Почему возникает резонанс? — Школьные Знания.com

ПОМОГИТЕ ПОЖАЛУЙСТА, СРОЧНО! Фізика Електричний струм, з- н Ома, послідовне, паралельне з’єднання, з-н Джоуля-Ленца, електричний струм у різних середо … вищах.

Нагреватель может нагревать 10 г воды

Частица массой m и с зарядом -q движется по круговой орбите радиуса r вокруг тела с зарядом q. Найти период обращения частицы вокруг тела. Тело облада … ет массой много больше массы частицы поэтому его можно считать покоящимся.

Что означает i+ на прикреплённой картинке?

ПОМОГИТЕ ПОЖАЛУЙСТА СРОЧНО! Фізика Електричний струм, з- н Ома, послідовне, паралельне з’єднання, з-н Джоуля-Ленца, електричний струм у різних середов … ищах

Помогите с физикой Две одинаковые длинные тяжелые однородные доски лежат (одна на другой) на горизонтальной поверхности. Резким ударом нижней доске со … общили начальную скорость 6 м/с, направленную точно вдоль досок. Доски до самой остановки движутся поступательно.

Ускорение свободного падения считайте равным 10 м/с2. 1.) За какое время проскальзывание досок друг по другу прекратится, если коэффициент трения между досками и коэффициент трения между нижней доской и поверхностью одинаковы и равны 0,5? Ответ выразите в секундах, округлив до десятых. 2.) За какое время после сообщения нижней доске начальной скорости движение досок прекратится полностью? Ответ выразите в секундах, округлив до десятых. ​

Помогите пожалуйста!Небольшое тело запускают вверх вдоль наклонной плоскости, наклонённой под углом α=30∘ к горизонту, со скоростью v0=5 м/с. Коэффици … ент трения между телом и плоскостью μ=0,5. Тело не покидает плоскость, ускорение свободного падения считать равным g=10 м/с2. 1.) Какое время должно пройти, чтобы величина скорости тела снова стала равна начальной? Ответ выразите в секундах, округлив до целого числа. 2.) На каком расстоянии от начальной точки будет находиться тело в этот момент времени? Ответ выразите в метрах, округлив до целого числа.

3 ,со скоростью 333м/с , весом 10тонн — сделает кратер радиусом и глубиной? ​

При равномерном уменьшении силы тока на 6А за время 100 мс в проводящем контуре с индуктивностью 200 мГн возбуждается ЭДС самоиндукции ℰ- ? Определите … значение величины, обозначенной ? а=2 Помогите пожалуйста !

Явление резонанса и его возникновение. Примеры резонанса в механике, акустике, электрических цепях и атомах молекул

Под явлением резонанса стоит понимать мгновенный рост величины амплитуды колебаний объекта под воздействием внешнего источника энергии периодического характера воздействия с аналогичным значением частоты.

В статье мы рассмотрим природу возникновения резонанса на примере механического (математического) маятника, электрического колебательного контура и ядерного магнитного резонатора. Для того, чтобы проще представить физические процессы, статья сопровождается многочисленными вставками в виде практических примеров. Цель статьи — объяснить на примитивном уровне явление резонанса в разных областях его возникновения без математических формул.

Механические колебания маятника

Самая простая модель, которая может наглядно показать колебания, это простейший маятник, а точнее математический маятник. Колебания разделяют на свободные и вынужденные. Первоначально воздействующая энергия на маятник обеспечивает в теле свободные колебания без присутствия внешнего источника переменной энергии воздействия. Данная энергия может быть как кинетической, так и потенциальной.

Здесь не имеет значение насколько сильно или нет качается сам маятник, — время, потраченное на прохождения его пути в прямом и обратном направлении, сохраняется неизменным. Во избежание недоразумений с затуханием колебаний вследствие трения о воздух стоит выделить, что для свободных колебаний должны соблюдаться условия возврата маятника в точку равновесия и отсутствия трения.

А вот частота в свою очередь напрямую зависит от величины длины нити маятника. Чем короче нить, тем выше частота и наоборот.

Возникающая естественная частота тела под воздействием первоначально приложенной силы называется резонансной частотой.

Все тела, которым свойственны колебания, совершают их с заданной частотой. Для поддержания в теле незатухающих колебаний необходимо обеспечить постоянную периодическую энергетическую «подпитку». Это достигается воздействием в одновременный такт колебаний тела постоянной силы с определенным периодом. Таким образом возникающие колебания в теле под действием периодической силы снаружи называют вынужденными.

В какой-то момент внешних воздействий возникает резкий скачок амплитуды. Такой эффект возникает если периоды внутренних колебаний тела совпадают с периодами внешней силы и называется резонансом. Для возникновения резонанса достаточно совсем небольших величин внешних источников воздействия, но с обязательным условием повторения в такт. Естественно, при фактических расчетах в земных условиях не стоит забывать о действии сил трения и сопротивления воздуха на поверхность тело.

Простые примеры резонанса из жизни

Начнем с примера возникновения резонанса с которым сталкивался каждый из нас — это обычные качели на детской площадке.

Резонанс качелей

В ситуации с детскими качелями в момент приложения рукой силы при прохождения одной из двух симметричных высших точек возникает скачек амплитуды с соответствующим ростом энергии колебания. В быту явление резонанса могли наблюдать в ванной комнате любители вокала.

Звуковой акустический резонанс при пении в ванной

Каждый из поющих в ванной комнате из кафеля наверняка замечал как изменяется звук. Звуковые волны отражаясь о кафель в замкнутом пространстве ванной становятся громче и продолжительнее. Но этому воздействию подвержены не все ноты песни вокалиста, а лишь те, которые резонируют в один такт со звуковой резонансной частотой воздуха.

Для каждого из вышеперечисленного случая возникновения резонанса существует внешняя возбуждающая энергия: в случае с качелями элементарный толчок рукой, совпадающий с фазой колебания качели, и в случае с акустическим эффектом в ванной — голос человека, отдельные частоты которого совпадали с определенными частотами воздуха.

Звуковой резонанс бокала — опыт в домашних условиях

Данный опыт можно провести в домашних условиях. Для него необходим хрустальный бокал и закрытое помещение без посторонних шумов для чуткого восприятия аккустического эффекта. Смоченный водой палец передвигаем по краю бокала с «рваными» периодическими ускорениями. В процессе подобных движений вы можете наблюдать возникновение звенящего звука. Данный эффект возникает вследствие передачи энергии движения, частота колебание которой совпадает с собственными частотой колебания бокала.

На видео автор ролика передвигает смоченный палец с равномерной скоростью по окружноси бокала, наполовину наполненного водой. Возникает эффект «поющего бокала».

Разрушение мостов вследствие резонанса — случай с Такомским мостом

Все служившие в армии помнят, как при прохождении строем по мосту от командира звучала команда: «Отставить в ногу!». Почему же нельзя было проходить строем по мосту «в ногу»? Оказывается, при прохождении строем по мосту с одновременным поднятием выпрямленной ноги до уровня колена военнослужащие опускают плоскость подошвы в один такт с усилием, которое сопровождается характерным шлепком.

Шаг военнослужащих сливается в один единый такт, создавая скачкообразную внешнюю прикладываемую энергию для моста с определенной величиной колебаний. В случае если собственная частота колебаний моста совпадет с колебанием шага солдат «в ногу» — произойдет резонанс, энергия которого может привести к разрушительным воздействиям конструкции моста.

Хотя случаи полного разрушения моста и не зафиксированы при прохождении солдат «в ногу», но известнее случай разрушения Такомского моста через пролив Такома-Нэрроуз в штате Вашингтон США в 1940 году.

Одна из причин вероятных причин разрушения — механический резонанс, который возник вследствие совпадения частоты ветрового потока с внутренней собственной частотой моста.

Резонанс тока в электрических цепях

Если в механике явление резонанса можно объяснить сравнительно просто, то в электричестве все на пальцах не объяснить. Для понимания необходимы элементарные знания физики электричества. Резонанс, создаваемый в электрической цепи, может возникать при условии наличия колебательного контура. Какие элементы необходимы для создания колебательного контура в электрической сети? Прежде всего цепь должна быть подключена к источнику электрической энергии.

В электросети простейший колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности.

Конденсатор, состоящий внутри из двух металлических пластин разделенных диэлектрическими изоляторами, способен хранить электрическую энергию. Аналогичным свойством обладает и катушка индуктивности, выполненная в виде спиралеобразных витков проводника электричества.

Взаимное соединение конденсатора и катушки индуктивности в электрической сети, образующей колебательный контур, может быть как параллельным так и последовательным. В следующем видеопособии для демонстрации резонанса приводят пример последовательного способа включения.

Колебания электрического тока внутри контура возникает под действием внешнего источника электроэнергии. Однако, не все поступающие сигналы, а точнее его частоты, служат источником возникновения резонанса, а лишь только те, частота которых совпадает с резонансной частотой контура. Остальные, не участвующие в процессе, подавляются в общем потоке сигнала. Регулировать резонансную частоту возможно при помощи изменения значений емкости конденсатора и индуктивности катушки.

Возвращаясь к физике резонанса в механических колебаниях, он особенно выражен при минимальных значениях сил трения. Показатель трения сопоставляется в электрической цепи сопротивлению, увеличение которого ведет к нагреву проводника встледствие превращения электрической энергии во втрутреннюю энергию проводника. Поэтому, как и в случае с механикой, в колебательном электрическом контуре резонанс четко выражен при низком активном сопротивлении.

Пример электрического резонанса в процессе настройки ТВ и радиоприемников

В отличие от резонанса в механике, который может негативно влиять на материалы конструкций вплоть до разрушения, в электрических целях его вовсю используют в полезном функциональном назначении. Один из примеров применения — настройка ТВ и радиопрограмм в приемниках.

Радиоволны соответствующей частоты достигают приемных антенн и вызывают небольшие электрические колебания. Далее сигнал, включающий весь пул транслируемых передач, поступает в усилитель. Настроенный на определенную частоту в соответствии со значением регулируемой емкости конденсатора, колебательный контур принимает только тот сигнал, частота которого совпадает с его собственной.

В радиоприемнике установлен колебательный контур. Для настройки на станцию вращают рукоятку конденсатора переменной емкости, меняя положение его пластин и соответственно меняя резонансную частоту контура.

Вспомните аналоговый радиоприемник «Океан» времен СССР, ручка настройки каналов в котором есть ни что иное как регулятор изменения емкости конденсатора, положение которого меняет резонансную частоту контура.

Ядерный магнитный резонанс

Отдельные виды атомов содержат ядра, которые можно сравнить с миниатюрными магнитами. Под влиянием мощного внешнего магнитного поля ядра атомов меняют свою ориентацию в соответствии со взаимным расположением своего собственного магнитного поля по отношению к внешнему. Внешний сильный электромагнитный импульс поглощается атомом вследствие чего происходит его переориентация. Как только источник импульса прекращает свое действие ядра возвращаются на свои исходные позиции.

