолютная чувствительность. Somatosens. Mot. Res. 11, 345–357. DOI: 10.3109 / 08940

  • 78

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Гугер, К., Spataro, R., Allison, B.Z., Heilinger, A., Ortner, R., Cho, W., et al. (2017). Полный комплект запертых и запертых пациентов: командная оценка и общение с помощью вибро-тактильных инструментов P300 и инструментов интерфейса мозг-компьютер для визуализации движений. Перед. Neurosci. 11: 251. DOI: 10.3389 / fnins.2017.00251

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Го, Дж., Гао, С., и Хун, Б. (2010). Слуховой интерфейс мозг-компьютер, использующий активную мысленную реакцию. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Англ. 18, 230–235.

    Google Scholar

    Гальдер, С., Катнер, И., Кублер, А. (2016). Обучение приводит к повышению производительности слухового интерфейса мозг-компьютер у конечных пользователей с двигательными нарушениями. Clin. Neurophysiol. 127, 1288–1296. DOI: 10.1016 / j.clinph.2015.08.007

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Гальдер, С., Ри, М., Андреони, Р., Ниджбоер, Ф., Хаммер, Э. М., Клейх, С.C., et al. (2010). Слуховой необычный интерфейс мозг-компьютер для двоичного выбора. Clin. Neurophysiol. 121, 516–523. DOI: 10.1016 / j.clinph.2009.11.087

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Herweg, A., Gutzeit, J., Kleih, S., and Kubler, A. (2016). Управление инвалидной коляской пожилыми участниками в виртуальной среде с интерфейсом мозг-компьютер (BCI) и тактильной стимуляцией. Biol. Psychol. 121 (Pt A), 117–124. DOI: 10.1016 / j.биопсихо.2016.10.006

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Hill, N. J., Lal, T. N., Bierig, K., Birbaumer, N., and Schölkopf, B. (2005). «Слуховая парадигма для интерфейсов мозг-компьютер», в Advances in Neural Information Processing Systems , eds L. Saul, Y. Weiss, and L. Bottou (Cambridge, MA: MIT Press), 569–576.

    Google Scholar

    Цзинь, Дж., Чен, З., Сюй, Р., Мяо, Ю., Ван, X., и Юнг, Т. П. (2020). Разработка нового тактильного интерфейса мозг-компьютер P300 с парадигмой стимуляции щек. IEEE Trans. Биомед. Англ. 67, 2585–2593. DOI: 10.1109 / TBME.2020.2965178

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Джолли, Э., Линч, П., Вирендракумар, Б., Роу, С., и Шмидт, Э. (2018). Образование и социальная интеграция людей с ограниченными возможностями в пяти странах Западной Африки: обзор литературы. Disability Rehabil. 40, 2704–2712.

    Google Scholar

    Кападиа, Н. М., Живанович, В., Фурлан, Дж. К., Крейвен, Б.К., Макгилливрей, К., Попович, М. Р. (2011). Функциональная электростимуляционная терапия при хватании при неполной травме спинного мозга: рандомизированное контрольное исследование. Artif. Органы. 35, 212–216. DOI: 10.1111 / j.1525-1594.2011.01216.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ким Д. В., Хван Х. Дж., Лим Дж. Х., Ли Ю. Х., Юнг К. Ю. и Им К. Х. (2011). Классификация избирательного внимания к слуховым стимулам: к взаимодействию мозг-компьютер без видения. J. Neurosci. Методы 197, 180–185. DOI: 10.1016 / j.jneumeth.2011.02.007

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Клобасса, Д.С., Воган, Т.М., Бруннер, П., Шварц, Н.Э., Волпоу, Дж. Р., Нойпер, К. и др. (2009). На пути к высокопроизводительному интерфейсу мозг-компьютер на основе P300. Clin. Neurophysiol. 120, 1252–1261. DOI: 10.1016 / j.clinph.2009.04.019

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кок, А.(1999). Разновидности торможения: проявления в познании, потенциале событий и старении. Acta Psychol. (Amst) 101, 129–158. DOI: 10.1016 / s0001-6918 (99) 00003-7

