Использование резонанса в радиосвязи кратко

Обновлено: 06.07.2024

Колебательный контур — один из важнейших элементов большинства радиотехнических устройств. Он представляет собой электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивности L, конденсатора С и соединительных проводов. Основное назначение колебательного контура — получение электромагнитных колебаний высокой частоты.

Если конденсатор С колебательного контура зарядить от какого-либо источника тока, а затем подключить к нему катушку индуктивности L , конденсатор станет разряжаться через эту катушку и в цепи колебательного контура потечет ток. Катушка индуктивности обладает индуктивным сопротивлением, и ток нарастает в цепи постепенно, достигая наибольшей величины в тот момент, когда конденсатор полностью разрядится. За счет энергии, накопленной в магнитном поле катушки, ток продолжает течь в том же направлении, постепенно убывая. Разряженный конденсатор будет теперь заряжаться противоположно. Энергия будет накапливаться в электрическом поле конденсатора, и, когда она достигнет максимума, ток в контуре прекратится. Но в тот же момент конденсатор снова начнет разряжаться. В контуре потечет ток, но уже в обратном направлении. Он постепенно возрастет до максимальной величины, а затем снова постепенно упадет до нуля. Этот цикл составляет одно полное колебание. Затем колебательный процесс повторяется.

Проходя по соединительным проводам и виткам катушки, ток совершает работу по преодолению активного сопротивления. Часть энергии электрических колебаний превращается при этом в тепло, которое рассеивается (нагреваются током провода катушки и диэлектрик конденсатора). Вследствие этих неизбежных потерь колебания в контуре в течение малых долей секунды затухают, амплитуда их быстро уменьшается, и колебания прекращаются.

Для поддержания незатухающих колебаний в колебательном контуре воздействие внешней периодической э.д.с. должно быть тем сильнее, чем больше разница между этой внешней э.д.с. и собственной частотой контура. Если частота внешней э.д.с. равна собственной частоте контура, амплитуда колебаний в контуре становится максимальной и для поддержания этих колебаний достаточно незначительной энергии. Это явление называется резонансом.

Практически резонанс может быть получен двумя способами:

1) изменением частоты э.д.с. внешнего источника при неизменной частоте собственных колебаний контура;

2) изменением частоты колебаний контура (изменением емкости, индуктивности или того и другого) при неизменной частоте э.д.с. внешнего источника.

Для резонанса характерно получение мощных колебаний при небольшой затрате энергии внешнего источника, необходимой только для компенсации потерь энергии при колебаниях в контуре.

Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов.

Рассмотрим цепь с активным, индуктивным и емкостным сопротивлениями, включенными последовательно (рисунок 6).

Рис. 6.Электрическая схема с последовательным соединением R, L и С.

Для анализа схемы разложим напряжение сети U на три составляющие:
U_R — падение напряжения на активном сопротивлении,
U_L — падение напряжения на индуктивном сопротивлении,
U_C — падение напряжения на емкостном сопротивлении.

Ток в цепи I будет общим для всех элементов:

Следует отметить, что напряжения на отдельных участках цепи не всегда совпадают по фазе с током I. Так, на активном сопротивлении падение напряжения совпадает по фазе с током. На индуктивном оно опережает по фазе ток на 90°, на емкостном — отстает от него на 90°. Графически это можно показать на рисунке 7.

Рис.7 Векторная диаграмма.

Изображенные выше три вектора падения напряжений можно геометрически сложить в один (рисунок 8).

Рис.8 Сложение трех векторов напряжения.

В таком соединении элементов возможны активно-индуктивный или активно-емкостный характеры нагрузки цепи. Следовательно, фазовый сдвиг имеет как положительный, так и отрицательный знак. Интересным является режим, когда = 0. В этом случае:

Такой режим работы схемы называется резонансом напряжений. Полное сопротивление при резонансе напряжений имеет минимальное значение:

, и при заданном напряжении U ток I может достигнуть максимального значения.

Из условия определим резонансную частоту

Явления резонанса напряжений широко используется в радиотехнике и в отдельных промышленных установках. Основное применение резонанса токов в радиотехнике — создание большого сопротивления для тока определенной частоты в ламповых генераторах и усилителях высокой частоты.