Ядра в зависимости от принадлежности к тому или иному атому способны принимать энергию в определенном диапазоне частот. Смена позиции ядра происходит в один такт с внешним колебаниям электромагнитного поля, что и служит причиной возникновения так называемого ядерного магнитного резонанса (сокращенно ЯМР). В научном мире этот вид резонанса используется в целях изучения атомных связей в рамках сложных молекул. Используемый в медицине метод отображения магнитного резонанса (ОМР) позволяет выводить результаты сканирования внутренних человеческих органов на дисплей для постановки диагноза и назначения лечения.

Магнитное поле ОМР сканера, формируемое при помощи катушек индуктивности, создает излучение высокой частоты под воздействием которого ядра атомов водорода изменяют свою ориентацию при условии совпадении своих собственных частот с внешним. В результате полученных данных с датчиков формируется графическая картинка на мониторе.

Если сравнивать метод ЯМР и ОМР относительно негативного влияния на организм человека излучения, то сканирование с помощью ядерного магнитного резонатора менее вредно, чем ОМР. Также при исследовании мягких тканей технология ЯМР показала большую эффективность в отражении детализации исследуемого участка ткани.

Что такое спектрография

Взаимная связь между атомами в молекуле не строго жесткая, при изменении которой молекула переходит в состояние колебания. Частота колебаний взаимных связей атомов меняет соответственно резонансную частоту молекул. С помощью излучения электромагнитных волн в ИК спектре можно вызвать вышеуказанные колебания атомных связей. Данный метод под названием инфракрасная спектрография используется в научных лабораториях для изучения состава исследуемого материала.

Определение резонанса простыми словами: проявления в природе

Явление — резонанс

Явление резонанса в цепи, содержащей нелинейные элементы, имеет существенные особенности. Рассмотрим резонанс в последовательной цепи, содержащей нелинейную емкость.
 

Явление резонанса часто имеет значение для нагрузки, так как внезапные изменения тока нагрузки также возбуждают резонанс. Это регулируется ( не всегда успешно) посредством выходного сопротивления нагрузки и сопротивления дросселя. Нагрузка будет получать резонансное напряжение, а не резонансный ток, создаваемый выпрямителями. Резонанс трудно подавить, и он может иногда вызывать нарушение действия питаемого от него стабилизатора напряжения при переходных явлениях в токе нагрузки.
 

Явление резонанса в электрической цепи обеспечивает возможность радиосвязи и используется при настройке радиоприемников на частоту той или иной радиостанции.
 

Явление резонанса нередко служит причиной поломки коленчатых валов. Для прочности корпуса судна, который также обладает определенным числом свободных колебаний, явление резонанса также может быть опасным.
 

Явления резонанса возникают в цепях переменного тока при равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений или при равенстве индуктивной и емкостной проводимости. В этих случаях контур по отношению внешней цепи является безиндуктивным, как бы состоящим из одного активного сопротивления.
 

Явление резонанса имеет место в турбинных лопатках и в лопастях вентиляторов и пропеллеров в тех случаях, когда по длине лопатки или лопасти ( от ступицы до края) укладывается четверть звуковой волны.
 

Явление резонанса широко используется в различных устройствах радиоэлектроники и электротехники. Режим резонанса в цепи из R -, L — и С-элементов состоит в том, что при некоторых значениях частоты, называемых резонансными частотами, входное сопротивление ( или проводимость) становится чисто резистив-ным — с нулевой реактивной составляющей, так, что напряжение и ток на входе цепи совпадают по фазе.
 

Явление резонанса может проявляться в лопатках ГТД, в лопастях воздушных винтов и вентиляторов в тех случаях, когда по длине лопатки или лопасти ( от ступицы до края) укладывается четверть звуковой волны.
 

Явление резонанса и вместе с этим разжижение цементного геля наблюдается только в том случае, когда за время установления вынужденных колебаний резонаторов внешнее гармоническое воздействие не прекращается и его динамические параметры не изменяются.
 

Явление резонанса в электрических цепях весьма широко используется в современной электротехнике, и особенно в технике высокой частоты.
 

Явление резонанса используется в радиотехнике для измерения частоты колебаний или отвечающей ей длины электромагнитной волны с помощью измерительных приборов, называемых волномерами. Волномер содержит колебательный контур с градуированными индуктивной катушкой и конденсатором и прибором, указывающим ток в контуре. Колебательный контур волномера связывается индуктивно с контуром устройства, в котором необходимо измерить частоту тока. При плавном изменении емкости волномера добиваются максимума тока в контуре волномера и по значению индуктивности и емкости контура волномера судят о частоте.
 

Явление резонанса широко используется и в других электроизмерительных устройствах, а также в устройствах электроавтоматики.
 

Явление резонанса наиболее ярко проявляется при малом значении коэффициента затухания и возникает на частотах, близких к частоте собственных колебаний звена ш0 — ЦТ.
 

Явление резонанса используется для выделения из сложного напряжения нужной составляющей.
 

Явление резонанса в механизмах передвижения возникает не только при частоте вращения, равной пкр, но и при частоте, кратной критической частоте.
 

Механические колебания маятника

Самая простая модель, которая может наглядно показать колебания, это простейший маятник, а точнее математический маятник. Колебания разделяют на свободные и вынужденные. Первоначально воздействующая энергия на маятник обеспечивает в теле свободные колебания без присутствия внешнего источника переменной энергии воздействия. Данная энергия может быть как кинетической, так и потенциальной.

Здесь не имеет значение насколько сильно или нет качается сам маятник, — время, потраченное на прохождения его пути в прямом и обратном направлении, сохраняется неизменным. Во избежание недоразумений с затуханием колебаний вследствие трения о воздух стоит выделить, что для свободных колебаний должны соблюдаться условия возврата маятника в точку равновесия и отсутствия трения.

А вот частота в свою очередь напрямую зависит от величины длины нити маятника. Чем короче нить, тем выше частота и наоборот.

Возникающая естественная частота тела под воздействием первоначально приложенной силы называется резонансной частотой.

Все тела, которым свойственны колебания, совершают их с заданной частотой. Для поддержания в теле незатухающих колебаний необходимо обеспечить постоянную периодическую энергетическую «подпитку». Это достигается воздействием в одновременный такт колебаний тела постоянной силы с определенным периодом. Таким образом возникающие колебания в теле под действием периодической силы снаружи называют вынужденными.

В какой-то момент внешних воздействий возникает резкий скачок амплитуды. Такой эффект возникает если периоды внутренних колебаний тела совпадают с периодами внешней силы и называется резонансом. Для возникновения резонанса достаточно совсем небольших величин внешних источников воздействия, но с обязательным условием повторения в такт. Естественно, при фактических расчетах в земных условиях не стоит забывать о действии сил трения и сопротивления воздуха на поверхность тело.

Марш по мосту

В учебниках по физике приводится пример обвала Египетского моста через Фонтанку в Санкт-Петербурге. История относится к 1906 году. Конструкция подверглась двойному внешнему воздействию. Сначала по ней прошел кавалерийский отряд. Чуть позже мост обвалился после ритмично прошагавшего по нему полка пехоты.

Египетский мост, Санкт-Петербург. Фото: ru.wikipedia.org

В первом случае крепления расшатались под воздействием лошадиных копыт. Пехота раскачала, как качели, ослабевшие опоры моста дружным шагом в ногу. Этим она довершила начатое кавалерией разрушение.

Известны другие случаи обрушения мостов в других странах мира. Сегодня военным запрещено идти в ногу по мостам любой сборки и конструкции, даже самым современным и надежным объектом. Общепринятой командой перед входом на мост является: «Вольно!». Солдаты идут по переправе не в ногу. При свободном передвижении частота шагов солдат не совпадет с частотой колебаний мостовых креплений. Не возникает дополнительная вибрация. Конструкция не подвергается дополнительному внешнему воздействию.

В чем польза или вред явления

Примеров, где используется явления резонанс, множество. Звуковая волна – это колебания воздуха. Инструменты имеют возможность звучать красиво в случае, если размеры, очертания и материал приведут к созданию условий для резонанса. Все духовые, язычковые инструменты звучат благодаря совпадению звуковых частот.

При проектировании и возведении концертных залов используют эффект акустического резонанса. Звучание музыки, голосов артистов полностью зависит от свойств колебательных движений. Древние зодчие Средневековья отлично владели искусством строительства сооружений с сильным акустическим эффектом. В соборе Святого Павла (Лондон) есть галерея, где любой звук или шепот слышен отчетливо.

В горной промышленности при разрушении или дроблении твердых пород применяют метод резонансного разрушения. Это позволяет выполнять большой объем в сжатые сроки с большой эффективностью. Сверление отверстий в бетонных конструкциях облегчает дрель с функцией перфоратора.

Резонанс, как и любое другое физическое явление, сам по себе не является ни плохим, ни хорошим, так как может приносить как пользу, так и вред. Например, именно резонанс помогает вытащить автомобиль, застрявший в грязи или снегу – планомерное раскачивание авто, то взад, то вперед с увеличением амплитуды колебаний помогает освободить его из плена.

А вот хрестоматийный негативный пример действия резонанса описан в самом начале нашей статьи, и связан с мостами. Если рота солдат строевым шагом пройдет по мосту, то может если и не обрушить его, то значительно повредить, потому, что вызовет сильный резонанс собственных колебаний поверхности моста с колебаниями от марша «нога в ногу» сотен солдат.

С тех пор технологии строительства мостов претерпели значительные изменения, а инженеры, конструкторы и архитекторы при проектировании своих объектов обязательно принимают в расчет явление резонанса. Этот феномен необходимо учитывать не только при строительстве мостов, но и при возведении высотных зданий, антенн, высоких опор, словом всего того, что теоретически может войти в резонанс с воздушными потоками.

Типы явления

В описании резонанса Г

Галилей как раз обратил внимание на самое существенное — на способность механической колебательной системы (тяжелого маятника) накапливать энергию, которая подводится от внешнего источника с определенной частотой. Проявления резонанса имеют определенные особенности в различных системах и поэтому выделяют разные его типы

Механический и акустический

Это тенденция механической системы поглощать больше энергии, когда частота ее колебаний соответствует собственной частоте вибрации системы. Это может привести к сильным колебаниям движения и даже катастрофическому провалу в недостроенных конструкциях, включая мосты, здания, поезда и самолеты. При проектировании объектов инженеры должны обеспечить безопасность, чтобы механические резонансные частоты составных частей не соответствовали колебательным частотам двигателей или других осциллирующих частей во избежание явлений, известных как резонансное бедствие.

Электрический резонанс

Возникает в электрической цепи на определенной резонансной частоте, когда импеданс схемы минимален в последовательной цепи или максимум в параллельном контуре. Резонанс в схемах используется для передачи и приема беспроводной связи, такой как телевидение, сотовая или радиосвязь.

Оптический резонанс

Оптическая полость, также называемая оптическим резонатором, представляет собой особое расположение зеркал, которое образует резонатор стоячей волны для световых волн
. Оптические полости являются основным компонентом лазеров, окружающих среду усиления и обеспечивающих обратную связь лазерного излучения. Они также используются в оптических параметрических генераторах и некоторых интерферометрах.

Свет, ограниченный в полости, многократно воспроизводит стоячие волны для определенных резонансных частот. Полученные паттерны стоячей волны называются «режимами». Продольные моды отличаются только частотой, в то время как поперечные различаются для разных частот и имеют разные рисунки интенсивности поперек сечения пучка. Кольцевые резонаторы и шепчущие галереи являются примерами оптических резонаторов, которые не образуют стоячих волн.

