Резонатор

Резонатор — это устройство или система, которая демонстрирует резонансное или резонансное поведение. То есть, естественно, он колеблется с большей амплитудой на некоторых частотах , называемых резонансными частотами , чем на других частотах. Колебания в резонаторе могут быть как электромагнитными , так и механическими (в том числе акустическими ). Резонаторы используются либо для генерации волн определенных частот, либо для выбора определенных частот из сигнала. В музыкальных инструментах используются акустические резонаторы, которые производят звуковые волны определенных тонов. Другим примером являются кристаллы кварца, используемые в электронных устройствах, таких как радиопередатчики и кварцевые часы, для создания колебаний очень точной частоты.

Полый резонатор — это резонатор, в котором волны существуют в полом пространстве внутри устройства. В электронике и радио микроволновые резонаторы , состоящие из полых металлических коробок, используются в микроволновых передатчиках, приемниках и испытательном оборудовании для контроля частоты вместо настроенных схем , которые используются на более низких частотах. Акустические резонаторы, в которых звук создается за счет колебаний воздуха в полости с одним отверстием, известны как резонаторы Гельмгольца .

Объяснение

Физическая система может иметь столько резонансных частот , сколько у нее степеней свободы ; каждая степень свободы может вибрировать как гармонический осциллятор . Системы с одной степенью свободы, такие как груз на пружине, маятники , балансировочные колеса и LC-настроенные контуры , имеют одну резонансную частоту. Системы с двумя степенями свободы, такие как связанные маятники и резонансные трансформаторы, могут иметь две резонансные частоты. Кристаллическая решетка, состоящая из N атомов, связанных вместе, может иметь N резонансных частот. По мере роста числа связанных гармонических осцилляторов время, необходимое для передачи энергии от одного к другому, становится значительным. Колебания в них начинают волнообразно распространяться через связанные гармонические осцилляторы, от одного осциллятора к другому.

Термин «резонатор» чаще всего используется для обозначения однородного объекта, в котором вибрации распространяются как волны с примерно постоянной скоростью, отскакивая вперед и назад между сторонами резонатора. Материал резонатора, через который текут волны, можно рассматривать как состоящий из миллионов связанных движущихся частей (например, атомов). Поэтому они могут иметь миллионы резонансных частот, хотя в практических резонаторах могут быть использованы лишь некоторые из них. Противоположно движущиеся волны интерферируют друг с другом, а на резонансных частотах структуру стоячих волн усиливают друг друга, создавая в резонаторе . Если расстояние между сторонами $d\,$ , длина поездки туда и обратно равна $2d\,$ . Чтобы вызвать резонанс, фаза синусоидальной волны после прохождения туда и обратно должна быть равна начальной фазе , чтобы волны самоусиливались. Условием резонанса в резонаторе является то, что расстояние туда и обратно, $2d\,$ , равен целому числу длин волн $\lambda \,$ волны:

2d=N\lambda ,\qquad \qquad N\in \{1,2,3,\dots \}

Если скорость волны $c\,$ , частота $f=c/\lambda \,$ поэтому резонансные частоты равны:

f={\frac {Nc}{2d}}\qquad \qquad N\in \{1,2,3,\dots \}

Таким образом, резонансные частоты резонаторов, называемые нормальными модами , представляют собой равноотстоящие кратные ( гармоники ) самой низкой частоты, называемой основной частотой . Приведенный выше анализ предполагает, что среда внутри резонатора однородна, поэтому волны движутся с постоянной скоростью, а форма резонатора прямолинейна. Если резонатор неоднороден или имеет непрямолинейную форму, например круглую пластику или цилиндрический микроволновый резонатор , резонансные частоты могут не возникать на равноотстоящих друг от друга кратных основной частоте. Тогда их называют обертонами, а не гармониками . Таких серий резонансных частот в одном резонаторе может быть несколько, соответствующих разным режимам колебаний.

Электромагнетизм

Резонансные контуры

Электрическая цепь, состоящая из дискретных компонентов, может действовать как резонатор, если и катушка индуктивности , и конденсатор в нее включены . Колебания ограничиваются за счет включения сопротивления либо через определенный компонент резистора , либо за счет сопротивления обмоток индуктора. Такие резонансные цепи также называются цепями RLC по обозначениям компонентов.

Резонатор с распределенными параметрами имеет емкость, индуктивность и сопротивление, которые нельзя выделить в отдельные сосредоточенные конденсаторы, катушки индуктивности или резисторы. Примером этого, широко используемого в фильтрации , является винтовой резонатор .

Индуктор , состоящий из катушки с проводом, является саморезонансным на определенной частоте из-за паразитной емкости между его витками. Часто это нежелательный эффект, который может вызвать паразитные колебания в радиочастотных цепях. Саморезонанс катушек индуктивности используется в некоторых схемах, таких как катушка Теслы .

Резонаторы

Полый резонатор представляет собой полый закрытый проводник, такой как металлический ящик или полость внутри металлического блока, содержащий электромагнитные волны (радиоволны), отражающиеся туда и обратно между стенками полости. Когда применяется источник радиоволн на одной из резонансных частот полости , противоположно движущиеся волны образуют стоячие волны , а полость сохраняет электромагнитную энергию.

Поскольку самая низкая резонансная частота резонатора, основная частота, - это частота, при которой ширина резонатора равна полуволне (λ/2), резонаторы резонатора используются только на микроволновых частотах и выше, где длины волн достаточно коротки, чтобы полость удобно небольшого размера.

Из-за низкого сопротивления проводящих стенок полостные резонаторы имеют очень высокую добротность ; то есть их полоса пропускания , диапазон частот вокруг резонансной частоты, на которой они будут резонировать, очень узок. Таким образом, они могут действовать как узкополосные фильтры . Резонаторы широко используются в качестве частотоопределяющего элемента в генераторах СВЧ . Их резонансную частоту можно перестраивать, перемещая одну из стенок полости внутрь или наружу, изменяя ее размер.

Иллюстрация электрического и магнитного поля одной из возможных мод резонатора.

Резонаторный магнетрон

Резонаторный магнетрон представляет собой вакуумную трубку с нитью накала в центре вакуумированного лепесткового резонатора с круглым резонатором. Перпендикулярное магнитное поле создается постоянным магнитом. Магнитное поле заставляет электроны, притянутые к (относительно) положительной внешней части камеры, двигаться по спирали наружу по круговой траектории, а не двигаться непосредственно к этому аноду. По краю камеры расположены цилиндрические полости. Полости открыты по своей длине и поэтому соединяются с общим полостным пространством. Когда электроны проходят мимо этих отверстий, они создают в полости резонансное высокочастотное радиополе, которое, в свою очередь, заставляет электроны группироваться в группы. Часть этого поля извлекается с помощью короткой антенны, соединенной с волноводом (металлическая трубка обычно прямоугольного сечения). Волновод направляет извлеченную радиочастотную энергию на нагрузку, которой может быть камера для приготовления пищи в микроволновой печи или антенна с высоким коэффициентом усиления в случае радара.

Клистрон

Клистрон . , трубчатый волновод, представляет собой лучевую трубку, включающую как минимум два резонатора с апертурной полостью Пучок заряженных частиц последовательно проходит через отверстия резонаторов, часто перестраиваемых волноотражающих решеток. Коллекторный электрод предназначен для перехвата луча после прохождения через резонаторы. Первый резонатор вызывает группировку проходящих через него частиц. Сгруппированные частицы движутся в свободной от поля области, где происходит дальнейшее группирование, затем сгруппированные частицы попадают во второй резонатор, отдавая свою энергию для возбуждения его колебаний. Это ускоритель частиц , работающий в сочетании со специально настроенным резонатором по конфигурации структур.

Рефлекторный клистрон представляет собой клистрон, в котором используется только один резонатор с перфорированной полостью, через который проходит пучок заряженных частиц сначала в одном направлении. Предусмотрен отталкивающий электрод для отталкивания (или перенаправления) луча после прохождения через резонатор обратно через резонатор в другом направлении и в соответствующей фазе для усиления колебаний, возникающих в резонаторе.