Наряду с использованием колебательных контуров широко используются кварцевые резонаторы, электромеханические Фильтры (ЭМФ), фильтры на поверхностно-акустических волнах (ПАВ), активные фильтры на операционных усилителях и др. Они обладают большими достоинствами: высокой стабильностью характеристик, чрезвычайно высокой добротностью и возможностью применения передовой технологии изготовления.

В аппаратуре дециметровых волн колебательные контуры должны иметь ультравысокую собственную частоту f₀. Согласно формуле их индуктивность и емкость должны быть очень малыми. Колебательные контуры с сосредоточенными параметрами становятся непригодными, так как индуктивность даже одного витка и емкость конденсатора с практически выполнимыми обкладками очень малых размеров оказываются слишком болъшими. На дециметровых волнах в качестве резонансных колебательных систем используются отрезки длинных линий, короткозамкнутые на конце.

Реактивная составляющая входного сопротивления отрезка короткозамкнутой линии длиной λ/4 равна нулю, а активная составляющая входного сопротивления имеет большую величину. В этом отношении данный отрезок эквивалентен параллельному колебательному контуру, настроенному в резонанс на частоту генератора, и может быть использован в качестве такого контура.

Колебательные контуры в виде отрезков линии просты по конструкции, имеют небольшие размеры и легко настраиваются. В качестве колебательных контуров применяются отрезки открытых (неэкранированных) и коаксиальных линий. Отрезки открытых линий используются в коротковолновой части метрового диапазона и длинноволновой части дециметрового диапазона. Конструкция контура, выполненного в виде отрезка двухпроводной открытой линии, изображена на рисунке 2.11.

Контур настраивается изменением длины отрезка линии путем перемещения короткозамыкающего мостика 1 при помощи винта 2 из диэлектрика. Мостик устанавливается на расстоянии, примерно равном λ/4 от начала линии, где λ - длина волны, на которую необходимо настроить контур.

К недостаткам колебательных контуров, выполненных в виде отрезков открытых линий, относятся значительные потери энергии на излучение, увеличивающиеся с уменьшением длины волны, а также большие потери энергии в проводах линии за счет поверхностного эффекта. В этом отношении лучшими качествами обладают контуры, выполненные в виде короткозамкнутых отрезков коаксиальных линий (рисунок 1.15б).

Рисунок 2.11 Колебательные контуры в виде отрезка двухпроводной линии (а, и отрезка коаксиальной линии (б)

Контур состоит из двух концентрических трубок 1 и 2, разделенных воздухом. Короткое замыкание на конце осуществляется металлическим поршнем 3. Настраивают контур перемещением данного поршня вдоль линии. Потери энергии в трубках малы, так как их поверхность, особенно внешней, довольно большая. Потери энергии на излучение здесь отсутствуют ввиду того, что электромагнитное поле сосредоточено между трубками и, следовательно, полностью экранировано от окружающего пространства. Благодаря этим факторам добротность таких контуров на дециметровых волнах довольно большая. Однако на сантиметровых волнах добротность рассматриваемых контуров резко снижается вследствие возрастания потерь энергии за счет поверхностного эффекта, особенно во внутреннем проводе, имеющем сравнительно небольшой диаметр.

B сантиметровом диапазоне волн в качестве колебательных контуров используются так называемые объемные резонаторы. Объемный резонатор представляет собой колебательную систему в виде металлической поверхности, ограничивающей некоторый объем пространства. На рисунке 2.12а изображен резонатор тороидальной формы. В таком резонаторе электрическое поле сосредотачивается в основном между дисками 1 и 2 в средней части резонатора, а магнитное поле — в полости, ограниченной тороидальной поверхностью 3. Ток протекает в виде тока проводимости по внутренней поверхности тороида и замыкается в виде тока смещения между дисками. Поскольку он протекает по большой внутренней поверхности резонатора, потери энергии в ней оказываются небольшими. Потери на излучение вообще отсутствуют, так как электромагнитные колебания совершаются во внутренней полости резонатора, экранированной его стенками от внешнего пространства.

Рисунок 2.12 Объемные резонаторы: а) объемный резонатор тороидальной формы; б) объемный резонатор в виде отрезка волновода прямоугольного сечения; в) объемный резонатор в виде отрезка волновода круглого сечения; г) возбуждение резонатора при помощи штыря; д) возбуждение резонатора при помощи петли

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.