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Лопес С., Бини Ф., Дель Персио К., Мариноцци Ф., Селлетти К., Суппа А. и др. (2017). Электроэнцефалографические сенсомоторные ритмы модулируются в острой фазе после очаговой вибрации у здоровых людей. Неврология 352, 236–248.DOI: 10.1016 / j.neuroscience.2017.03.015

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Макейг, С. (1993). Динамика спектра ЭЭГ, связанная со слуховыми событиями, и эффекты воздействия тонов. Электроэнцефалогр. Clin. Neurophysiol. 86, 283–293. DOI: 10.1016 / 0013-4694 (93)

    -h

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Маркони Б., Филиппи Г. М., Кох Г., Джакоббе В., Печкиоли К., Версаче В. и др. (2011). Долгосрочные эффекты на возбудимость коры и восстановление моторики, вызванные повторяющейся вибрацией мышц у пациентов с хроническим инсультом. Neurorehabil. Ремонт нейронов 25, 48–60. DOI: 10.1177 / 1545968310376757

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Мастер, С., Лару, М., и Тремблей, Ф. (2010). Характеристика способности распознавания тактильных образов человека в разном возрасте. Somatosensory Motor Res. 27, 60–67.

    Google Scholar

    Мэн, Дж., Чжан, С., Бекё, А., Олсо, Дж., Бакстер, Б., и Хе, Б. (2016). Неинвазивное управление роботизированной рукой на основе электроэнцефалограммы для выполнения задач по досягаемости и захвату. Sci. Отчет 6: 38565. DOI: 10.1038 / srep38565

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Милошевич М., Наканиши Т., Сасаки А., Ямагути А., Попович М. Р. и Наказава К. Дж. (2020). Кортикальная реорганизация после черепно-мозговой травмы, вызванной с помощью функциональной электростимуляционной терапии: клинический случай. medRxiv [Препринт].

    Google Scholar

    Миссироли, Ф., Барсотти, М., Леонардис, Д., Габарди, М., Розати, Г., Фризоли, А. (2019). Тактильная стимуляция для улучшения тренировки воображения движения BCI, разработанная для руки-экзоскелета в реабилитации. IEEE Int. Конф. Rehabil. Робот. 2019, 1127–1132. DOI: 10.1109 / ICORR.2019.8779370

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Мосаббир А., Алмейда К. Дж. И Ахонен Х. (2020). Влияние длительных физиоакустических колебаний частотой 40 Гц на двигательные нарушения при болезни Паркинсона: двойное слепое рандомизированное контрольное исследование. Здравоохранение 8: 113.

    Google Scholar

    Murguialday, A.R., Hill, J., Bensch, M., Martens, S., Halder, S., Nijboer, F., et al. (2011). Переход от запертого к полностью запертому состоянию: физиологический анализ. Clin. Neurophysiol. 122, 925–933. DOI: 10.1016 / j.clinph.2010.08.019

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Наци, Л., Монти, М. М., Круз, Д., Кублер, А., Соргер, Б., Гебель, Р. и др.(2012). Интерфейсы мозг-компьютер для общения с неотзывчивыми пациентами. Ann. Neurol. 72, 312–323. DOI: 10.1002 / ana.23656

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Наим, Дж., Азман, А. В., Хан, С., и Мустафа, Ю. М. (2013). «Исследование феномена усталости в мышцах верхней конечности из-за коротких импульсов в системе FES», в Proceedings of the IOP Conference Series: Materials Science and Engineering , (Куала-Лумпур: IOP Publishing), 012067.

    Google Scholar

    Нейв, К.Р., и Нейв, Б.С. (1985). Физика для медицинских наук. Филадельфия, Пенсильвания: WB Saunders Company.

    Google Scholar

    Nijholt, A., Tan, D., Pfurtscheller, G., Brunner, C., Millán, J. D. R., Allison, B., et al. (2008). Интерфейс мозг-компьютер для интеллектуальных систем. IEEE Intell. Syst. 23, 72–79.