РЧ-резонаторы в линейном ускорителе австралийского синхротрона используются для ускорения и группирования пучков электронов ; линейный ускоритель — это трубка, проходящая через середину полости.

Применение в ускорителях частиц

На луче ускорительной системы есть определенные секции, которые представляют собой резонаторы для радиочастотного (РЧ) излучения. (Заряженные) частицы, которые необходимо ускорить, проходят через эти полости таким образом, что микроволновое электрическое поле передает энергию частицам, тем самым увеличивая их кинетическую энергию и, таким образом, ускоряя их. В нескольких крупных ускорительных установках используются сверхпроводящие ниобиевые резонаторы для улучшения характеристик по сравнению с металлическими (медными) резонаторами.

Контурный резонатор

Петлевой резонатор (LGR) изготавливается путем вырезания узкой щели по длине проводящей трубки. Щель имеет эффективную емкость, а отверстие резонатора имеет эффективную индуктивность. Следовательно, LGR можно смоделировать как цепь RLC, и его резонансная частота обычно находится в диапазоне от 200 МГц до 2 ГГц. При отсутствии потерь на излучение эффективное сопротивление ЛГР определяется удельным сопротивлением и электромагнитной толщиной скин-слоя проводника, из которого изготовлен резонатор.

Одним из ключевых преимуществ LGR является то, что на его резонансной частоте его размеры малы по сравнению с длиной волны электромагнитных полей в свободном пространстве. Следовательно, можно использовать LGR для создания компактного резонатора с высокой добротностью, работающего на относительно низких частотах, где резонаторы с полостью были бы непрактично большими.

Диэлектрические резонаторы

Если кусок материала с большой диэлектрической проницаемостью окружен материалом с гораздо более низкой диэлектрической проницаемостью, то это резкое изменение диэлектрической проницаемости может вызвать удержание электромагнитной волны, что приводит к образованию резонатора, который действует аналогично полому резонатору. ^{[ 1 ]}

Резонаторы линий электропередачи

Линии передачи — это конструкции, которые обеспечивают широкополосную передачу электромагнитных волн, например, на радио- или микроволновых частотах. Резкое изменение импеданса (например, обрыв или короткое замыкание) в линии передачи вызывает отражение передаваемого сигнала. Два таких отражателя на линии передачи вызывают стоячие волны между ними и, таким образом, действуют как одномерный резонатор, резонансные частоты которого определяются расстоянием между ними и эффективной диэлектрической проницаемостью линии передачи. ^{[ 1 ]} Распространенной формой является резонансный шлейф , отрезок линии передачи, оканчивающийся либо коротким замыканием , либо разомкнутой цепью, соединенный последовательно или параллельно с основной линией передачи.

Плоские резонаторы линий передачи обычно используются для копланарных , полосковых и микрополосковых линий передачи. Такие планарные резонаторы линий передачи могут иметь очень компактные размеры и широко используются в СВЧ-схемах. В исследованиях криогенного твердого тела сверхпроводящие резонаторы линий передачи способствуют спектроскопии твердого тела. ^{[ 2 ]} и квантовая информатика. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Оптические резонаторы

В лазере свет усиливается в резонаторе, который обычно состоит из двух или более зеркал. Таким образом, оптическая полость , также известная как резонатор, представляет собой полость со стенками, отражающими электромагнитные волны (т. е. свет ). Это позволяет существовать режимам стоячей волны с небольшими потерями.

Механический

Механические резонаторы используются в электронных схемах для генерации сигналов точной частоты . Например, пьезоэлектрические резонаторы , обычно изготовленные из кварца в качестве опорной частоты используются . Обычные конструкции состоят из электродов, прикрепленных к куску кварца, в форме прямоугольной пластины для высокочастотных применений или в форме камертона для низкочастотных применений. Высокая стабильность размеров и низкий температурный коэффициент кварца помогают поддерживать постоянство резонансной частоты. свойства кварца Кроме того, пьезоэлектрические преобразуют механические вибрации в колебательное напряжение , которое улавливается присоединенными электродами. Эти кварцевые генераторы используются в кварцевых часах для создания тактового сигнала , который запускает компьютеры, а также для стабилизации выходного сигнала радиопередатчиков .

Механические резонаторы также можно использовать для создания стоячей волны в других средах. Например, можно создать систему с несколькими степенями свободы, наложив базовое возбуждение на консольную балку. В этом случае стоячая волна . на балку накладывается ^{[ 5 ]} тип системы можно использовать в качестве датчика для отслеживания изменений частоты или фазы резонанса Этот волокна. Одним из применений является измерительное устройство для размерной метрологии . ^{[ 6 ]}

Акустический

Наиболее известные примеры акустических резонаторов находятся в музыкальных инструментах . У каждого музыкального инструмента есть резонаторы. Некоторые генерируют звук напрямую, например, деревянные бруски ксилофона , головка барабана , струны струнных инструментов и трубы органа . Некоторые изменяют звук, усиливая определенные частоты, например, ящик гитары звуковой или скрипки . Органные трубы , корпуса деревянных духовых инструментов и звуковые коробки струнных инструментов являются примерами резонаторов акустической полости.

Автомобили

Выхлопные трубы в автомобильных выхлопных системах спроектированы как акустические резонаторы, которые работают вместе с глушителем для снижения шума, заставляя звуковые волны «гасить друг друга». ^{[ 7 ]} «Нота выхлопа» является важной особенностью для некоторых владельцев автомобилей, поэтому как оригинальные производители, так и поставщики вторичного рынка используют резонатор для улучшения звука. В « настроенных» выхлопных системах, предназначенных для повышения производительности, резонанс выхлопных труб также может использоваться для удаления продуктов сгорания из камеры сгорания при определенной частоте вращения двигателя или диапазоне скоростей. ^{[ 8 ]}

Ударные инструменты

Во многих клавишных ударных инструментах под центром каждой ноты находится трубка, представляющая собой резонатор акустической полости . Длина трубки варьируется в зависимости от высоты ноты: более высокие ноты имеют более короткие резонаторы. Трубка открыта на верхнем конце и закрыта на нижнем, создавая столб воздуха, который резонирует при ударе по ноте. Это придаёт ноте глубину и объём. В струнных инструментах корпус инструмента представляет собой резонатор. Эффект тремоло вибрафона . достигается за счет механизма, открывающего и закрывающего резонаторы

Струнные инструменты

Струнные инструменты, такие как банджо из мятлика , также могут иметь резонаторы. Многие пятиструнные банджо имеют съемные резонаторы, поэтому музыканты могут использовать инструмент с резонатором в стиле мятлика или без него в стиле фолк-музыки . Термин «резонатор» , используемый сам по себе, может также относиться к гитаре-резонатору .

Современная десятиструнная гитара , изобретенная Нарцисо Йепесом , добавляет к традиционной классической гитаре четыре симпатических струнных резонатора. Настраивая эти резонаторы очень специфическим образом (C, B♭, A♭, G♭) и используя их самые сильные частичные звуки (соответствующие октавам и квинтам основных тонов струн), басовые струны гитары теперь резонировать одинаково с любым из 12 тонов хроматической октавы. Гитарный резонатор — это устройство для возбуждения гармоник гитарной струны с помощью электромагнитного поля. Этот резонансный эффект вызывается петлей обратной связи и применяется для приведения основных тонов, октав, 5-й, 3-й к бесконечному сустейну .

См. также

Ссылки и примечания

^ Перейти обратно: ^а ^б Позар, Дэвид (1998). Микроволновая техника (2-е изд.). Нью-Йорк: Уайли. ISBN 9780470631553 .
^ Д. Хафнер; и др. (2014). «Измерения поверхностного сопротивления с использованием сверхпроводящих полосковых резонаторов». Преподобный учёный. Инструмент . 85 (1): 014702. arXiv : 1309.5331 . Бибкод : 2014RScI...85a4702H . дои : 10.1063/1.4856475 . ПМИД 24517793 . S2CID 16234011 .
^ Л. Фрунцио; и др. (2005). «Изготовление и характеристика сверхпроводящих схем QED-устройств для квантовых вычислений». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 15 (2): 860–863. arXiv : cond-mat/0411708 . Бибкод : 2005ITAS...15..860F . дои : 10.1109/TASC.2005.850084 . S2CID 12789596 .
^ М. Гёппль; и др. (2008). «Копланарные волноводные резонаторы для схемной квантовой электродинамики». Дж. Прил. Физ. 104 (11): 113904–113904–8. arXiv : 0807.4094 . Бибкод : 2008JAP...104k3904G . дои : 10.1063/1.3010859 . S2CID 56398614 .
^ МБ Бауза; Р. Дж. Хокен; С.Т. Смит; SC Woody (2005), «Разработка виртуального наконечника зонда с применением к микромасштабным элементам с высоким соотношением сторон», Review of Scientific Instruments , 76 (9), Rev. Sci Instrum, 76 (9) 095112: 095112–095112–8 , Bibcode : 2005RScI...76i5112B , doi : 10.1063/1.2052027 .
^ «Решения для точного машиностроения и производства — IST Precision» . www.insitutec.com . Архивировано из оригинала 31 июля 2016 года . Проверено 7 мая 2018 г.
^ «Как работают глушители» . Howstuffworks.com . 19 февраля 2001 года. Архивировано из оригинала 8 октября 2005 года . Проверено 7 мая 2018 г.
^ Передовые автомобильные технологии . США Управление по оценке технологий . Сентябрь 1995 г. с. 84. .

Внешние ссылки

СМИ, связанные с резонаторами, на Викискладе?

[pozar-1] Перейти обратно: ^а ^б Позар, Дэвид (1998). Микроволновая техника (2-е изд.). Нью-Йорк: Уайли. ISBN 9780470631553 .

[2] Д. Хафнер; и др. (2014). «Измерения поверхностного сопротивления с использованием сверхпроводящих полосковых резонаторов». Преподобный учёный. Инструмент . 85 (1): 014702. arXiv : 1309.5331 . Бибкод : 2014RScI...85a4702H . дои : 10.1063/1.4856475 . ПМИД 24517793 . S2CID 16234011 .

[3] Л. Фрунцио; и др. (2005). «Изготовление и характеристика сверхпроводящих схем QED-устройств для квантовых вычислений». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 15 (2): 860–863. arXiv : cond-mat/0411708 . Бибкод : 2005ITAS...15..860F . дои : 10.1109/TASC.2005.850084 . S2CID 12789596 .

[4] М. Гёппль; и др. (2008). «Копланарные волноводные резонаторы для схемной квантовой электродинамики». Дж. Прил. Физ. 104 (11): 113904–113904–8. arXiv : 0807.4094 . Бибкод : 2008JAP...104k3904G . дои : 10.1063/1.3010859 . S2CID 56398614 .

[5] МБ Бауза; Р. Дж. Хокен; С.Т. Смит; SC Woody (2005), «Разработка виртуального наконечника зонда с применением к микромасштабным элементам с высоким соотношением сторон», Review of Scientific Instruments , 76 (9), Rev. Sci Instrum, 76 (9) 095112: 095112–095112–8 , Bibcode : 2005RScI...76i5112B , doi : 10.1063/1.2052027 .

[6] «Решения для точного машиностроения и производства — IST Precision» . www.insitutec.com . Архивировано из оригинала 31 июля 2016 года . Проверено 7 мая 2018 г.

[7] «Как работают глушители» . Howstuffworks.com . 19 февраля 2001 года. Архивировано из оригинала 8 октября 2005 года . Проверено 7 мая 2018 г.

[8] Передовые автомобильные технологии . США Управление по оценке технологий . Сентябрь 1995 г. с. 84. .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]