Принцип действия

Это явление наблюдается, когда система способна хранить и легко переносить энергию между двумя или более разными режимами хранения, такими как кинетическая и потенциальная энергия. Однако есть некоторые потери от цикла к циклу, называемые затуханием. Когда затухание незначительно, резонансная частота приблизительно равна собственной частоте системы, которая представляет собой частоту невынужденных колебаний.

Эти явления происходят со всеми типами колебаний или волн: механические, акустические, электромагнитные, ядерные магнитные (ЯМР), электронные спиновые (ЭПР) и резонанс квантовых волновых функций. Такие системы могут использоваться для генерации вибраций определенной частоты (например, музыкальных инструментов).

Примеры резонанса в жизни

Толчок человека на качелях является распространенным примером этого явления. Загруженные качели, маятник имеют собственную частоту колебаний и резонансную частоту, которая сопротивляется толканию быстрее или медленнее.

Примером является колебание снарядов на детской площадке, которое действует как маятник. Нажатие человека во время качания с естественным интервалом колебания приводит к тому, что качели идут все выше и выше (максимальная амплитуда), в то время как попытки делать качание с более быстрым или медленным темпом создают меньшие дуги. Это связано с тем, что энергия, поглощаемая колебаниями, увеличивается, когда толчки соответствуют естественным колебаниям.

Отклик широко встречается в природе и используется во многих искусственных устройствах. Это механизм, посредством которого генерируются практически все синусоидальные волны и вибрации. Многие звуки, которые мы слышим, например, когда ударяются жесткие предметы из металла, стекла или дерева, вызваны короткими колебаниями в объекте. Легкое и другое коротковолновое электромагнитное излучение создается резонансом в атомном масштабе, таким как электроны в атомах. Другие условия, в которых могут применяться полезные свойства этого явления:

Механизмы хронометража современных часов, колесо баланса в механических часах и кварцевый кристалл в часах.
Приливной отклик залива Фанди.
Акустические резонансы музыкальных инструментов и человеческого голосового тракта.
Разрушение хрустального бокала под воздействием музыкального правого тона.
Фрикционные идиофоны, такие как изготовление стеклянного предмета (стекла, бутылки, вазы), вибрируют, при потирании вокруг его края кончиком пальца.
Электрический отклик настроенных схем в радиостанциях и телевизорах, которые позволяют избирательно принимать радиочастоты.
Создание когерентного света оптическим резонансом в лазерной полости.
Орбитальный отклик, примером которого являются некоторые луны газовых гигантов Солнечной системы.

Материальные резонансы в атомном масштабе являются основой нескольких спектроскопических методов, которые используются в физике конденсированных сред, например:

Электронный спиновой.
Эффект Мёссбауэра.
Ядерный магнитный.

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

Механический резонанс — 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.

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).

Польза и вред резонанса

Для того чтобы сделать некий вывод о плюсах и минусах резонанса, необходимо рассмотреть, в каких случаях он может проявляться наиболее активно и заметно для человеческой деятельности.

Положительный эффект

Явление отклика широко используется в науке и технике. Например, работа многих радиотехнических схем и устройств основывается на этом явлении.

Отрицательное воздействие

Мосты. Мост может выполнять вертикальные и поперечные колебания. Каждый из этих типов колебаний имеет свой период. Если стропы подвешены, система имеет очень разную резонансную частоту.
Здания. Высокие здания чувствительны к землетрясениям. Некоторые пассивные устройства позволяют защитить их: они являются осцилляторами, чья собственная частота близка к частоте самого здания. Таким образом, энергия полностью поглощается маятником, препятствующим разрушению здания.

Борьба с резонансом

Но несмотря на иногда губительные последствия эффекта отклика с ним вполне можно и нужно бороться. Чтобы избежать нежелательного возникновения этого явления, обычно используют два способа одновременного применения резонанса и борьбы с ним:

Практически ответить на вопрос о резонировании или его применении могут не все. Именно поэтому в сегодняшнем материале будет рассказано, в чем заключается явление резонанса, каково применение резонанса в технике и какие виды резонанса существуют.