    Google Scholar

    Ортнер, Р., Луго, З., Нуархомм, К., Лаурис, С., и Гугер, К. (2014). «Тактильный интерфейс мозг-компьютер для пациентов с тяжелыми формами инвалидности», в Proceedings of the 2014 IEEE Haptics Symposium (HAPTICS) , (Houston, TX: IEEE), 235–237.

    Google Scholar

    Попович, М. Б., Попович, Д. Б., Синкьяер, Т., Стефанович, А., и Швиртлих, Л. (2003). Клиническая оценка функциональной электротерапии у пациентов с острой гемиплегией. J. Rehabil. Res. Dev. 40, 443–453. DOI: 10.1682 / jrrd.2003.09.0443

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Попович, М.Р., Масани К. и Мицера С. (2016). «Функциональная электростимуляционная терапия: восстановление функции после травмы спинного мозга и инсульта», в журнале «Технология нейрореабилитации » , ред. Д. Рейнкенсмайер и В. Дитц (Cham: Springer), 513–532.

    Google Scholar

    Пунсавад Ю. и Вонгсават Ю. (2012). Визуальный стимул движения для системы BCI на основе SSVEP. Annu. Int. Конф. IEEE Eng. Med. Биол. Soc. 2012, 3837–3840. DOI: 10.1109 / EMBC.2012.6346804

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Рамос-Мургиалдай, А., Broetz, D., Rea, M., Laer, L., Yilmaz, O., Brasil, F. L., et al. (2013). Интерфейс мозг-машина в реабилитации после хронического инсульта: контролируемое исследование. Ann. Neurol. 74, 100–108. DOI: 10.1002 / ana.23879

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ротвелл, Дж. К., и Розенкранц, К. (2005). Роль афферентного входа в двигательной организации в состоянии здоровья и болезни. IEEE Eng. Med. Биол. Mag. 24, 40–44. DOI: 10.1109 / members.2005.1384099

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Рутковски, Т.М., Симидзу, К., Кодама, Т., Юрица, П., и Цихоцки, А. (2015). «Интерфейсы мозг-робот с использованием пространственных тактильных парадигм BCI», в Трудах международного семинара по симбиотическим взаимодействиям , , ред. Б. Бланкерц, Дж. Джакуччи, Л. Гамберини, А. Спаньолли и Дж. Фриман (Cham: Springer) , 132–137.

    Google Scholar

    Сасаки К., Мацунага Т., Томите Т., Йошикава Т. и Шимада Ю. (2012). Влияние электростимуляционной терапии на функциональное восстановление верхних конечностей и корковые изменения головного мозга у пациентов с хронической гемиплегией. Biomed. Res. 33, 89–96. DOI: 10.2220 / биомедры.33.89

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Шерер Р., Мюллер Г. Р., Нойпер К., Грейманн Б. и Пфурчеллер Г. (2004). Виртуальная клавиатура на основе ЭЭГ с асинхронным управлением: улучшение орфографии. IEEE Trans. Биомед. Англ. 51, 979–984. DOI: 10.1109 / TBME.2004.827062

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Шин, Х.К., Чо, С. Х., Чон, Х. С., Ли, Ю. Х., Сонг, Дж. К., Янг, С. Х. и др. (2008). Кортикальный эффект и функциональное восстановление с помощью нервно-мышечной стимуляции, запускаемой электромиографией, у пациентов с хроническим инсультом. Neurosci. Lett. 442, 174–179. DOI: 10.1016 / j.neulet.2008.07.026

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Трэшер Т.А., Живанович В., Макилрой В. и Попович М. Р. (2008). Реабилитация функции дотягивания и хватания у пациентов с тяжелой гемиплегией с использованием функциональной электростимуляционной терапии. Neurorehabil. Ремонт нейронов 22, 706–714.

    Google Scholar

    Викремаратчи, М., и Ллевелин, Дж. Г. (2006). Эффекты старения на ощупь. Postgraduate Med. J. 82, 301–304.

    Google Scholar

    Вулпоу, Дж. Р., Бирбаумер, Н., МакФарланд, Д. Дж., Пфурчеллер, Г., и Воган, Т. М. (2002). Интерфейсы мозг – компьютер для общения и управления. Clin. Neurophysiol. 113, 767–791.

    Google Scholar

    Сюй, Х., Чжан, Д., Оуян, М., и Хун, Б. (2013). Использование активной умственной задачи для повышения производительности интерфейсов мозг-компьютер, основанных на слуховом внимании. Clin. Neurophysiol. 124, 83–90. DOI: 10.1016 / j.clinph.2012.06.004

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Яо, Л., Шэн, X., Чжан, Д., Цзян, Н., Мрахач-Керстинг, Н., Чжу, X., et al. (2017). Независимый от стимулов гибридный ИМК, основанный на воображении движений и соматосенсорной ориентации внимания. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Англ. 25, 1674–1682.

    Google Scholar

    Ziebell, P., Stümpfig, J., Eidel, M., Kleih, S., Kübler, A., Latoschik, M., et al. (2020). Модальность стимула влияет на передачу тренировочных эффектов от сеанса к сеансу в интерфейсах мозг-компьютер P300 на основе слуховых и тактильных потоковых данных. Sci. Отчет 10: 11873.

    Google Scholar

    AB-029: Вибрационные двигатели — напряжение в зависимости от частоты и амплитуды

    Обзор

    Нас часто спрашивают, как отрегулировать амплитуду или частоту вибрации наших различных вибромоторов.В этой статье мы рассмотрим, насколько это просто, почему это может быть полезно и как мы можем предсказать поведение двигателя, используя управляющее напряжение и график типичных рабочих характеристик.

    Это будет более практичная статья, чем AB-004: Понимание характеристик вибрационного двигателя ERM, и более подробная, чем наша предыдущая статья в блоге.

    Существует два основных типа вибрационных двигателей: эксцентриковая вращающаяся масса (ERM) и линейные резонансные приводы (LRA). Для оптимальной работы LRA требуется очень специфическая резонансная частота и сигнал привода переменного тока, поэтому в данном бюллетене по применению мы сосредоточимся только на ERM.Вместо этого вы можете прочитать о характеристиках LRA в AB-020.

    Зачем менять амплитуду вибрации?

    Важно понимать, что, хотя мы можем измерить амплитуду вибрации в контролируемой лабораторной среде, восприятие этой вибрации в реальном мире будет варьироваться из-за множества факторов, включая (но не ограничиваясь):

    • Жесткость или гибкость устройства
    • Ориентация двигателя
    • Масса аппарата
    • Возраст пользователя
    • Положение прибора на корпусе
    • Частота вибрации
    • Факторы окружающей среды

    Приложения могут иметь самые разные требования к амплитуде вибрации. Небольшое носимое устройство для детей потребует гораздо более низкой интенсивности вибрации, чем промышленный бункер.

    Изменение интенсивности вибрации также позволяет реализовать расширенные тактильные эффекты. Это растущая и захватывающая область, поскольку она позволяет различным встроенным технологиям передавать все больший объем информации только с помощью вибрации. Изменяя интенсивность и характер вибрации, можно создавать практически неограниченное количество комбинаций, ритмов или сообщений. В частности, в области носимых устройств и автомобилестроения наблюдается все большее распространение этой технологии.

    Зачем менять частоту вибрации?

    Результаты тестирования тактильной обратной связи

    Важно отметить, что в ERM амплитуда и частота колебаний неразрывно связаны.На изображении выше голубая линия представляет измеренную амплитуду вибрации. Величина волны — это амплитуда, а период — это частота вибрации. Обратите внимание на то, как по мере увеличения величины период укорачивается (= увеличивается частота).

    Поскольку вы не можете изменить одно, не изменив другого, наиболее распространенной причиной изменения частоты вибрации является изменение амплитуды. Однако частота вибрации также имеет свои последствия.

    Так же, как человеческое ухо воспринимает звуки одной частоты громче, чем другие, вибрации воспринимаются немного по-разному в зависимости от их частоты.Различные механорецепторы обнаруживают вибрацию на разных частотах, например, тельце Пачини лучше всего обнаруживает колебания в диапазоне 40-800 Гц с его пиковым восприятием между 200 и 300 Гц.

    В автомобильной среде присутствует множество источников вибрации, например, двигатель, дорога, кондиционер и радио могут создавать вибрацию в широком диапазоне частот. Чтобы предотвратить потерю тактильной обратной связи среди этого шума, часто необходимо использовать легко различимые частоты.

    Пример автомобильной панели приборов с тачскрином

    Небольшая часть приложений требует очень определенной частоты, возможно, это необходимо для того, чтобы вызвать биологический эффект, или есть определенные механические требования. Используя поворотные энкодеры или измерение обратной ЭДС, мы можем разработать алгоритм управления с обратной связью, который поддерживает скорость двигателя, при необходимости регулируя управляющее напряжение. Это гарантирует, что скорость остается в более жестких допусках, чем указано в производственной спецификации.

    Другой аспект, о котором часто забывают, — это смещение, возникающее при вибрации двигателя. Если мы возьмем два двигателя с одинаковой амплитудой вибрации, но с разной частотой вибрации, более медленный двигатель будет производить большее смещение. Это может существенно повлиять на восприятие вибрации. Например, мы можем использовать наш Quick Vib Estimator, чтобы вычислить смещение от двух двигателей одинаковой амплитуды, но с очень разными скоростями.

    Как Uni Vibe ™ 324-102, так и Uni Vibe ™ 310-114 имеют типичные нормализованные амплитуды 6 G, но 324-102 рассчитан на 2 800 об / мин, а 310-114 рассчитан на 12 000 об / мин.Вводя эти данные в оценщик с целевой массой 100 г, мы видим, что 324-102 создает смещение 0,684 мм, в то время как 310-114 создает только 0,037 мм. Это только теоретические модели, и фактическая разница очень мала, но для сравнения 324-102 создает гораздо большее смещение, которое пользователь, вероятно, заметит.

    Влияние скорости на амплитуду

    В ротационной системе зависимость между скоростью двигателя и амплитудой вибрации не линейная, а экспоненциальная, это ясно показано в следующем уравнении.{2} $$

    Здесь m — это масса эксцентрикового груза, r — это «эксцентриситет», а последний элемент ω (омега) — это скорость вращения в радианах в секунду.

    Номинальное увеличение скорости двигателя в процентах приведет к большему увеличению амплитуды. Теоретически это означает, что мы можем повлиять на значительные изменения, внося относительно незначительные изменения в скорость двигателя.

    Изменение ERM, в частности, его веса или эксцентриситета — еще один способ изменить интенсивность вибрации.Однако, очевидно, что это гораздо менее гибко, поскольку оно устанавливается во время производства и не может быть изменено «на лету».

    Связь между скоростью и частотой

    Для вибрационных двигателей ERM скорость двигателя и частота вибрации представляют одно и то же.

    Скорость двигателя — это просто количество оборотов в минуту (об / мин), а частота вибрации выражается в герцах (Гц) и представляет собой количество колебаний в секунду. Чтобы преобразовать Гц в число оборотов в минуту, мы просто умножаем его на 60, так как в каждой минуте 60 секунд.Аналогично, чтобы преобразовать число оборотов в минуту в Гц, мы делим на 60.

    Как изменить скорость

    Чтобы контролировать скорость двигателя, нам просто нужно отрегулировать управляющее напряжение. Повышенное напряжение означает, что двигатель может выдавать больший крутящий момент, а поскольку нагрузка фиксирована, скорость увеличивается.

    Для надежной и стабильной работы двигателя рекомендуемый диапазон управляющего напряжения определяется двумя спецификациями. Минимальное напряжение для запуска двигателя определяется максимальным пусковым напряжением.Может показаться странным использовать максимальное значение для определения минимального напряжения, но это не зря объясняется в этом сообщении в блоге. Хотя возможно, что двигатель может работать ниже этого напряжения, это не гарантируется, а его рабочие характеристики могут быть менее надежными.

    4 важных напряжения для вибрационных двигателей

    Верхний предел напряжения — это максимальное номинальное рабочее напряжение. Важно избегать выхода двигателя за пределы его максимального номинального рабочего напряжения, так как это может привести к его повреждению.Лучше не превышать номинальное напряжение в течение длительного периода времени — такие значения, как максимальный рабочий ток, могут быть неточными, если они превышают это значение, а увеличение скорости (и тока) приводит к более быстрому износу щеток и сокращению срока службы двигателя. . Обе эти и другие спецификации можно найти в соответствующих листах технических данных.

    В зависимости от схемы и приложения существует множество способов изменить подаваемое напряжение, однако наиболее распространенным методом является использование ШИМ-управления.Другие методы включают использование базового линейного делителя напряжения или специальных драйверов двигателя. Фактически, некоторые драйверы, такие как DRV2605, содержат библиотеки сигналов, например «Щелчки» и «нарастания», которые автоматически управляют напряжением привода за вас. Интересно, что при использовании аккумулятора в качестве нерегулируемого источника питания вы обычно будете видеть снижение управляющего напряжения по мере разряда аккумулятора, что затем приводит к падению скорости.

    Изменение скорости бесщеточного вибрационного двигателя постоянного тока зависит от используемого драйвера.Например, 910-101 имеет встроенный драйвер, который принимает переменное напряжение, но не работает с ШИМ. Наоборот, оценочная плата M10-400 использует драйвер DRV11873, который принимает сигнал ШИМ.

    Приемы тактильного вождения

    Регулировка управляющего напряжения влияет не только на предельную скорость двигателя, но и на то, как быстро он ее достигает. Это открывает мир тактильной обратной связи и специальных приемов вождения, призванных сделать эффекты вибрации «более четкими».Если вы не используете такие эффекты, как «щелчки» или «пульсация», для передачи информации пользователю, вы можете пропустить этот раздел.

    Поскольку приложенное напряжение в конечном итоге определяет выходную мощность двигателя, мы знаем, что более высокое напряжение заставит двигатель вращаться с более высокой скоростью. Отсюда следует, что более высокое напряжение также приведет к более быстрому запуску двигателя, поскольку он обладает большей мощностью, чтобы преодолеть инерцию эксцентриковой массы.

    Метод «Overdrive» применяет более высокое напряжение, чем номинальное, чтобы дать двигателю дополнительную мощность и ускорить запуск, прежде чем быстро упадет до номинального напряжения, чтобы двигатель не повредился.Идеальное тактильное устройство не должно иметь задержки и мгновенно начинает вибрировать с желаемой амплитудой (в зависимости от приложенного напряжения).

    Динамический отклик вибрационного двигателя

    График выше показывает, сколько времени требуется двигателю для запуска и остановки. Время задержки показывает, как быстро вибрационный двигатель достигает 0,08 G, время нарастания составляет от пуска до 50% типичной амплитуды для данного напряжения, а время останова — это время, необходимое двигателю для остановки работы при заданном напряжении.

    Когда мы увеличиваем управляющее напряжение, наблюдается очень четкое падение времени задержки и нарастания, но аналогичным образом увеличивается время остановки из-за увеличения количества движения массы.«Активное торможение» противоположно перегрузке, когда полярность управляющего напряжения инвертируется. Это заставляет двигатель двигаться в противоположном направлении, эффективно действуя как «тормоз». Уменьшение времени остановки — важная часть получения четкого тактильного эффекта.

    См. Дополнительную информацию по его теме в разделе «Улучшение тактильной характеристики» нашего контента тактильной обратной связи.

    Трудности прогнозирования амплитуды и частоты вибрации

    Как и в случае с большинством теоретических моделей, при попытке предсказать реальную амплитуду вибрации на основе изменения напряжения могут возникнуть проблемы.В этом случае есть три основные причины, по которым измеренное значение амплитуды может отличаться от нашей оценки.

    Нелинейное поведение напряжения / скорости

    Удвоение напряжения не обязательно увеличивает скорость вдвое. Некоторые двигатели имеют высокое пусковое напряжение и очень ровную зависимость напряжение / скорость, в то время как другие имеют очень низкое пусковое напряжение, но могут не иметь линейной зависимости.

    Как правило, для прогнозирования скорости требуются дополнительные уравнения и знание констант двигателя постоянного тока, что выходит за рамки данного бюллетеня по применению.Кроме того, это обычно не требуется, поскольку характеристики двигателя в диапазоне напряжений можно найти в наших таблицах данных (обсуждаемых ниже).

    Производственный допуск

    Даже при доступе к указанной выше информации (постоянные двигателя и т. Д.) Существуют допуски при производстве двигателей, и два двигателя из одной партии могут вести себя не одинаково. Между партиями разница может быть еще больше.

    Обратите внимание, что в разделе «Эксплуатационные характеристики» технических характеристик к номинальной скорости прилагается значение допуска.Как мы описали выше, изменение скорости оказывает определенное влияние на амплитуду вибрации.

    Неточности измерения

    Приведенные выше уравнения основаны на упрощенной модели с ограниченными степенями свободы. На самом деле вибрационный двигатель имеет несколько режимов вибрации с разными скоростями / амплитудами, а также необходимо учитывать монтажный материал и технику (особенно в отношении жесткости).

    Таким образом, хотя они полезны для объяснения теории того, как напряжение влияет на скорость и амплитуду, их нельзя использовать для чрезвычайно точных прогнозов.Однако при необходимости их можно использовать для общих оценок.

    К счастью, вам не нужно рассчитывать амплитуду или частоту вибрации для наших двигателей ERM — мы уже сделали эту работу за вас. Наши таблицы данных включают в себя графики типичных характеристик производительности, которые показывают колебательное напряжение в зависимости от амплитуды, частоты, эффективности и потребляемого тока вибрации.

    График ниже для модели 307-103, где мы можем видеть (слегка) нелинейную зависимость напряжения / частоты и гораздо более выраженную нелинейность с амплитудой вибрации:

    307-103 Вибрация Характеристики двигателя

    Индивидуальные двигатели

    Конечно, изменение управляющего напряжения — не единственный способ изменить скорость двигателя или амплитуду вибрации, есть две общие области настройки, которые могут повлиять на характеристики двигателя.

    Мы ранее обсуждали процесс разработки нестандартных эксцентриковых масс и их влияние на производительность в Информационном бюллетене 027: Параметры эксцентриковых масс для вибрационных двигателей. По сути, конструкция массы может влиять на нагрузку, воспринимаемую двигателем постоянного тока, и, следовательно, влиять на соотношение напряжения и скорости двигателя.

    Кроме того, можно предоставить двигатели постоянного тока с индивидуальными электрическими и / или механическими характеристиками, такими как перемотка их на другое номинальное напряжение.Двигатели постоянного тока также бывают различных форм-факторов, что может ограничивать выбор некоторых вариантов конструкции. Например, 308-103 может позволить себе иметь эксцентрическую массу увеличенного размера для дополнительной амплитуды, но это невозможно для инкапсулированных или монетных вибрационных двигателей.

    Обе эти настройки позволяют создавать разные профили для балансировки размера двигателя, скорости, напряжения и нагрузки — комбинация которых дает нам наши различные продукты для вибрационных двигателей, адаптированные для различных применений.

    Заключение

    Мы можем легко манипулировать напряжением возбуждения, чтобы регулировать скорость двигателя и, в свою очередь, изменять амплитуду и частоту вибрации. Мы также объяснили, что амплитуда и частота вибрации связаны и не могут контролироваться независимо с помощью напряжения, потому что они оба зависят от скорости.

    Мы видели, что зависимость между амплитудой вибрации и частотой (и, следовательно, скоростью) не является линейной, и мы также показали, что может быть трудно предсказать реальную амплитуду колебаний по изменению напряжения.Однако графики типичных рабочих характеристик прецизионных микроприводов значительно упрощают этот процесс и позволяют определять (типичное) поведение двигателей при заданном напряжении.

    Кроме того, изменение напряжения может повлиять на скорость вращения двигателя, а не только на его предельную скорость. По этой причине можно использовать напряжение для улучшения тактильных эффектов и производительности двигателя.

    Убедившись, что управляющее напряжение находится между максимальным пусковым напряжением и максимальным номинальным рабочим напряжением, мы можем гарантировать долговечность и надежность двигателя.Чтобы выбрать правильный двигатель, вам может быть полезно наше Руководство по сравнению вибрационных двигателей.

    .
    Разное

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *