Из курса обучения в школе и институте многие вынесли определение резонанса, как явления постепенного или резкого возрастания амплитуды колебаний некоторого тела, когда к нему прикладывается внешняя сила с определенной частотой. Однако ответить практическими примерами на вопрос, что такое резонанс, могут немногие.
Физическое определение и привязка к объектам
Резонанс, согласно определению, можно понять как достаточно простой процесс:
- существует тело, находящееся в состоянии покоя или колеблющееся с определенной частотой и амплитудой;
- на него действует внешняя сила с собственной частотой;
- в случае, когда частота внешнего воздействия совпадает с собственной частотой рассматриваемого тела, возникает постепенное или резкое возрастание амплитуды колебаний.
Однако, на практике явление рассматривается в виде гораздо более сложной системы. В частности, тело может быть представлено не как единый объект, а сложная структура. Резонанс возникает при совпадении частоты внешней силы с так называемой суммарной эффективной колебательной частотой системы.
Резонанс, если рассматривать его с позиций физического определения, непременно должен приводить к разрушению объекта. Однако, на практике существует понятие добротности колебательной системы. В зависимости от ее значения, резонанс может приводить к различным эффектам:
- при низкой добротности система не способна в большой мере сохранять поступающие извне колебания. Поэтому наблюдается постепенное повышение амплитуды собственных колебаний до того уровня, когда сопротивление материалов или соединений не приводит к стабильному состоянию;
- высокая, близкая к единице добротность - самая опасная среда, в которой резонанс приводит, зачастую, к необратимым последствиям. Среди них может быть как механическое разрушение объектов, так и выделение большого количества тепла на уровнях, которые могут привести к возгоранию.
Также, резонанс возникает не только при действии внешней силы колебательного характера. Степень и характер реакции системы, в большой степени, отвечает за последствия действия направленных извне сил. Поэтому резонанс может возникнуть в самых разных случаях.
Хрестоматийный пример
Множество людей посмеивалось над данным примером, считая явление только теоретически возможным. Но достижения технического прогресса доказали теорию.
В сети существует реальное видео поведения пешеходного моста в Нью-Йорке, который постоянно сильно раскачивался и едва не рухнул. Автор творения, которое собственной механикой подтверждает теорию, когда резонанс возникает от движения людей, даже хаотического - французский архитектор, автор подвесного моста Виадук Мийо, сооружения с самыми высокими опорными колоннами.
Инженеру пришлось потратить много времени и денег, чтобы снизить добротность системы пешеходного моста до приемлемого уровня и добиться того, чтобы не было значительных колебаний. Пример работы над данным проектом - это иллюстрация того, как последствия резонанса можно обуздать в системах с низкой добротностью.
Примеры, которые повторяют многие
Еще один пример, который даже участвует в анекдотах - это раскалывание посуды звуковыми колебаниями, от занятий на скрипке и даже пения. В отличие от роты солдат, данный пример неоднократно наблюдался и даже специально проверялся. Действительно, возникающий при совпадении частот резонанс приводит к раскалыванию тарелок, бокалов, чашек и другой посуды.
Это пример развития процесса в условиях системы с высокой добротностью. Материалы, из которых сделана посуда - это достаточно упругие среды , в которых колебания распространяются с малыми затуханиями. Добротность таких систем очень высока, и хотя полоса совпадения частот довольно узкая, резонанс приводит к сильному увеличению амплитуды, в результате чего материал разрушается.
Пример действия постоянной силы
Еще один пример, где проявилось разрушительное действие - это рухнувший Такомский подвесной мост. Данный случай и видео волнообразного раскачивания конструкции даже рекомендовано к просмотру на факультетах физики университетов, как самый хрестоматийный пример такого явления резонанса.
Разрушение подвесного моста под действием ветра - это иллюстрация того, как относительно постоянная сила вызывает резонанс. Происходит следующее:
- порыв ветра отклоняет часть конструкции - внешняя сила способствует возникновению колебаний;
- при обратном движении конструкции, сопротивления воздуха недостаточно, чтобы погасить колебание или снизить его амплитуду;
- вследствие упругости системы, начинается новое движение, которое усиливает ветер, продолжающий дуть в одном направлении.
Это пример поведения комплексного объекта, где резонанс развивается на фоне высокой добротности и значительной упругости, под действием постоянного воздействия силы в одном направлении. К сожалению, Такомский мост - это не единственный пример обрушения конструкций. Случаи наблюдались и наблюдаются по всему миру, в том числе и в России.
Резонанс может применяться и в контролируемых, четко определенных условиях. Среди всего множества примеров можно легко вспомнить радиоантенны, даже разрабатываемые любителями. Здесь применяется принцип резонанса при поглощении энергии электромагнитной волны
. Каждая система разрабатывается под отдельную полосу частот, в которой наиболее эффективна.
Установки МРТ применяют другой тип явления - различное поглощение колебаний клетками и структурами человеческого тела. Процесс ядерного магнитного резонанса использует излучение различной частоты. Резонанс, возникающий в тканях, приводит к легкому распознаванию конкретных структур. Меняя частоту, можно исследовать те или иные области, решать разнообразные задачи.
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.
При резонансе энергия поступает в систему согласованно с колебаниями в ней, постоянно увеличивая их амплитуду. В стационарном режиме большая амплитуда колебаний поддерживается малыми поступлениями энергии в систему, восполняющими потери энергии колебаний (нагрев проводников, преодоление сил сопротивления, потери на излучение электромагнитных и механических волн) за один период. В системе при резонансе созданы наиболее благоприятные условия для реализации свойственных системе свободных незатухающих колебаний, и поэтому амплитуда колебаний резко возрастает.
Рассмотрим некоторые примеры проявления резонанса в природе.
Пример 1 . Солдаты проходят по мосту строевым шагом, частота ударов ног о поверхность моста может совпасть с собственной частотой колебаний моста как колебательной системы, наступает явление резонанса, при котором амплитуда колебаний моста постепенно нарастает и при больших числовых значениях может привести к его разрушению.
Пример 2 . Вентилятор плохо прикреплен к потолку и при своем вращении он создает толчки на потолок, частота которых может совпасть с собственной частотой колебаний комнаты (потолка) как колебательной системы, амплитуда колебаний потолка нарастает и может привести к его обрушению.
Пример
3
. Приборы
на кораблях максимально утяжеляют
(делают тяжелыми подставки) и подвешивают
на мягких пружинах (коэффициент жесткости
для них будет малым). В этом случае
частота качки
корабля будет больше собственной частоты
колебаний (
)
приборов на пружинах и поэтому резонанса
не наступает.
Пример
4
. В
радиоприемниках на основе явления
резонанса можно выделить нужный сигнал
из большого числа сигналов разных
радиостанций, поступающих на его приемную
антенну (рис. 5.23,а). Пусть на вход
радиоприемника поступают сигналы малой
амплитуды с различной несущей частотой
Для
выделения сигнала с несущей частотой
,
необходимо добиться равенства частоты
собственных свободных незатухающих
колебаний приемного контура и частоты
(
=
).
Тогда за счет явления резонанса амплитуда
сигнала с частотой
на выходе конденсатора резко возрастает,
а амплитуды остальных сигналов останутся
прежними (рис. 5.23,б показана сплошной
линией резонансная кривая, максимум
которой приходится на частоту
)
и
тем самым происходит выделение сигнала
с несущей частотой
.
Изменяя электроемкость конденсатора,
можно настроить приемный контур антенны
на несущую частоту
(на рис. 5.22,б пик резонансной кривой
смещается на частоту
).
Нелинейные системы. Автоколебания
1.
Нелинейные системы
.
Под нелинейными
системами
понимают такие колебательные системы,
свойства которых зависят от происходящих
в них процессов. В таких системах
существуют нелинейные связи, например,
между: 1) силой упругости
и смещением
груза относительно положения равновесия.
Это приводит к нарушению закона Гука и
к зависимости коэффициента
к
жесткости
системы от смещения
,
что изменяет собственную частоту
колебаний системы; 2) электрическими
зарядами конденсатора и создаваемой
ими напряженностью поля (сегнетоэлектрик
между пластинами конденсатора под
действием электрического поля изменяет
свою диэлектрическую проницаемость и
тем самым приводит к изменению
электроемкости конденсатора в зависимости
от подаваемого в контур напряжения,
т.е. к изменению собственной частоты
колебаний контура
)
и т.д.
Все физические системы являются нелинейными системами. При малых амплитудах колебаний (при малых отклонениях от положения равновесия) физические системы можно считать линейными, колебания в них описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, что и позволяет построить общую теорию колебаний.
Нелинейные
эффекты в физических системах обычно
проявляются при увеличении амплитуды
колебаний – это приводит к тому, что
собственные колебания системы
(осциллятора) уже не будут гармоническими,
а их частота
будет зависеть от амплитуды колебаний.
Уравнения движения для них являются
нелинейными, а такие системы называют
ангармоническими осцилляторами(см. § 5.5).
Действительно, например, для малых отклонений потенциального поля от параболического вида () дифференциальное уравнение колебаний будет иметь вид
,
Из
записанного дифференциального уравнения
видно, что коэффициент жесткости зависит
от амплитуды колебаний, что приводит к
зависимости угловой частоты свободных
незатухающих колебаний системы от
амплитуды колебаний
.
Для
больших отклонений от линейного поведения
зависимость 
усложняется, и поэтому усложняются
уравнения описывающие колебания в
системе.
Для нелинейных систем, в отличие от линейных, нарушается принцип суперпозиции , согласно которому результирующий эффект от сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности, при условии, что последние взаимно не влияют друг на друга.
Изменение в нелинейных системах формы гармонического внешнего воздействия и нарушение принципа суперпозиции позволяют осуществлять с помощью таких систем генерирование и преобразование частоты электромагнитных колебаний – выпрямление, умножение частоты, модуляцию колебаний и т.д.
Резонанс
в такой нелинейной системе будет
отличаться тем, что в ходе раскачки
осциллятора внешней силой величина
расстройки (
)
будет изменяться, так как частота
будет
зависеть от амплитуды колебаний.
2.Автоколебательные системы . Рассмотрим подробнее один из примеров нелинейных систем - автоколебательные системы.
Преимуществом
использования резонансных явлений
является их экономичность и большая
амплитуда колебаний. Недостатком
является нестабильность работы системы,
связанная с необходимостью с большой
степенью точности поддерживать условие
резонанса (
),
так как любые отклонения частоты внешнего
воздействия от резонансной частоты при
узкой резонансной кривой резко изменяют
амплитуду колебаний в системе (рис.
5.17,а, б).
Для того чтобы избежать таких нежелательных явлений, можно заставить саму систему поддерживать это резонансное условие, такая система является автоколебательной системой. Автоколебательная система относится к группе нелинейных колебательных систем, в которых происходит компенсация диссипативных потерь за счет притока энергии от внешнего постоянного источника. При этом система сама регулирует подвод энергии в систему, подавая ее в нужный момент времени в нужном количестве.
Автоколебательная система состоит из колебательной системы, источника энергии и клапана - устройства, которое регулирует подвод энергии в систему. Работой клапана управляет сама система с помощью обратной связи (рис.5.24,а)
В качестве примера автоколебательной системы можно привести систему, состоящую из груза, прикрепленного к двум пружинам и совершающего колебания на металлическом стержне (рис. 5.24,б). Источник постоянного тока с помощью электромагнита за каждый период колебаний совершает работу по увеличению кинетической энергии груза, восполняя потери энергии колебаний на преодоление сил сопротивления.
Это
происходит следующим образом. При своем
движении металлическая пластина,
прикрепленная к грузу, касается
контакта-прерывателя (он играет роль
клапана), электрическая цепь замыкается
и электромагнит притягивает к себе
пластину, сообщая при этом дополнительную
скорость грузу. Таким образом, в системе
возникают незатухающие колебания на
частоте
с большой амплитудой, которую можно
регулировать, меняя положение контакта
прерывателя.
Примерами автоколебательных систем могут служить духовые и смычковые инструменты, колебания голосовых связок при разговоре, механические часы. Примером автоколебательной системы в природе является ядерный реактор, который проработал в течение 500 тысяч лет на урановом руднике в Африке 2,5 миллиарда лет тому назад. Для его работы необходимы были достаточное количество урана-235, который делится под действием медленных нейтронов, и замедлитель нейтронов – вода. В определенный момент времени вода скопилась в достаточном количестве и реактор заработал. Его работу поддерживала цепочка процессов, указанных на рис. 5.25:
Такая
автоколебательная система работала до
тех пор, пока не выгорело ядерное топливо.
Здесь источником энергии является
деление ядер U-235,
клапаном служит изменение температуры
воды, а колебательной системой является
вода, уровень которой совершает колебания.
Резонанс является одним из интереснейших физических явлений. И чем глубже становятся наши познания об окружающем нас мире, тем явственнее прослеживается роль этого явления, в различных сферах нашей жизни - в музыке, медицине, радиотехнике и даже на детской площадке.
Каков же смысл этого понятия, условия его возникновения и проявление?
Собственные и вынужденные колебания. Резонанс
Вспомним простое и приятное развлечение - раскачивание на подвесных качелях.
Прикладывая в нужный момент совсем незначительное усилие, ребёнок может раскачивать взрослого. Но для этого частота воздействия внешней силы должна совпасть с собственной частотой раскачивания качелей. Только в этом случае амплитуда их колебаний заметно вырастет.
Итак, резонанс это явление резкого возрастания амплитуды колебаний тела, когда частота его собственных колебаний совпадет с частотой действия внешней силы.
Прежде всего, разберемся в понятиях - собственные и вынужденные колебания. Собственные - присущи всем телам - звёздам, струнам, пружинам, ядрам, газам, жидкостям… Обычно они зависят от коэффициента упругости, массы тела и других его параметров. Такие колебания возникают под воздействием первичного толчка, осуществляемой внешней силой. Так, чтобы привести в колебания груз, подвешенный на пружине, достаточно оттянуть его на некоторое расстояние. Возникшие при этом собственные колебания будут затухающими, поскольку энергия колебаний затрачивается на преодоление сопротивления самой колебательной системы и окружающей среды.
Вынужденные колебания возникают при воздействии на тело сторонней (внешней) силы с определенной частотой. Эту стороннюю силу ещё называют вынуждающей силой. Очень важно, чтобы эта внешняя сила действовала на тело в нужный момент и в нужном месте. Именно она восполняет потери энергии и увеличивает её при собственных колебаниях тела.
Механический резонанс
Очень ярким примером проявления резонанса является несколько случаев обрушения мостов, когда по ним строевым шагом проходила рота солдат.
Чеканный шаг солдатских сапог совпал с собственной частотой колебаний моста. Он стал колебаться с такой амплитудой, на которую его прочность не была рассчитана и… развалился. Тогда и родилась новая воинская команда «…не в ногу». Она звучит, когда пешая или конная рота солдат проходит по мосту.
Если вам случалось путешествовать на поезде, то самые внимательные из вас обратили внимание на заметные покачивания вагонов, когда его колеса попадают на стыки рельс. Это так вагон откликается, т. е. резонирует с колебаниями, возникающими при преодолении этих зазоров.
Корабельные приборы снабжают массивными подставками или подвешивают на мягких пружинах, чтобы избежать резонанса этих корабельных деталей с колебаниями корабельного корпуса. При запуске корабельных двигателей судно так может войти в резонанс с их работой, что это грозит его прочности.
Приведенных примеров достаточно, чтобы убедиться в необходимости учитывать резонанс. Но мы иногда и используем механический резонанс, не замечая этого. Выталкивая машину, застрявшую в дорожной грязи, водитель и его добровольные помощники вначале раскачивают её, а затем дружно толкают вперёд по направлению движения.
Раскачивая тяжелый колокол, звонари тоже неосознанно используют это явление.
Они ритмично в такт с собственными колебаниями языка колокола, дергают за прикрепленный к нему шнур, всё увеличивая амплитуду колебаний.
Существуют приборы, измеряющие частоту электрического тока. Их действие основано на использовании резонанса.
Акустический резонанс
На страницах нашего сайта мы . Продолжим наш разговор, дополнив его примерами проявления акустического или звукового резонанса.
Для чего у музыкальных инструментов, особенно у гитары и скрипки такой красивый корпус? Неужели лишь для того, чтобы красиво выглядеть? Оказывается, нет. Он нужен для правильного звучания, всей издаваемой инструментом звуковой палитры. Звук, издаваемый самой гитарной струной достаточно тихий. Чтобы его усилить струны, располагают поверх корпуса, имеющего определенную форму и размеры. Звук, попадая внутрь гитары, резонирует с различными частями корпуса и усиливается.
Сила и чистота звука зависит от качества дерева, и даже от лака, которым покрыт инструмент.
Имеются резонаторы и в нашем голосовом аппарате. Их роль выполняют самые различные воздушные полости, окружающие голосовые связки. Они-то усиливают звук, формируют его тембр, усиливая именно те колебания, частота которых близка к их собственной. Умение использовать резонаторы своего голосового аппарата - это одна из сторон таланта певца. Им в совершенстве владел Ф.И. Шаляпин.
Рассказывают, что когда этот великий артист пел во всю мощь, гасли свечи, тряслись люстры и трескались гранёные стаканы.
Т.е. явление звукового резонанса играет громадную роль в восхитительном мире звуков.
Электрический резонанс
Не миновало это явление и электрические цепи. Если частота изменения внешнего напряжения совпадет с частой собственных колебаний цепи, то может возникнуть электрический резонанс. Как всегда он проявляется в резком возрастании и силы тока и напряжения в цепи. Это чревато коротким замыкание и выходом из строя приборов, включённых в цепь.
Однако именно резонанс позволяет нам настроиться на частоту определенной радиостанции. Обычно на антенну поступает множество частот от различных радиостанций. Вращая ручку настройки, мы меняем частоту приёмного контура радиоприёмника.
Когда одна из пришедших на антенну частот совпадет с этой частотой, тогда мы и услышим эту радиостанцию.
Волны Шумана
Между поверхностью Земли и ее ионосферой существует слой, в котором очень хорошо распространяются электромагнитные волны. Этот небесный коридор называют волноводом. Рождающиеся здесь волны могут несколько раз огибать Землю. Но откуда они берутся? Оказалось, что они возникают при разрядах молний.
Профессор Мюнхенского технического университета Шуман рассчитал их частоту. Выяснилось, что она равна 10 Гц. Но именно с таким ритмом происходят колебания человеческого мозга! Этот удивительный факт не мог быть простым совпадением. Мы живём внутри гигантского волновода, который своим ритмом управляет нашим организмом. Дальнейшие исследования подтвердили это предположение. Оказалось, что искажение волн Шумана, например, при магнитных бурях ухудшает состояние здоровья людей.
Т.е. для нормального самочувствия человека ритм важнейших колебаний человеческого организма должен резонировать с частотой волн Шумана.
Электромагнитный смог от работы бытовых и промышленных электроприборов искажают природные волны Земли, и разрушает наши тонкие взаимосвязи со своей планетой.
Законам резонанса подчинены все объекты Вселенной. Этим законам подчиняются даже взаимоотношения людей. Так, выбирая себе друзей, мы ищем себе подобных, с которыми нам интересно, с которыми находимся «на одной волне».
Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя
Явление резонанса известно давно. Любая колебательная система, механическая или электрическая, имеет определенную длительность (период) колебаний. Воздействуя на колебательную систему с частотой собственных колебаний, можно при минимальных затратах энергии резко увеличить амплитуду колебания. Говорят, что система (колебательный контур в электротехнике) вошла в резонанс.
Наиболее старое описание резонанса составлено в начале 17-го века итальянским ученым Галилео Галилеем на примерах маятника и колебаний струн. Маятник наиболее ярко демонстрирует явление резонанса. Груз, подвешенный на нити, при отклонении от вертикали стремится вернуться в устойчивое состояние, колеблясь вокруг него с постоянной частотой.
Подталкивая груз с частотой его собственных колебаний, можно легко увеличить высоту подъема даже при значительной массе. Дети легко раскачивают самые тяжелые качели.
Свойства резонанса
Важнейшее свойство резонанса: чем ближе частоты воздействия к собственной, тем более резким становится возрастание амплитуды колебаний. При отсутствии потерь энергии (трение, упругие и пластические деформации, влияние гравитационных сил и так далее) амплитуда колебаний возрастает до бесконечности, вплоть до разрушения механической системы.
Добротность колебательной системы
Одним из параметров колебательной системы является добротность. Добротность определяет ширину резонанса, то есть отзывчивость колебательной системы к внешним воздействиям с частотой, близким к резонансной. Чем выше добротность, тем более точным должно быть внешнее воздействие. Анализ показывает, что добротность определяет расход энергии в системе во время свободных колебаний. Скорость затухания колебаний в свободной системе обратно пропорциональна ее добротности.
Положительные и отрицательные стороны резонанса
Явление механического резонанса может нести как пользу, так и вред. Одно из первых практических применений было исполнено при изготовлении колоколов. Перемещение тяжелого языка колокола невозможно хаотически, а только при знании его периода колебаний. Все струнные и язычковые духовые инструменты также используют данное явление. Наиболее полно исследован резонанс колебаний струны при изменении ее длины, толщины и натяжения. Изменяя длину струн, прижимая их к металлическим ладам на грифе инструмента, музыканты извлекают звуки различной частоты.
Резонанс находит применение в язычковых частотомерах. Та пластина (язычок), резонансная частота которой совпадает с измеряемой или наиболее близка к ней, имеет максимальный размах колебаний.
Механический резонанс часто приводит к разрушению механических конструкций. Классическим примером может служить мост, который разрушился во время прохождения по нему марширующего строя солдат. С тех пор запрещено переходить мосты, маршируя «в ногу». Увеличивающаяся амплитуда колебаний упругой подвески транспортных средств способна вызвать опрокидывание автомобиля или железнодорожного вагона. Чтобы снизить амплитуду колебаний, необходимо делать амортизацию таким образом, чтобы частота собственных колебаний лежала вне диапазона возможных воздействий либо снизить добротность колебательной системы.
В автотранспорте это достигается применением газовых или жидкостных амортизаторов, которые гасят колебания пружинных элементов подвески. В железнодорожных вагонах на колесных тележках устанавливают несколько комплектов пружин с разной жесткостью. Этим достигается «размытие» резонанса. В пассажирских вагонах тележки дополнительно комплектуются амортизаторами для плавного гашения колебаний. Их устройство полностью аналогично автомобильным амортизаторам. На судах установлены, так называемые, «успокоители качки».
Электромеханические резонаторы
В радиотехнике существует группа приборов, где используются пъезоэлектрический эффект и механический резонанс. Это кварцевые резонаторы и электромеханические фильтры.
Пьезоэффект выражается в изменении линейных размеров некоторых веществ под действием приложенного напряжения. Деформация материала происходит только от размеров кристалла, но не связана с величиной приложенного напряжения. Данный эффект обратим, то есть, деформируя элемент, можно получить разность потенциалов. Таким образом, значения деформации и разности потенциалов зависят от первоначальных размеров кристалла и находятся в жесткой связи.
Наибольшим образом явление пьезоэлектричества проявляется в пластинках кварца, вырезанного из монокристалла в определенном направлении. На противоположных сторонах пластинки находятся металлические обкладки для подключения в электрическую цепь. Изменяя линейные размеры кварцевой пластинки, можно получать различные значения резонансной частоты.
Добротность полученного резонатора чрезвычайно велика, а стабильность по частоте составляет 10-6 Гц.
Группа кварцевых резонаторов, соединенных в цепь, образует частотный фильтр с очень хорошими свойствами: высокой добротностью, точной установкой полосы пропускания или частотой среза.
К сведению. Фильтры и частотозадающие цепи на кварцевых резонаторах используются там, где важна высокая стабильность: в радиоприемных и передающих устройствах, электронных часах, цифровой технике.
Достоинства кварцевых фильтров:
- Точность поддержания частоты без необходимости настройки;
- Высокая добротность;
- Малые габаритные размеры (до долей миллиметра);
- Высокая надежность и долговечность;
- Слабая зависимость от температуры.
Точность частоты резонанса играет отрицательную роль там, где существует необходимость в перестройке частоты, поскольку параметры резонатора изменить невозможно. На помощь приходят цифровые синтезаторы частоты, в которых задающий генератор стабилизирован кварцевым элементом, а импульсы на выходе образуется при помощи логических операций над цифровой последовательностью.
Видео