Орбитальные колебания

В космической механике возникает орбитальный отклик
, когда два орбитальных тела оказывают регулярное, периодическое гравитационное влияние друг на друга. Обычно это происходит из-за того, что их орбитальные периоды связаны отношением двух небольших целых чисел. Орбитальные резонансы значительно усиливают взаимное гравитационное влияние тел. В большинстве случаев это приводит к нестабильному взаимодействию, в котором тела обмениваются импульсом и смещением, пока резонанс больше не существует.

При некоторых обстоятельствах резонансная система может быть устойчивой и самокорректирующей, чтобы тела оставались в резонансе. Примерами является резонанс 1: 2: 4 лун Юпитера Ганимед, Европа и Ио и резонанс 2: 3 между Плутоном и Нептуном. Неустойчивые резонансы с внутренними лунами Сатурна порождают щели в кольцах Сатурна. Частный случай резонанса 1: 1 (между телами с аналогичными орбитальными радиусами) заставляет крупные тела Солнечной системы очищать окрестности вокруг своих орбит, выталкивая почти все остальное вокруг них.

Атомный, частичный и молекулярный

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)
— это имя, определяемое физическим резонансным явлением, связанным с наблюдением конкретных квантовомеханических магнитных свойств атомного ядра, если присутствует внешнее магнитное поле. Многие научные методы используют ЯМР-феномены для изучения молекулярной физики, кристаллов и некристаллических материалов. ЯМР также обычно используется в современных медицинских методах визуализации, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ).

В чем заключается явление резонанса напряжений

Как известно, в сети переменного тока домашней сети разность потенциалов изменяется с частотой 50 Гц. То есть, каждую секунду производится 50 полных колебаний. Такое явление несложно замерить даже бытовым частотомером, который определить точное значение этого параметра именно по эффекту электромагнитного поля, образованного вокруг проводника с током. Катушка с металлическим сердечником, которая устанавливается в измерительный прибор, будет колебаться с частотой электромагнитного поля домашней электросети.

Частотомер

Таким образом, вырабатывается переменное напряжение, которое затем может быть увеличено, а его частота подсчитана микропроцессорным либо аналоговым устройством, после чего информация может быть выведена на экран.

Разобравшись, в чем заключается явление резонанса электрического напряжения, необходимо стараться всячески избегать этого явления, когда одновременные колебательные движения полей являются нежелательными. Если же в каком-либо устройстве такой эффект применяется с целью получения определенных физических явлений, то схема должна быть изготовлена с высокой добротностью, чтобы на поддержание процесса тратилось как можно меньше энергии (таким образом повышается КПД устройства).

Использование резонанса напряжений для передачи радиосигнала

Явление резонанса напряжений является не только любопытнейшим физическим феноменом. Оно играет исключительную роль в технологии беспроводных коммуникаций – радио, телевидении, сотовой телефонии. Передатчики, используемые для беспроводной передачи информации, в обязательном порядке содержат схемы, предназначенные для резонирования на определенной для каждого устройства частоте, называемой несущей частотой. При помощи передающей антенны, подключенной к передатчику, он излучает электромагнитные волны на несущей частоте.

Антенна на другом конце приемо-передающего тракта получает этот сигнал и подает его на приемный контур, предназначенный для резонирования на частоте несущей. Очевидно, что антенна принимает множество сигналов на различных частотах, не говоря уже о фоновом шуме. Благодаря наличию на входе приемного устройства, настроенного на несущую частоту резонансного контура, приемник выбирает единственно правильную частоту, отсеивая все ненужные.

После детектирования амплитудно-модулированного (AM) радиосигнала, выделенный из него низкочастотный сигнал (НЧ) усиливается и подается на звуковоспроизводящее устройство. Это простейшая форма радиопередачи очень чувствительна к шумам и помехам.

Для повышения качества принимаемой информации разработаны и успешно используются другие, более совершенные способы передачи радиосигнала, которые также базируются на использовании настроенных резонансных систем.

Частотная модуляция или FM-радио решает многие из проблем радиопередачи с амплитудно-модулированным передающим сигналом, однако это достигается ценой существенного усложнения системы передачи. В FM-радио системные звуки в электронном тракте превращаются в небольшие изменения несущей частоты. Часть оборудования, которое выполняет это преобразование, называется «модулятор» и используется с передатчиком.

Соответственно, к приемнику должен быть добавлен демодулятор для преобразования сигнала обратно в форму, которая может быть воспроизведена через громкоговоритель.

Как правильно рассчитать

Токовый резонанс очень важно правильно рассчитать, если есть параллельное соединение, предотвращающая появление помех около системы. Для правильного расчета необходимо понять, какие показатели мощности в электросети

Средняя стандартная мощность, рассеивающаяся при резонансном контуре, выражается при помощи среднеквадратичных токовых показателей и напряжения. При резонансе мощностный коэффициент равен единице и формула имеет вид, как на картинке.

Формула расчета

Чтобы правильно определить нулевой импеданс, понадобиться воспользоваться стандартной формулой, которая дана ниже.

Формула резонансных кривых

Что касается аппроксимирования резонанса колебательных частот, это можно выяснить по следующей формуле.

Расчет колебательного контура

Обратите внимание! Для получения максимально точных данных по приведенным формулам, округлять данные не нужно. Благодаря этому получится грамотный расчет, который приведет к достойной экономии переменного тока, если речь идет о подсчете в целях снижения счетов

В целом, резонанс токов — это то, что происходит в части параллельного колебательного контура, в случае его подключения к источнику напряжения, частота какого может совпадать с контурной. Возникает при условиях, когда цепь, имеющая параллельное соединение резисторной катушки и конденсатора, равна проводимости BL=BC. Правильно сделать весь необходимый подсчет можно по специальной формуле или, прибегая к использованию специальных измерительных инструментов в виде мультиметра.

Реактивные сопротивления индуктивности и емкости

Индуктивностью называется способность тела накапливать энергию в магнитном поле. Для нее характерно отставание тока от напряжения по фазе. Характерные индуктивные элементы — дросселя, катушки, трансформаторы, электродвигатели.

Емкостью называются элементы, которые накапливают энергию с помощью электрического поля. Для емкостных элементов характерно отставание по фазе напряжения от тока. Емкостные элементы: конденсаторы, варикапы.

Приведены их основные свойства, нюансы в пределах этой статьи во внимание не берутся. Кроме перечисленных элементов другие также имеют определенную индуктивность и емкость, например в электрических кабелях распределенные по его длине

Кроме перечисленных элементов другие также имеют определенную индуктивность и емкость, например в электрических кабелях распределенные по его длине.

Резонанс тока в электрических цепях

Если в механике явление резонанса можно объяснить сравнительно просто, то в электричестве все на пальцах не объяснить. Для понимания необходимы элементарные знания физики электричества. Резонанс, создаваемый в электрической цепи, может возникать при условии наличия колебательного контура. Какие элементы необходимы для создания колебательного контура в электрической сети? Прежде всего цепь должна быть подключена к источнику электрической энергии.

В электросети простейший колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности.

Конденсатор, состоящий внутри из двух металлических пластин разделенных диэлектрическими изоляторами, способен хранить электрическую энергию. Аналогичным свойством обладает и катушка индуктивности, выполненная в виде спиралеобразных витков проводника электричества.

Взаимное соединение конденсатора и катушки индуктивности в электрической сети, образующей колебательный контур, может быть как параллельным так и последовательным. В следующем видеопособии для демонстрации резонанса приводят пример последовательного способа включения.

Колебания электрического тока внутри контура возникает под действием внешнего источника электроэнергии. Однако, не все поступающие сигналы, а точнее его частоты, служат источником возникновения резонанса, а лишь только те, частота которых совпадает с резонансной частотой контура. Остальные, не участвующие в процессе, подавляются в общем потоке сигнала. Регулировать резонансную частоту возможно при помощи изменения значений емкости конденсатора и индуктивности катушки.

Возвращаясь к физике резонанса в механических колебаниях, он особенно выражен при минимальных значениях сил трения. Показатель трения сопоставляется в электрической цепи сопротивлению, увеличение которого ведет к нагреву проводника встледствие превращения электрической энергии во втрутреннюю энергию проводника. Поэтому, как и в случае с механикой, в колебательном электрическом контуре резонанс четко выражен при низком активном сопротивлении.

Пример электрического резонанса в процессе настройки ТВ и радиоприемников

В отличие от резонанса в механике, который может негативно влиять на материалы конструкций вплоть до разрушения, в электрических целях его вовсю используют в полезном функциональном назначении. Один из примеров применения — настройка ТВ и радиопрограмм в приемниках.

Радиоволны соответствующей частоты достигают приемных антенн и вызывают небольшие электрические колебания. Далее сигнал, включающий весь пул транслируемых передач, поступает в усилитель. Настроенный на определенную частоту в соответствии со значением регулируемой емкости конденсатора, колебательный контур принимает только тот сигнал, частота которого совпадает с его собственной.

В радиоприемнике установлен колебательный контур. Для настройки на станцию вращают рукоятку конденсатора переменной емкости, меняя положение его пластин и соответственно меняя резонансную частоту контура.

Вспомните аналоговый радиоприемник «Океан» времен СССР, ручка настройки каналов в котором есть ни что иное как регулятор изменения емкости конденсатора, положение которого меняет резонансную частоту контура.

Признаки явления

Базовый показатель резонанса — когда реактивные сопротивления одинаковые, то есть AA = AB. Тогда ток не разветвленной части контура отсутствует, а в каждой отдельно взятой из ветвей будет протекать ток с максимальной амплитудой, и наступает обсуждаемое явление.

В ходе изысканий ученые пришли к выводу, который кажется очень странным. Действительно, генератор нагружают двумя реактивными нагрузками, а ток в не разветвленной его части отсутствует, более того, через каждую из них протекают ток равной силы и с максимальной амплитудой токи. Объяснить такое явление можно удивительными свойствами магнитных полей на индуктивных нагрузках и свойствами электрического поля емкости.

При явлении резонанса происходит обмен энергетическими колебаниями между этими полями в индуктивности и емкости. Генерирующая установка, передав энергию в контур, оказывается как бы «не у дел». Его даже можно совсем выключить, а ток в этой части контура будет поддерживаться без генератора, таким, как и был в самом начале. А напряжение останется точно таким, какое было подано с генератора.

Что такое резонанс

Резонанс – это колебательный отклик системы на внешнее воздействие, которое сопровождается резкими амплитудными движениями. Происходит от французского «resonance» — отзываться. Люди используют понятие в разных областях деятельности:

1. Наука и техника

Первым на резонанс обратил внимание средневековый ученый Торичелли. Галилео Галилей дал точное определение резонансу на примере струн и работы маятника

Основоположник современной электродинамики Джеймс Максвелл объяснил, что такое электромагнитный резонанс.

Разрушенный в 1850 году французский мост через реку Луара. Фото: ru.wikipedia.org

2. Риторика и полемика. В сфере гуманитарных наук понятие определяет отклик общественности на явления, происшествие или высказывание. Слово помогает повысить значимость происходящего. Критики часто употребляют фразу: «Картина (пьеса, книга, стиль) вызвала положительный (отрицательный) резонанс у публики». Явление может стать бестселлером или полностью провалиться.

3. Летное дело. Летчики опасаются воздушной разновидности резонанса флаттера. Попадая в зону турбулентности не очень крепкие машины могут развалиться в воздухе.

Люди встречаются с резонансом в повседневной жизни. Обычные качели демонстрируют механический резонанс. Разогревая еду в микроволновке, человек сталкивается с его электромагнитной разновидностью. Акустический резонанс встречается в горах на примере эха или в комнатах с плохой звукоизоляцией. В строительных работах всегда учитывается процент возможного резонанса. В противном случае высотные здания, ЛЭП-опоры, принимающие и передающие антенны подвергнутся воздействию порывов ветра, которые расшатают их и разрушат.

Явление резонанса в жизни и в технике.

Явление резонанса
может играть как положительную, так и отрицательную роль.

Известно, например, что тяжелый «язык» большого колокола может раскачать даже ребенок, но при условии, что будет тянуть за веревку в такт со свободными колебаниями «языка».

На применении резонанса основано действие язычкового частотомера. Этот прибор представляет собой набор укрепленных па общем основании упругих пластин различной длины. Собствен-ная частота каждой пластины известна. При контакте частотомера с колебательной системой , частоту которой нужно определить, с наибольшей амплитудой начинает колебаться та пластина, частота которой совпадает с измеряемой частотой. Заметив, какая пластина вошла в резонанс, мы определим частоту колебаний системы.

С явлением резонанса можно встретиться и тогда, когда это совершенно нежелательно. Так, на-пример, в 1750 г. близ города Анжера во Франции через цепной мост длиной 102 м шел в ногу отряд солдат. Частота их шагов совпала с частотой свободных колебаний моста. Из-за этого размахи ко-лебаний моста резко увеличились (наступил резонанс), и цепи оборвались. Мост обрушился в реку.

В 1830 г. по той же причине обрушился подвесной мост около Манчестера в Англии, когда по нему маршировал военный отряд.

В 1906 г. из-за резонанса разрушился Египетский мост в Петербурге, по которому проходил кавалерийский эскадрон.

Теперь для предотвращения подобных случаев войсковым частям при переходе через мост приказывают «сбить ногу», идти не строевым, а вольным шагом.

Если же через мост проезжает поезд, то, чтобы избежать резонанса, он проходит его либо на медленном ходу, либо, наоборот, на максимальной скорости (чтобы частота ударов колес о стыки рельсов не оказалась равной собственной частоте моста).

Собственной частотой обладает и сам вагон (колеблющийся на своих рессорах). Когда частота ударов его колес на стыках рельсов оказывается ей равной, вагон начинает сильно раскачиваться.

Явление резонанса встречается не только на суше, но и в море, и даже в воздухе. Так, например, при некоторых частотах гребного вала в резонанс входили целые корабли. А на заре разви-тия авиации некоторые авиационные двигатели вызывали столь сильные резонансные колебания частей самолета, что он разваливался в воздухе.

Определение понятия резонанса (отклика) в физике возлагается на специальных техников, которые обладают графиками статистики, часто сталкивающихся с этим явлением. На сегодняшний день резонанс представляет собой частотно-избирательный отклик, где вибрационная система или резкое возрастание внешней силы вынуждает другую систему осциллировать с большей амплитудой на определенных частотах.

Оцените статью:

Резонанс | Физика

Отличительной особенностью вынужденных колебаний является зависимость их амплитуды А от частоты ν изменения внешней силы. Для изучения этой зависимости можно воспользоваться уже знакомой нам установкой, изображенной на рисунке 36. Если вращать ручку кривошипа очень медленно, то груз вместе с пружиной будет перемещаться вверх и вниз так же, как и точка подвеса О. Амплитуда вынужденных колебаний при этом будет невелика. При более быстром вращении груз начнет колебаться сильнее, и при частоте вращения, равной собственной частоте пружинного маятника (ν= ν_соб), амплитуда его колебаний достигнет максимума. При дальнейшем увеличении частоты вращения ручки амплитуда вынужденных колебаний груза опять станет меньше. А очень быстрое вращение ручки оставит груз почти неподвижным: из-за своей инертности пружинный маятник, не успевая следовать изменениям внешней силы, будет просто «дрожать на месте».

Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при ν = ν_coб называется резонансом.

График зависимости амплитуды вынужденных колебаний от частоты изменения внешней силы изображен на рисунке 38. Этот график называют резонансной кривой. Максимум этой кривой приходится на частоту ν, равную собственной частоте колебаний ν_соб.

Явление резонанса можно продемонстрировать и с нитяными маятниками. Подвесим на рейке массивный шар 1 и несколько легких маятников, имеющих нити разной длины (рис. 39). Каждый из этих маятников имеет свою собственную частоту колебаний, которую можно определить, зная длину нити и ускорение свободного падения.

Теперь, не трогая легких маятников, выведем шар 1 из положения равновесия и отпустим. Качания массивного шара вызовут периодические изгибания рейки, вследствие которых на каждый из легких маятников начнет действовать периодически изменяющаяся сила упругости. Частота ее изменений будет равна частоте колебаний шара. Под действием этой силы маятники начнут совершать вынужденные колебания. При этом мы увидим, что маятники 2 и 3 останутся почти неподвижными. Маятники 4 и 5 будут колебаться с немного большей амплитудой. А у маятника 6, имеющего такую же длину нити и, следовательно, собственную частоту колебаний, как у шара 1, амплитуда окажется максимальной. Это и есть резонанс.

Резонанс можно наблюдать и с помощью установки, изображенной на рисунке 40. Основание маятника метронома 1 соединяют нитью 3 с нитью маятника 2. Маятник в этом опыте качается с наибольшей амплитудой тогда, когда частота колебаний метронома («дергающего» за нить маятника) совпадает с частотой свободных колебаний этого маятника.

Резонанс возникает из-за того, что внешняя сила, действуя в такт со свободными колебаниями тела, все время совершает положительную работу. За счет этой работы энергия колеблющегося тела увеличивается и амплитуда колебаний возрастает.

Явление резонанса может играть как полезную, так и вредную роль.

Известно, например, что тяжелый язык большого колокола может раскачать даже ребенок, но лишь тогда, когда будет действовать на веревку в такт со свободными колебаниями языка.

На применении резонанса основано действие язычкового частотомера. Этот прибор представляет собой набор укрепленных на общем основании упругих пластин различной длины. Собственная частота каждой пластины известна. При контакте частотомера с колебательной системой, частоту которой нужно определить, с наибольшей амплитудой начинает колебаться та пластина, частота которой совпадает с измеряемой частотой. Заметив, какая пластина вошла в резонанс, мы определим частоту колебаний системы.

С резонансом можно встретиться и тогда, когда это совершенно нежелательно. Так, например, в 1750 г. близ города Анжера во Франции через цепной мост длиной 102 м шел в ногу отряд солдат. Частота их шагов совпала с частотой свободных колебаний моста. Из-за этого размахи колебаний моста резко увеличились (наступил резонанс), и цепи оборвались. Мост обрушился в реку.

В 1830 г. по той же причине обрушился подвесной мост около Манчестера в Англии, когда по нему маршировал военный отряд.

В 1906 г. из-за резонанса разрушился и так называемый Египетский мост в Петербурге, по которому проходил кавалерийский эскадрон.

Теперь для предотвращения подобных случаев войсковым частям при переходе через мост приказывают «сбить ногу» и идти не строевым, а вольным шагом.

Если же через мост переезжает поезд, то, чтобы избежать резонанса, он проходит его либо на медленном ходу, либо, наоборот, на максимальной скорости (чтобы частота ударов колес о стыки рельсов не оказалась равной собственной частоте моста).

Собственной частотой обладает и сам вагон (колеблющийся на своих рессорах). Когда частота ударов его колес на стыках рельсов оказывается ей равной, вагон начинает сильно раскачиваться.

С резонансом можно встретиться не только на суше, но и в море и даже в воздухе. Так, например, при некоторых частотах вращения гребного вала в резонанс входили целые корабли. А на заре развития авиации некоторые авиационные двигатели вызывали столь сильные резонансные колебания частей самолета, что он разваливался в воздухе.

1. Что такое резонанс? При каком условии он возникает? 2. Опишите опыты, в которых можно наблюдать явление резонанса. 3. Какую роль — полезную или вредную — играет резонанс в жизни людей? Приведите примеры.

Резонанс — Резонанс

Теперь посмотрим как зависит амплитуда колебаний от частоты внешней силы. Плавно увеличивая частоту внешней силы, мы заметим, что амплитуда колебаний растет. Она достигает максимума, когда внешняя сила действует в такт со свободными ко­лебаниями шарика.

 

При дальнейшем увеличении частоты амплитуда установившихся колебаний опять уменьшается. Зависимость амплитуды колебаний от частоты изображена на рисунке.

 При очень больших частотах внешней силы амплитуда стремится к нулю, так как тело вследствие своей инертности не успевает заметно смещаться за малые проме­жутки времени и «дрожит на месте».

 

Итак, Резонанс- это резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты

изменения внешней силы, действующей на систему, с частотой свободных колебаний.

Почему возникает резонанс? Объ­яснить это явление можно исходя из энергетических соображений. При резонансе амплитуда вынуж­денных колебаний максимальна из-за того, что создаются наиболее благо­приятные условия для передачи энер­гии от внешнего источника периоди­ческой силы к системе. Внешняя сила при резонансе действует в такт со сво­бодными колебаниями. На протяжении всего периода ее направление совпа­дает с направлением скорости колеб­лющегося тела. Поэтому на протяже­нии всего периода эта сила совершает только положительную работу. При ус­тановившихся   колебаниях   положи­тельная работа внешней силы равна по модулю отрицательной работе силы

сопротивления.

Если частота внешней силы не рав­на собственной частоте w₀ колебаний системы, то внешняя сила лишь в те­чение части периода совершает поло­жительную работу. В течение же другой части периода направление силы про­тивоположно направлению скорости, и работа внешней силы будет отрица­тельной. В целом работа внешней силы за период невелика и соответственно не велика амплитуда установившихся колебаний. Существенное влияние на резонанс оказывает трение в системе. При резонансе положительная работа внешней силы целиком идет на покрытие расхода энергии за счет отрицательной работы силы сопротивления. Поэтому, чем меньше коэффициент трения, тем больше амплитуда установившихся колебаний.

Изменение амплитуды колебаний в зависимости от частоты при различных коэффициентах трения и одной и той же амплитуде внеш­ней силы изображено на рисунке . ( 1- min трение, 3- max трение)

Резонанс в электрической цепи

Начнём с основных определений.

Определение 1

Резонанс — это явление, при котором частота колебаний какой-либо системы увеличивается колебаниями внешней силы.

Вынужденные колебания, источником которых является внешняя сила, увеличивают даже те колебания, амплитуда которых имеет довольно небольшие значения. Максимальный резонанс с наибольшей амплитудой возможен именно при совпадении частот внешнего воздействия и рассматриваемой системы.

Примером резонанса является раскачивание моста ротой солдат. Частота шага солдат, являющаяся по отношению к мосту примером вынужденных колебаний, при этом синхронизирована и может совпасть с собственной частотой колебаний моста. В результате мост может разрушиться.

Электрический резонанс в физике считается одним из распространенных в мире физических явлений, без которого было бы невозможным, например, телевидение и диагностика с помощью медицинских аппаратов.

Одними из наиболее полезных видов резонанса в электрической цепи являются:

• резонанс токов;
• резонанс напряжений.

Возникновение резонанса в электрической цепи

Замечание 1

Возникновению резонанса в электрической цепи способствует резкое увеличение амплитуды стационарных собственных колебаний системы при условии совпадения частоты внешней стороны воздействия и соответствующей колебательной резонансной частоты системы.

Схема $RLC$ представляет электрическую цепь с соединенными последовательным или параллельным образом элементами (резистора, индуктора, конденсатора). Название $RLC$ состоит из простых символов электрических элементов: сопротивления, емкости, индуктивности.

Векторная диаграмма последовательной $RLC$-цепи представлена в одной из трех вариаций:

Готовые работы на аналогичную тему

• емкостной;
• активной;
• индуктивной.

В последней вариации резонанс напряжений возникает при условии нулевого сдвига фаз, и совпадении значений индуктивного и емкостного сопротивлений.

Резонанс напряжений

При последовательном соединении активного элемента $r$, емкостного $С$ и индуктивного $L$ в цепях переменного тока может возникать такое физическое явление, как резонанс напряжений. Колебания источника напряжения в этом случае будут равны по частоте колебаниям контура. При этом известна как полезность (например, в радиотехнике) этого явления, так и негативные последствия (для электрических установок большой мощности), например, при резком скачке напряжения в системах возможно возникновение неисправности или даже пожара.

Резонанс напряжений обычно достигается тремя способами:

• подбором индуктивности катушки;
• подбором емкости конденсатора;
• подбором угловой частоты $w_0$.

При этом все значения емкости, частоты и индуктивности определяются с использованием формул:

$L_0 = \frac{1}{w^2C}$

$C_0 = \frac{1}{w^2L}$

Частота $w_0$ считается резонансной. При условии неизменности в цепи и напряжения, и активного сопротивления $r$, сила тока при резонансе напряжения в ней окажется максимальной и равной:

$\frac{U}{r}$

Это предполагает полную независимость силы тока от реактивного сопротивления цепи. В ситуации, когда реактивные сопротивления $XC = XL$ по своему значению будут превосходить активное сопротивление $r$, на зажимах катушки и конденсатора появится напряжение, существенно превосходящее напряжение на зажимах цепи.

Кратность превышения на зажимах емкостного и индуктивного элемента напряжения по отношению к сети определяется выражением:

$Q = \frac{U_c0}{U}$

Величина $Q$ характеризует резонансные свойства контура, называясь при этом добротностью контура. Также резонансные свойства характеризуются величиной $\frac{1}{Q}$, то есть — затуханием контура.

Резонанс токов через реактивные элементы

Резонанс токов появляется в электроцепях цепях переменного тока при условии параллельного соединения ветвей с разнохарактерными реактивными сопротивлениями. В резонансном режиме токов реактивная индуктивная проводимость цепи будет равнозначной ее собственной реактивной емкостной проводимости, т.е. $BL = BC$.

Колебания контура, частота которых имеет определённое значение, в данном случае совпадают по частоте с источником напряжения.

Простейшей электроцепью, в которой мы наблюдаем резонанс токов, считается цепь с параллельным соединением конденсатора с катушкой индуктивности.

Поскольку сопротивления реактивности равнозначны по модулю, амплитуды токов $I_c$ и $I_u$ будут одинаковыми и смогут достигать максимальной амплитуды. На основании первого закона Кирхгофа $IR$ равен току источника. Ток источника, иными словами, протекает только через резистор. При рассмотрении отдельного параллельного контура $LC$, на резонансной частоте его сопротивление оказывается бесконечно большим: $ZL = ZC$. При установлении гармонического режима с резонансной частотой, в контуре наблюдается обеспечение источником установившейся определенной амплитуды колебаний, а мощность источника тока при этом расходуется исключительно на пополнение потерь в активном сопротивлении.

Таким образом, у последовательной $RLC$ цепи импеданс оказывается минимальным на резонансной частоте и равным активному сопротивлению контура. В то же время, у параллельной $RLC$ цепи импеданс максимальный на резонансной частоте и считается равным сопротивлению утечки, фактически также активному сопротивлению контура. С целью обеспечения условий для резонанса силы тока или напряжения, требуется проверка электрической цепи для предопределения ее комплексного сопротивления или проводимости. Помимо этого, её мнимая часть должна приравниваться к нулю.

Применение явления резонанса

Хороший пример использования резонансного явления представляет электрический резонансный трансформатор, разработанный Николой Тесла ещё в 1891 году. Ученый проводил эксперименты на разных конфигурациях, состоящих в сочетании из двух, а зачастую и трех резонансных электроцепей.

Замечание 2

Термин «катушки Теслы» применяют к высоковольтным резонансным трансформаторам. Устройства используют при получении высокого напряжения, частоты переменного тока. Обычный трансформатор необходим для эффективной передачи энергии с первичной на вторичную обмотку, резонансный используется для временного хранения электроэнергии.

Устройство отвечает за управление воздушным сердечником настроенного резонансно трансформатора с целью получения высоких напряжений при малых значениях силы токов. Каждая обмотка обладает емкостью и функционирует в качестве резонансного контура. Для произведения наибольшего выходного напряжения первичный и вторичный контуры настраивают в резонанс друг с другом.

понятное объяснение, примеры, польза и вред

 

Слышали ли вы о том, что отряд солдат, переходя мост, должен перестать маршировать? Солдаты, идущие до этого в ногу, перестают это делать и начинают идти свободным шагом.

Такой приказ отдается командирами вовсе не с целью дать солдатам возможность полюбоваться местными красотами. Это делается для того, чтобы солдаты не разрушили мост. Какая тут связь? Очень простая. Чтобы это понять, надо ознакомиться с явлением резонанса.

Что такое явление резонанса: частота колебаний

Чтобы проще понять, что такое резонанс, вспомните такую нехитрую и приятную забаву, как катание на подвесных качелях. Один человек сидит на них, а второй раскачивает.

И прикладывая совсем небольшие силы, даже ребенок может очень сильно раскачать взрослого. Как он этого добивается? Частота его раскачиваний совпадает с частотой качающегося, возникает резонанс, и амплитуда раскачиваний сильно возрастает. Как-то так. Но обо всем по порядку.

Частота колебаний это количество колебаний за одну секунду. Измеряется она при этом не в разах, а в герцах (1 Гц). То есть, частота колебаний в 50 герц означает, что тело совершает 50 колебаний в секунду. 

В случае вынужденных колебаний всегда есть самоколеблющееся (или в нашем случае качающееся) тело и вынуждающая сила. Так вот эта сторонняя сила действует с определенной частотой на тело.

И если его частота будет сильно отличаться от частоты колебаний самого тела, то сторонняя сила будет слабо помогать телу колебаться или, говоря научно, слабо усиливать его колебания.

Например, если пытаться раскачать человека на качелях, толкая его в момент, когда он летит на вас, вы можете отбить себе руки, скинуть человека, но вряд ли сильно его раскачаете.

А вот если раскачивать его, толкая в направлении движения, то нужно совсем немного усилий, чтобы добиться результата. Вот это и есть совпадение частоты или резонанс колебаний. При этом сильно возрастает их амплитуда.

Примеры резонансных колебаний: польза и вред

Так же и при катании на другом варианте качелей в виде доски на подставке проще и эффективнее отталкиваться ногами от земли, когда ваша сторона качелей уже поднимается, а не когда она опускается.

По этой же причине застрявшую в ямке машину постепенно раскачивают и толкают вперед в моменты, когда она сама двигается вперед. Так значительно повышают ее инерцию, усиливая амплитуду колебаний.

Можно приводить множество подобных примеров, которые говорят о том, что мы на практике очень часто применяем явление резонанса, только делаем мы это интуитивно, не догадываясь, что применяем правила физики.

Выше говорилось о полезности явления резонанса. Однако, резонанс может и вредить. Иногда возникающее увеличение амплитуды колебаний может быть очень вредным. В частности, мы говорили о роте солдат на мосту.

Так вот были несколько случаев в истории, когда под шагами солдат реально разрушались и падали в воду мосты. Последний из них произошел около ста лет назад в Петербурге. В таких случаях частота ударов солдатских сапог совпадала с частотой колебаний моста, и мост рушился.

Именно поэтому, на основе горького опыта, было введено правило для солдат сбрасывать шаг, заходя на мост.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Превращения энергии при колебаниях: затухающие и вынужденные колебания
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspРаспространение колебаний в среде и волны: продольные и поперечные

осцилляторов — интуитивно понятно, что на самом деле является причиной резонанса?

Для интуиции мне проще начать с обычного маятника. Представьте себе стальной шар на свисающей веревке. Если вы толкнете его, он начнет раскачиваться вперед и назад.

Теперь, если вы, пока маятник качается, еще раз толкните его в том же направлении, будет иметь значение, где он находится, когда вы его толкаете. Если он движется в противоположном направлении, в котором вы его толкаете (скажем, вы толкаете его слева направо, тогда это будет означать толкание, когда маятник движется справа налево), вы замедляете маятник вниз.Однако, если вы нажмете его, когда он уже движется в этом направлении (так, толкайте его слева направо, когда он уже движется слева направо), он ускорится.

Теперь предположим, что вы нажимаете его периодически, то есть через равные промежутки времени. Если вы просто выберете случайный интервал для толкания маятника, вы будете иногда толкать его, чтобы заставить его двигаться быстрее, а иногда и замедлять его. В зависимости от точной частоты, с которой вы его нажимаете, это в основном отменяется.

Однако, если вы нажимаете его всегда , когда он идет слева направо, он будет ускоряться каждый раз, когда вы его нажимаете.Но для того, чтобы толкать его в один и тот же момент своего периода, частота, с которой вы его толкаете, должна соответствовать частоте, на которой маятник движется в любом случае. Удобно, что эта частота не зависит от амплитуды (т.е. насколько высоко качается маятник) и зависит только от свойств самой системы. ¹ Это называется собственной частотой или резонансной частотой системы (между этими терминами есть нюансы, которые не имеют значения в данном контексте). Таким образом, нажатие на эту частоту приведет к резонансу, и (без затухания) маятник будет качаться все выше и выше (его амплитуда станет произвольно большой).

То же самое верно и для более крупных и сложных систем, хотя они обычно имеют несколько резонансных частот.

---

_{1. Это верно только для гармонических осцилляторов, то есть систем, в которых возвращающая сила пропорциональна смещению; для подвешенного маятника это верно только для малых углов, но для простоты мы проигнорируем это в контексте этого ответа.}

Как диагностировать и предотвратить резонанс

7 июня 2016 г.

Автор: Грант Слингер — инженер-механик II

В качестве консультантов по вибрации в Pioneer Engineering нас часто вызывают для исследования оборудования, которое демонстрирует чрезмерную вибрацию.Часто предполагается, что простая балансировка ротора решит проблему вибрации. Однако при дальнейшем исследовании нередко обнаруживается, что структурный резонанс является основной причиной чрезмерной вибрации, а балансировка не является жизнеспособным или долгосрочным решением проблемы. Это особенно часто встречается в оборудовании с регулируемой скоростью или оборудовании, скорость движения которого недавно изменилась. Но что такое резонанс и как правильно диагностировать и устранять проблему?

Что такое резонанс?

Есть два типа вибрации, которые необходимо учитывать при исследовании проблемы потенциального резонанса; вынужденная вибрация и свободная вибрация.Вынужденная вибрация возникает, когда объект вынужден вибрировать с определенной частотой под действием колебательного входа или силы (например, силы дисбаланса). Свободная вибрация возникает, когда объекту придают начальное смещение, а затем позволяют «звенеть» без внешней силы, которая удерживает его в движении. Частота, на которой естественно возникает эта свободная вибрация, известна как собственная частота. Если объект заставляют вибрировать на своей собственной частоте, возникает резонанс. Это то, что вызывает большие амплитуды вибрации, когда скорость движения машины равна или близка к собственной частоте, даже если входные силы низкие.

Как определить резонанс

Можно выполнить несколько различных полевых испытаний, чтобы убедиться, что резонанс действительно является причиной чрезмерной вибрации в системе. Двумя наиболее распространенными испытаниями являются испытание на удар в модальном режиме и сбор данных при запуске или выбеге.

Анализ пуска и останова

Данные о вибрации, собранные во время запуска или выключения машины, предоставляют обширную информацию, недоступную для данных в установившемся режиме. Что наиболее важно, он дает возможность сравнивать амплитуду и фазу вибрации во всем диапазоне рабочих скоростей.Различные источники вибрации по-разному ведут себя при изменении скорости. Например, дисбаланс обычно вызывает амплитуду колебаний, которая экспоненциально возрастает с увеличением скорости. Несоосность обычно вызывает вибрацию, линейно возрастающую с увеличением скорости. Однако резонанс характеризуется большим увеличением вибрации на резонансной частоте, но, как правило, более низкими амплитудами на всех других скоростях. На приведенном ниже каскадном графике показан пример типичной вибрации, проявляющейся во время запуска машины с собственной частотой конструкции в ее рабочем диапазоне скоростей.

Испытание на ударную вязкость

Часто известный как испытание на удар или модальный анализ, это метод, который позволяет нам экспериментально определять собственные частоты, формы колебаний и демпфирование испытательной конструкции. Если какая-либо из рассчитанных собственных частот находится в пределах или около диапазона рабочих скоростей машины, существует вероятность возникновения резонансного состояния. Обычно полевые модальные испытания проводят с откалиброванным модальным ударным молотком. Молоток содержит датчик нагрузки в наконечнике, который обеспечивает прямое измерение силы удара, приложенной к системе.Акселерометры размещены по всей испытательной конструкции, чтобы измерить отклик системы на удар молота. Спектр этого сигнала вызова может быть использован для определения собственных частот системы. Этот тест обычно выполняется при выключенной машине, однако расширенная обработка сигналов также может использоваться для усреднения вибрации в условиях работы и определения только свободной вибрации.

Как избежать резонанса

Как мы видели, резонанс возникает, когда собственная частота системы совпадает с ожидаемыми частотами вынужденной вибрации (например, дисбаланса), что может привести к серьезным уровням вибрации.Если установлено, что резонанс на самом деле является причиной чрезмерной вибрации, что можно сделать, чтобы остановить или минимизировать эффект резонансного состояния?

Собственная частота системы зависит от двух основных факторов; жесткость и масса. Если собственная частота равна w, w = sqrt (k / m).

Где k — жесткость, а m — масса. Следовательно, чтобы изменить собственную частоту, нам нужно изменить либо k, либо m, либо и то, и другое. Обычно цель состоит в том, чтобы увеличить собственную частоту так, чтобы она была выше любых ожидаемых частот вибрации.Если собственная частота выше или значительно дальше от ожидаемых частот вибрации, резонанс, скорее всего, не будет возбужден. Эта теория лежит в основе любых структурных изменений, проводимых во избежание резонанса.

На практике следующие правила могут использоваться для сдвига собственной частоты и минимизации вибрационной характеристики системы;

1. Добавление жесткости увеличивает собственную частоту
2. Добавление массы уменьшает собственную частоту
3. Увеличение демпфирования снижает пиковый отклик, но расширяет диапазон отклика
4. Уменьшение демпфирования увеличивает пиковый отклик, но сужает диапазон отклика
5. Уменьшение амплитуды воздействия снижает резонансный отклик

Если изменение собственной частоты признано лучшим решением, важно полностью охарактеризовать систему, прежде чем предпринимать какие-либо изменения конструкции.Недавно мы провели анализ вибрации при запуске небольшого здания, примыкающего к энергетической турбине, работающей на природном газе мощностью 200 МВт. При запуске было отмечено значительное увеличение вибрации в здании, когда турбина вышла из диапазона 700 об / мин. Модальные испытания здания на удар показали, что собственная частота находится на той же частоте 700 циклов в минуту, что подтверждает наличие резонансного состояния. Можно легко предположить, что простое добавление жесткости опорной конструкции здания уменьшит амплитуду вибрации.Однако было известно, что первый вал, критичный для ротора, имел скорость около 1500 циклов в минуту. Если к конструкции вслепую добавить жесткость, она может легко сместить собственную частоту в диапазон 1500 циклов в минуту, что значительно усугубит вибрацию. В этом случае может быть лучше добавить к системе массу и сместить собственную частоту вниз до частоты, при которой силы ниже.

В Pioneer Engineering мы рекомендуем использовать проверенную модель анализа методом конечных элементов (FEA) для определения оптимальных изменений конструкции, чтобы исправить и избежать резонансных условий.Это позволяет нам сначала протестировать различные возможные изменения конструкции в компьютерном моделировании, прежде чем рекомендовать какие-либо структурные изменения. Просмотрите канал Pioneer для следующей статьи, озаглавленной «Важность проверки моделей FEA», чтобы получить дополнительную информацию о том, как Pioneer Engineering проверяет и тестирует структурные изменения, чтобы избежать резонанса.

Pioneer Engineering имеет обширный опыт проведения модального анализа для диагностики проблем резонанса, а также создания теоретических компьютерных моделей FEA для рекомендации проверенных структурных изменений.Для получения дополнительной информации о том, как модальный анализ и FEA могут быть реализованы на вашем предприятии, свяжитесь с нами по телефону 970-266-9005 или здесь.

Резонансных форм — Chemistry LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. Введение
   1. Общие примеры
   2. Рисование форм резонанса
   3. Полезные советы
2. Внешние ссылки
3. Ссылки
4. Проблемы

Резонансная форма — это еще один способ рисования точечной структуры Льюиса для данного соединения.Эквивалентные структуры Льюиса называются резонансными формами. Они используются, когда есть более одного способа разместить двойные связи и неподеленные пары на атомах. Резонансные структуры возникают, когда существует более одного способа нарисовать точечную диаграмму Льюиса, удовлетворяющую правилу октетов . Помните, что правило октетов заключается в том, что атом получает, теряет или делится электронами, так что внешняя электронная оболочка имеет восемь электронов. Мы рисуем их, когда одна конструкция неточно отображает реальную структуру.

Введение

Есть несколько основных принципов теории резонанса.Структуры первого резонанса не реальны, они просто показывают возможные структуры соединения. Резонансные структуры не находятся в равновесии друг с другом. Резонансные структуры не являются изомерами. Изомеры имеют разное расположение атомов и электронов. Формы резонанса отличаются только расположением электронов.

Резонансные структуры лучше отражают точечную структуру Льюиса, потому что они ясно показывают связь в молекулах. Не все резонансные структуры одинаковы, некоторые из них лучше других.Лучшие из них имеют минимальные формальные заряды, отрицательные формальные заряды являются наиболее электроотрицательными атомами, а связь в структуре максимальна. Чем больше резонансных форм имеет молекула, тем она стабильнее. Они нарисованы с двухсторонней стрелкой между ними, чтобы показать, что реальная структура находится где-то между резонансными структурами. В этих структурах использовались изогнутые стрелки, чтобы показать движение электронов в одной резонансной форме к другой.

Формальные заряды используются в химии для определения местоположения заряда в молекуле и определения того, насколько хорошей будет структура Льюиса.Помните, что лучшая резонансная структура — это структура с наименьшим формальным зарядом. Вот почему официальные обвинения очень важны. Атомы, у которых отсутствует один или несколько электронов, будут иметь положительный заряд. Атом с большим количеством электронов будет иметь отрицательный заряд. Присвоение атому формальных зарядов очень полезно в резонансных формах.

Формальный заряд рассчитывается с использованием этого формата:

# валентных электронов- (# несвязывающие электроны + 1/2 # связывающие электроны)

Изогнутая стрелка используется для отображения размещения электронов между атомами.Конец стрелки начинается у источника электронов, а острие указывает туда, где будет электрон. Убедитесь, что стрелки четкие, включая одинарную и половинную стрелку. Читатель должен знать поток электронов.

Общие примеры

Бензол обычно встречается в органической химии и имеет резонансную форму. Бензол имеет две резонансные структуры, показывающие размещение облигаций.

Другой пример резонанса — озон. Озон представлен двумя разными структурами Льюиса.Разница между двумя структурами заключается в расположении двойной связи.

Рисование резонансных форм

Есть несколько вещей, которые следует проверить до и после рисования резонансных форм. Сначала узнайте, где находятся несвязывающие электроны, отслеживайте формальные заряды на атомах и не разрывайте сигма-связи. Наконец, после рисования резонансной формы убедитесь, что все атомы имеют восемь электронов на внешней оболочке. Их проверка упростит рисование резонансных форм.

При рисовании резонансной структуры необходимо соблюдать три правила, чтобы структура была правильной:

1. Движутся только электроны, а ядра атомов никогда не движутся.
2. Только электроны, которые могут двигаться, — это пи-электроны, одиночные неспаренные электроны и неподеленные парные электроны.
3. Общее количество электронов в молекуле не меняется, равно как и количество спаренных и неспаренных электронов.

Подходы к перемещению электронов заключаются в перемещении пи-электронов к положительному заряду или к другой пи-связи.Переместите одиночный несвязывающий электрон к пи-связи. Переместите электроны неподеленной пары к пи-связи, и когда электроны могут двигаться более чем в одном направлении, переместите их к более электроотрицательному атому.

Полезные советы

1. Две резонансные структуры различаются расположением кратных связей и несвязывающего электрона. Размещение атомов и одинарных связей всегда остается неизменным.
2. Они должны иметь смысл и соглашаться с правилами. Водороды должны иметь два электрона, а элементы во втором ряду не могут иметь более 8 электронов.Если это так, то резонансная структура недействительна. Всегда смотрите на расположение стрелок, чтобы убедиться, что они совпадают.
3. Электроны движутся к sp ² гибридизированному атому. Гибридизированный атом sp ² представляет собой либо углерод с двойной связью, либо углерод с положительным зарядом, либо неспаренный электрон. Электроны не движутся к гибридизированному углероду sp ³ , потому что для электронов нет места.

После построения резонансных структур проверьте чистый заряд всех структур.Например, если структура имеет чистый заряд +1, то все остальные структуры также должны иметь чистый заряд +1. В противном случае структура неправильная. Всегда проверяйте чистую плату после каждой постройки. Эти важные детали могут обеспечить успех в рисовании любой резонансной структуры.

Ссылки

1. Макмерри, Джон М. Органическая химия Биологический подход . N.p .: Thomson, 2007.

Problems

1)

2)

Заполните все неподеленные пары электронов и идентифицируйте любые электроны пи-связи.

3)
Заполните все неподеленные пары электронов и идентифицируйте любые электроны пи-связи.

4)

5)

9 повседневных примеров резонанса — StudiousGuy

Вы когда-нибудь задумывались, как радио выбирает определенные частоты, чтобы вы могли включить ваш любимый канал, или почему на концерте оркестра разбивается стекло? Вы когда-нибудь чувствовали, что мост вибрирует, когда вы идете по нему? Как вы думаете, почему вы попадаете в такие ситуации? Ответ кроется в явлении резонанса.

Резонанс — это явление, при котором внешняя сила и вибрирующая система заставляют другую систему вокруг себя вибрировать с большей амплитудой при определенной рабочей частоте. Частота, при которой второе тело начинает колебаться или вибрировать с большей амплитудой, называется резонансной частотой тела.

Давайте посмотрим на примеры резонанса, которые встречаются в нашей повседневной жизни.

1. Качели

Детские качели — один из хорошо известных примеров резонанса.Когда мы толкаем качели, они начинают двигаться вперед и назад. Если дать качелям серию регулярных толчков, можно построить их движение. Человек, который толкает тетиву, должен синхронизировать время взмаха. Толкатель должен синхронизироваться с временем качания. Это приводит к увеличению амплитуды качания, чтобы достичь большего. Когда качели достигают собственной частоты колебаний, легкое нажатие на качели помогает сохранить его амплитуду из-за резонанса.Мы называем это синхронизированное движение «Резонансом». Но, если толчок нерегулярный, качели почти не будут вибрировать, и это несинхронизированное движение никогда не приведет к резонансу, и колебание не будет увеличиваться.

2. Гитара

Гитара производит звук исключительно за счет вибрации. В акустической гитаре, когда вы дергаете струну, она вибрирует и передает звуковую энергию в полый деревянный корпус гитары, заставляя ее (и воздух внутри) резонировать и усиливая звук (делая его значительно громче).

В то время как в электрогитаре, когда музыкант ударяет по струне, она колеблется, и электромагнитное устройство в гитаре превращает это колебание в электрический сигнал, который отправляется на усилитель. Усилитель посылает колебания на динамик. Если частота динамиков соответствует вибрации гитары, это приводит к звуку, который называется звуковой обратной связью.

3. Маятник

Маятник работает по тому же принципу, что и качели.Если мы толкаем маятник, он будет двигаться вперед и назад. Продолжительное нажатие через равные промежутки времени вызовет увеличение движения маятника. Если маятник регулярно толкают, его движение может быть значительно увеличено.

4. Певица разбивает бокал для вина

Вы когда-нибудь видели или слышали о разбивании бокала в оркестре? Если да, то это все из-за явления резонанса. Собственная частота стекла или любого другого предмета определяется его формой и составом.Если голос певца попадает на резонансную частоту бокала с вином, происходит передача энергии. Однако полная передача энергии может вызвать разбитие стекла.

5. Мост

Группу солдат во время марша по мосту очень часто просят ломать ступеньки. Их ритмичный марш может вызвать экстремальные вибрации на собственной частоте моста. Если их синхронизированные шаги резонируют с собственной частотой моста, это может расшатать мост.Таким образом, при проектировании таких конструкций инженеры следят за тем, чтобы резонансные частоты компонентов отличались от резонансных частот других колеблющихся компонентов. Самым большим примером того же является Tacoma Bridge Collapse , в котором частота воздушного потока совпадала с частотой моста, что приводило к его разрушению.

6. Музыкальная система, играющая в высоком тяжелом ритме

Вы когда-нибудь замечали, что стены и мебель вашего дома вибрируют, когда вы играете музыку в тяжелом ритме? Это связано с тем, что собственная частота мебели резонирует с частотой звука музыки и, следовательно, заставляет их вибрировать.

7. Поет в душе

Люди, которые не очень хорошо поют, звучат намного лучше во время пения в душе, потому что излучаемые чистые ноты резонируют в душевой кабине. Санузел закрытый и иногда небольшой; когда вы поете, звуковые волны чаще ударяют о стены, заставляя стену вибрировать, поскольку стены параллельны друг другу. Отраженные звуки ударяются друг о друга, заставляя стену вибрировать с вашей собственной частотой, и передается более громкий звук.

8. Радио

Когда мы поворачиваем ручку радио на наш любимый канал, мы меняем собственную частоту приемника. Тогда собственная частота приемника совпадает с частотой передачи радиостанции. Когда две частоты совпадают, происходит передача энергии, и мы слушаем выбранный канал.

9. Микроволновая печь

Пища быстро нагревается в микроволновой печи из-за резонанса.Излучение, испускаемое микроволновой печью, имеет определенную длину волны и частоту. И, как и все другие объекты, молекулы воды и жира также имеют резонансную частоту. На определенной частоте молекулы поглощают длины волн и начинают вибрировать, вызывая приготовление и нагрев пищи.

Резонанс и его влияние на механические конструкции

Понимание резонанса необходимо для решения проблем повышенной вибрации.

Резонанс — это состояние, которое может возникать в механических конструкциях и может быть описано как чувствительность к определенной частоте вибрации.Резонанс возникает, когда собственная частота равна или близка к частоте нагнетания, такой как скорость ротора. Для машин, таких как насосы, турбины и электродвигатели, резонанс может усилить небольшие вибрационные силы, возникающие при работе машины, что может привести к серьезным уровням вибрации. Такие проблемы часто возникают после того, как было реализовано изменение скорости, например, при модернизации машины с регулируемым приводом (ASD) или при эксплуатации двигателя с частотой 50 Гц и мощностью 60 Гц.

Решение этих проблем часто зависит от различия между структурным резонансом и критической скоростью ротора.Структурный резонанс относится к чрезмерным колебаниям невращающихся компонентов, обычно компонентов машин или опорных конструкций. Критическая скорость ротора относится к состоянию, при котором скорость вращающегося элемента машины соответствует собственной частоте ротора.

Структурный резонанс или критическая скорость ротора?

Структурный резонанс является более распространенным резонансным состоянием из-за сложной конструкции корпуса и опорных элементов.Чаще всего конструкция, поддерживающая машину или невращающийся компонент машины, резонирует с частотой вращения машины или близкой к ней. Даже незначительные вибрационные силы из-за остаточного дисбаланса и смещения машины могут вызвать резонансную базовую конструкцию, что приведет к сильной вибрации. Хорошим примером структурного резонанса является вибрация частоты язычка, которая часто возникает в вертикальных турбинных насосах, у которых двигатель установлен на верхней части нагнетательного патрубка. Компоненты машины также могут быть резонансными.Существует множество примеров двухполюсных электродвигателей, у которых резонансный концевой кронштейн вызывал очень высокую осевую вибрацию при 1 или 2 об / мин.

Критическая частота вращения ротора существует, когда резонансной составляющей является вращающийся элемент машины. Это типично для центробежных насосов; газовые и паровые турбины; и большие двухполюсные электродвигатели. Хотя результат аналогичен структурному резонансу (высокая вибрация при достижении определенной рабочей скорости), критическая скорость ротора является более сложным явлением из-за компонентов, чувствительных к скорости, таких как подшипники.Когда рабочая скорость достигает резонансной частоты вращающегося элемента, вращающийся элемент искажается, и силы вибрации значительно возрастают.

Важно правильно различать структурный резонанс и критическую скорость ротора. Термин «критическая скорость» (без слова «ротор») несколько неоднозначен. Технически критическая скорость может быть либо структурным резонансом, либо критической скоростью ротора. Для ясности лучше избегать использования этого термина.Во избежание путаницы к обоим условиям можно применить простой термин «резонанс».

Характеристики резонанса

Как описано выше, наиболее заметной характеристикой резонанса является повышенная вибрация при достижении определенной рабочей скорости. Кроме того, когда рабочая скорость превышает резонансную частоту, амплитуда вибрации несколько уменьшается. График Боде на Рисунке 1 показывает зависимость рабочей скорости от амплитуды.Для иллюстрации предположим, что возбуждающая сила — это остаточный дисбаланс ротора при скорости вращения.

Формула для расчета собственной частоты:

Где «K» — жесткость резонансной конструкции или компонента, а «W» — вес (масса). Обратите внимание, что в основе этой формулы:

Следовательно, повышенная жесткость увеличивает собственную частоту, а увеличенная масса понижает ее.Это логично, поскольку жесткость создает силу, которая всегда направлена ​​против движения, в то время как масса имеет инерцию, которая является силой, всегда направленной вместе с движением. Резонанс — это то, что происходит, когда эти две противодействующие силы равны. Они нейтрализуют друг друга, увеличивая вибрацию.

Рис. 1. График резонанса Боде

Фактор демпфирования

Третья сила, демпфирование, действует во всем диапазоне скоростей.Демпфирование поглощает энергию вибрации, превращая ее в тепло. При этом демпфирование снижает максимальную амплитуду колебаний при резонансе и увеличивает ширину зоны усиления (см. Рисунок 2). Распространенный пример демпфирования — амортизаторы автомобиля. Машины с подшипниками скольжения могут иметь значительное демпфирование, которое может даже маскировать критические скорости. На машинных основаниях бетон и цементный раствор значительно усиливают демпфирование базовой конструкции. Эти силы (жесткость, масса и демпфирование) определяют характеристики резонанса и важны для различия между структурным резонансом и критическими скоростями ротора.

Рис. 2. Влияние демпфирования на резонанс

При структурном резонансе машина работает на частоте, близкой к резонансной. Это наиболее заметно при низком демпфировании, поскольку возникает большая амплитуда вибрации. Два жестких режима можно описать как подпрыгивание и раскачивание. Решения включают изменение резонансной частоты, чтобы отодвинуть ее от рабочей скорости, путем изменения жесткости или массы и увеличения демпфирования для непосредственного уменьшения амплитуды.(Различные методы реализации этих корректирующих мер являются темами для другой статьи. Цель этой статьи — сравнение критических скоростей ротора.)

С критической частотой вращения ротора проблема в другом. Во-первых, жесткость, массу и демпфирование роторов, установленных на подшипниках качения, практически невозможно эффективно изменить, а демпфирование обычно очень низкое. (Примечание. Собственные частоты установленного ротора в машинах с большими подшипниками скольжения обычно можно до некоторой степени изменить, изменив динамику подшипника.Во-вторых, ни один ротор никогда не проектировался специально для работы с критической скоростью, близкой к его рабочей. Проблема в этом случае не в том, что рабочая скорость близка к резонансной, а в том, что при критической скорости ротора он деформируется и нелинейные эффекты вызывают чрезмерную вибрацию. В этот момент он становится гибким ротором, а не жестким ротором.

Жесткий ротор работает со скоростью ниже критической скорости первого ротора и может иметь многочисленные силы дисбаланса, распределенные вдоль его оси.Сумму этих сил дисбаланса можно скорректировать в любых двух плоскостях с помощью обычных двухплоскостных методов динамической балансировки. В этих жестких режимах ротор может немного сгибаться, но движения подшипников точно отражают состояние дисбаланса. Однако, как только ротор становится гибким, выше критической скорости первого ротора, распределение сил дисбаланса будет искажать ротор, вызывая состояние дисбаланса, которого не было в жестких режимах. Этот дисбаланс гибкого режима вызывает повышенную вибрацию, которая сохраняется на более высоких скоростях.

При структурном резонансе сила постоянна, в то время как колебательный отклик конструкции изменяется со скоростью. При критической скорости ротора сила изменяется по мере того, как ротор деформируется, чтобы соответствовать силам дисбаланса, распределенным вдоль оси ротора. Решением проблемы критической скорости ротора является устранение неуравновешенных сил в плоскостях вдоль оси ротора. Обычно невозможно определить, где действуют силы дисбаланса с ротором в жестком режиме, поэтому ротор должен работать со скоростью выше критической скорости ротора (в гибком режиме), чтобы обнаружить эффекты дисбаланса.

Режимы гибки

По мере увеличения скорости ротора он будет проходить через ряд режимов изгиба: первый режим изгиба, второй режим изгиба, третий режим изгиба и так далее (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Примеры серии режимов гибки

Роторы многоступенчатых насосов, газовых и паровых турбин могут работать выше критической скорости первого или второго ротора, а генераторы иногда работают выше критической скорости третьего ротора.

Роторы больших двухполюсных электродвигателей обычно могут работать выше критической скорости первого ротора, но редко выше второй. Роторы, которые предназначены для такой гибкой работы ротора, имеют положения для дополнительных плоскостей балансировки для выполнения процедур динамической балансировки, которые устраняют остаточные силы дисбаланса, вызывающие деформацию гибкого ротора.

Эти процедуры динамической балансировки могут потребовать, чтобы ротор вращался с рабочей скоростью, что может быть безопасно выполнено только с помощью специально разработанных балансировочных машин в прядильной яме.В качестве альтернативы отдельные компоненты гибких роторов, такие как рабочие колеса, можно сбалансировать перед сборкой.

Понимание разницы между структурным резонансом и критическими скоростями ротора поможет прояснить обсуждение для обслуживающего и обслуживающего персонала, особенно когда речь идет о многоступенчатых насосах, турбинах или больших двухполюсных двигателях.

Собственная частота: хорошее, плохое и катастрофическое

Крошащиеся мосты, разбитое стекло, кричащие дети, тяжелые басы — тот, кто считает, что у этих вещей нет ничего общего, ошибается.Все они создаются посредством вибраций, и, в частности, сильные колебания создаются собственными частотами. Читайте дальше, пока мы объясним науку, лежащую в основе этого принципа, и что такое резонансные катастрофы, а также рассмотрим игру резонанса крена, когда дело доходит до громкоговорителей.

Все вибрирует, но как?

Вибрация наушников всегда является реакцией на импульс энергии. Рука может запустить маятник в движение, ветер может раскачать небоскреб, а катушка с помощью магнита может сдвинуть мембрану громкоговорителя.Насколько сильно что-то вибрирует, зависит от приложенной мощности вибрации, а также от материала, включая конструкцию колебательной системы. С другой стороны, большое значение имеет частота, с которой действуют импульсы энергии. Ведь если частота подаваемой энергии совпадает с собственной частотой тела, тело вибрирует с особенно высокой амплитудой.

Как выглядит явление резонансной частоты на практике, можно понять с помощью маятника: если пружинный маятник является периодическим изданием, т.е.е. через равные промежутки времени, снабженный энергией, которая соответствует собственной частоте маятника, его отклонение является максимальным. Если импульсы энергии имеют более низкую или более высокую частоту, чем собственная частота, отклонение маятника будет меньше.

На качелях вы можете попробовать на себе, как работает резонансная частота. Когда вы ударяете качелями в наивысшую точку, подача энергии точно соответствует собственной частоте системы.Вот почему качели имеют такой большой импульс качания. Если вы ударите до или после того, как замах достигнет своей наивысшей точки, сила передается менее эффективно или даже никуда не денется.

От хороших к плохим колебаниям

Корпус акустической гитары, качелей, стекла или моста может вибрировать с соответствующей резонансной частотой. Но это не везде желательно и даже может нанести большой ущерб. Это связано с тем, что системы могут так сильно вибрировать, что конструкция не может выдержать нагрузку.

Это явление можно наблюдать, когда человек направляет голос на бокал с вином с небольшого расстояния. Если высота голоса в точности соответствует собственной частоте стекла, оно через относительно короткое время разбивается — происходит так называемая резонансная катастрофа. Если голосовые связки заставляют молекулы воздуха колебаться с большей или меньшей частотой, стекло остается неповрежденным. Собственную частоту стекла можно услышать, когда вы ударите его каким-либо предметом.

Одна из самых известных резонансных катастроф произошла в США в 1940 году, когда из-за ветра мост Tacoma Narrows Bridge так сильно затрясся, что он рухнул.

Во избежание резонансных катастроф дорожный кодекс запрещает группам людей, например, воинским частям, шагать по мостам.

С другой стороны, для музыкальных инструментов резонанс — это преднамеренный эффект для увеличения громкости звука. В акустической гитаре корпус действует как механический усилитель звуковых волн, которые запускаются струнами. Корпус гитары устроен таким образом, что резонансная частота возникает даже на разных тонах.

Громкоговорители Teufel

Резонансные эффекты в громкоговорителях нежелательны — за одним исключением

Резонансная частота в громкоговорителях не приветствуется. Громкоговорители сконструированы таким образом, что различные компоненты не вибрируют на своей резонансной частоте. Это означало бы, что звуки в том же частотном диапазоне, что и отдельные компоненты, будут воспроизводиться намного громче, чем другие. Именно здесь вступает в игру кроссоверная сеть: в многоканальных системах она направляет сигналы на динамики в соответствии с их частотой.

Резонансные эффекты также не должны возникать в корпусе громкоговорителя. Это может произойти, когда мембрана на задней стороне излучает звук внутрь громкоговорителя. Этот звук может вызвать вибрацию корпуса и, таким образом, негативно повлиять на звуковой образ. Чтобы предотвратить это, корпус громкоговорителя снабжен демпфером, который поглощает звуковые волны, излучаемые внутрь.

Исключением из этого правила являются фазоинверторные колонки. Эти шкафы имеют трубчатое отверстие, через которое излучаемый внутрь звук на определенных низких частотах может выходить в комнату.Это работает по принципу резонатора Гельмгольца, который мы объяснили в нашем тексте о сабвуферах.

Нам нужны басы: бас Teufel для более глубоких вибраций

Der Subwoofer der Kombo 42 BT Power Edition verleiht den Regallautsprechern ordentlich Wumms

• ▶ Моно-сабвуфер US 2106/1 SW: Этот удобный для новичков сабвуфер предлагает мощные басы, не нарушая шума потока, несмотря на свой компактный размер. Это достигается с помощью двух ламп фазоинвертора.
• ▶ Ultima 40/20 “2.0> 5.1 Extension Set Surround »: акустические системы Ultima 40/20 HiFi — настоящая дьявольская классика для дома. С помощью этого набора вы можете расширить свою стереосистему до объемного звука 5.1. Сабвуфер T 10 обеспечивает хороший резонанс в диапазоне низких частот.

Другие товары от Teufel

Вывод: резонансная частота полезна

• На резонансной частоте собственная частота колебательной системы совпадает с частотой подводимой энергии.
• В случае резонанса отклонение колебаний увеличивается.
• В акустике более высокая амплитуда звуковых волн означает более высокое звуковое давление и, следовательно, большую громкость.
• Резонансные частоты обычно нежелательны для громкоговорителей.
• Громкоговорители с фазоинвертором являются исключением. Они усиливают низкие частоты по принципу резонатора Гельмгольца.

Наконец, классика «Багз Банни» на эту тему:

Smithsonian — Resonance

В физике термин «резонанс» относится к естественной тенденции многих объектов вибрировать на одних частотах сильнее, чем на других.Частоты, на которых это происходит, называются резонансными частотами объекта. В акустике широко используется особый вид резонанса, называемый воздушный резонанс . Это происходит, когда воздух в контейнере начинает вибрировать и издавать звук. Примером этого является звук, издаваемый, когда вы дуете через горлышко пустой бутылки. Когда воздух в вашем дыхании ударяется о край отверстия бутылки, он создает волны давления в бутылке, которые, в свою очередь, заставляют воздух внутри вибрировать быстро и в унисон.Эта быстро колеблющаяся масса воздуха и издает звук. Форма и размер контейнера — вот что определяет его частоту. Более сильный или мягкий дует влияет только на его громкость. В 1850-х годах немецкий ученый Герман Гельмгольц использовал этот принцип для создания нового мощного научного инструмента — акустического «резонатора». Он по-прежнему включал движущуюся массу воздуха, но вместо , производящего звук, этот инструмент использовался для обнаружения звука. Гельмгольц смог сконструировать сосуды, которые реагировали бы только на определенную частоту звука и значительно усиливали этот звук, когда он присутствовал.Резонаторы также могли увеличивать интервал на , когда звучал тон, что в эпоху отсутствия микрофонов и динамиков было важным достижением.

Резонаторы Гельмгольца

Набор из 16 резонаторов Гельмгольца. Изготовленные из кусочков латуни, которые были скручены на токарном станке, они удивительно легкие и удобные в обращении. Гельмгольц разработал их, чтобы продемонстрировать свою теорию о том, что все гласные и музыкальные звуки состоят из комбинаций простых чистых нот («Теория тембра» Гельмгольца).Он правильно заметил, что музыкальные звуки, особенно высокие, часто воспринимаются как единая масса звука. Но с этими резонаторами даже люди без музыкального образования могли легко различать простые чистые тона, даже когда они были слабыми и смешивались с другими звуками.

Каждый резонатор был тщательно настроен, чтобы реагировать только на одну частоту. Для человека, использующего его, резонанс возникнет довольно внезапно, с безошибочным усилением определенного звука. Чтобы использовать эти резонаторы, маленький конец вставляли прямо в ухо и запечатывали небольшим количеством теплого воска.Другое ухо также было закрыто восковой пробкой. Как только это было сделано, Гельмгольц писал: «Большинство тонов, производимых в окружающем воздухе, будут значительно приглушены; но если звучит правильный тон резонатора, он сильнее всего проникает в ухо ».

Колокол и резонатор Савара

Во второй четверти XIX века французский ученый Феликс Савар изобрел этот прибор для демонстрации резонанса. Он состоит из «колокола» (или латунной чаши) и подвижного деревянного резонатора.В демонстрации колокол приводился в действие либо при поклоне, либо при ударе. Когда звонок прозвенел, его громкость можно было увеличить или уменьшить, перемещая резонатор ближе или дальше. Когда звук колокола стал едва слышным, эффективной демонстрацией было быстрое перемещение резонатора прямо рядом с ним.

No related posts.