Зависимость амплитуды от частоты колебаний

Резонанс – что это такое

Резонанс в физике – это частотно-избирательный отклик системы колебаний на внешние силы, которые периодически воздействуют на систему. Проявляется это воздействие в резком увеличении амплитуды движений этих колебаний, когда частота внешней воздействующей силы совпадает с некоторыми, характерными для данной колебательной системы, частотами.

Важно! Суть резонирования заключается в резком увеличении амплитуды колебаний при совпадении значения частоты силы, воздействующей на систему извне, с собственной частотой колебаний этой системы.

Чтобы далее говорить о явлении резонирования, следует понять, что такое колебания и частота. Колебания – это процесс изменения состояний колебательной системы, который повторяется через определенные промежутки времени и происходит вокруг точки равновесия. В пример можно привести раскачивание на качелях. Произойти резонирование частот может только там, где есть колебательные движения. Причем совсем неважно, к какому именно виду относятся колебания: электрические, звука, механические.

Виды колебательных движений

Процесс колебаний характеризуют частота и амплитуда. Простыми словами, на примере качели можно сказать, что амплитуда – это высшая точка, которую они достигают. Частота колебаний отвечает за скорость достижения качелями этой точки.

Возвращаясь к примеру с качелями, можно сказать, что когда они раскачиваются, система колебаний совершает вынужденные колебания. Увеличить амплитуду этих колебаний можно путем воздействия на эту систему определенным образом. То есть, если толкать качели с определенной силой и в определенное время, то можно сильно раскачать их без применения больших усилий.

Это явление и будет называться резонансом: частота воздействий извне будет совпадать с частотой колебаний в системе, и вследствие этого будет увеличиваться амплитуда.

Резонирование напряжений в электроцепи

Как определяется резонанс

Принципы действия

Теперь ясно, что резонирование – это процесс возбуждения колебаний одного объекта колебаниями другого тела такой же частоты. Это явление присуще всему, что есть на планете. Это может быть человек или камень. Резонирование может возникать между всеми телами вне зависимости от их природы и устройства. Но есть одно условие – работа тела на одном виде энергии и на совпадающей частоте и гармонике.

Этот принцип соответствия и дает возможность происходить обменным энергетическим и информационным процессам, позволяя представителям живого и неживого производить общение друг с другом. Резонанс, который лежит в любом взаимодействии, способен разрушать и создавать, убивать и исцелять. Неизвестно, в какой области он проявляется более полно и сильно. Согласно физическим законам, в области чувств явление и принцип резонирования должны проявляться сильнее, так как именно в этой области несущими сигнал являются более короткие волны, обладающие более высокой энергией.

Вхождение в резонанс или антирезонанс с тем или иным объектом, процессом или телом на уровне действий и ощущений может способствовать или препятствовать исходу того или иного события любого масштаба (локального и глобального). Это могут быть и природные катастрофы, и техногенные аварии.

Типы резонанса

В физике существует большое количество видов резонанса. Все они чем-то схожи и чем-то различны, а именно – своими признаками и природой появления. Среди них можно выделить:

механический и акустический резонансы;
электрический;
оптический;
орбитальные колебания;
атомный, частичный и молекулярный.

В следующих подразделах будет более подробно описан каждый из этих видов.

Механический и акустический

Наиболее популярным и очевидным механическим видом будут резонирующие качели, которые были упомянуты раньше. Если толкать их в определенные моменты с учетом их частоты, то размах их движения увеличится или затухнет, если силу не прикладывать.

Основаны механические резонаторы на преобразовании потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Если рассматривать маятник, то вся его энергия – потенциальная в состоянии покоя. Она преобразуется в кинетическую, когда он проходит нижнюю точку на своей максимальной скорости.

Важно! Некоторые механические системы способны запасать потенциальную энергию и использовать ее в различных формах. В пример можно привести пружину, которая запасет сжатие, являющееся энергией связи атомов.

Акустический тип резонирования можно встретить в некоторых музыкальных инструментах по типу гитары, скрипки, пианино. Они имеют основную резонансную частоту, которая зависит от длины, массы и силы натяжения струн.

Кроме основной частоты, струны этих музыкальных инструментов обладают резонансом на высших гармонических колебаниях основной частоты. Если струну дернуть, то она начнет колебаться на всех частотах, которые присущи данному импульсу, но частоты, несовпадающие с резонансом, очень быстро затухнут, и человеческое ухо услышит только гармонические колебания, являющиеся нотами.

Акустические системы, микрофоны и громкоговорители не терпят резонанса отдельных частей своего корпуса, так как это снижает равномерность их амплитудно-частотной характеристики и ухудшает качество воспроизведения звуков.

Струны создают акустический резонанс

Резонанс электрический

В электронике резонанс также имеется. Им называется состояние или режим пассивной электроцепи, содержащей катушки и конденсаторы, при котором ее входное реактивное электросопротивление и проводимость будут нулевыми. Это означает, что при резонансе ток на входе в цепь, если он есть, будет совпадать по фазе с напряжением.

Колебательный контур

В электричестве резонирование достигается тогда, когда индукция и емкость реакции уравновешиваются. Это равенство и позволяет энергии производить циркуляцию между индуктивными элементами и их магнитным полем, и полем электрического типа в конденсаторе.

Сам механизм резонанса основан на том, что МП индуктивности создает электроток, который заряжает конденсатор, разрядка его и создает это магнитное поле. Простейшее устройство, основанное на этом взаимодействии, – колебательный контур, способный производить резонанс напряжений и токов.

Модель светового оптического резонирования

Оптический резонанс

И в оптическом диапазоне есть резонанс. Один из самых популярных его примеров – резонатор Фабри-Перо. Он образован несколькими зеркалами, между которыми устанавливается так называемая резонирующая стоячая волна. Кроме этого используются кольцевые системы резонирования с бегущей волной и микроскопические резонаторы со стоячими волнами.

Схема колебательного контура

Орбитальные колебания

Колебания в астрофизике представляют собой ситуации, когда есть два или более небесных объекта, которые имеют некоторые периоды обращения, соотносящиеся, как небольшие натуральные числа. В результате этого воздействия небесные объекты оказывают друг на друга постоянное гравитационное притяжение. Оно и производит стабилизацию их орбит.

Резонанс: атомный, частичный и молекулярный

Атомный резонанс – это поглощение электромагнитных волн ядрами атома, которое происходит, когда изменяется вектор его момента движения. Особенно часто АР проявляется в атомах, которые помещают в сильное магнитное поле. При этом на них должно воздействовать небольшое электромагнитное поле, характеризующееся радиочастотным диапазоном.

График ядерного магнитного резонанса

В этом области существует и теория резонанса. Согласно ей, химические соединения имеют электронное строение, а распределение электронов в молекулах вещества есть комбинация или резонанс структуры с различным строением.

Важно! Это означает, что структура молекулы описывается не только одной возможной структурной формулой, сочетанием (резонансом) других структур. Теория резонанса позволяет путем химической терминологии и классических формул визуализировать построение мат. модели волновой функции какой-либо сложной молекулы.

Где применяется резонанс, как он используется в технике

Механический резонанс используется в акустике для анализа звуков и при их усилении. В сооружениях и устройствах, которые подвергаются периодически изменяющимся нагрузкам, резонанс весьма опасен, ведь он способен вызвать их разрушение вследствие значительного возрастания амплитуды колебаний.

Так, например, подвижные элементы двигателя внутреннего сгорания по типу шатунов действуют на валы с периодически изменяющимися силовыми нагрузками. Их период неразрывно связан с угловой скоростью вращения валов. Они вызывают колебательные движения коленчатого вала и при скорости вращения, которая соответствует резонансу, могут привести вал в негодность.

Важно! Учитывать механическое резонирование важно еще и в электронной аппаратуре, так как она часто подвергается вибрациям и ударам.

В технических моментах резонирование играет как положительные, так и отрицательные роли, то есть оно может как навредить, так и создать прибор. Например, явление механического резонирования используется в технических приборах типа частотомеров для подсчета частоты колебаний. В них элементом чувствительности предстает резонатор, собственная частота которого легко изменяется. Положительные стороны резонанс дает и в акустике, оптике или радиотехнике.

Таким образом, эффект резонирования присущ огромному количеству объектов планеты. Вне зависимости от его определения, он всегда означает одно и то же: система, на которую производят воздействие, повышает свою амплитуду. Определять резонирование можно огромным количеством методов. Все они зависят от вида и природы взаимодействий.

Читайте также: