Резонанс — что это такое

ÐÑ Ñего завиÑÐ¸Ñ Ð·Ð²ÑÑание

Чем болÑÑе ÑазнÑÑÑÑ ÑкоÑоÑÑи звÑка в воздÑÑе и камне, Ñем лÑÑÑе оÑÑажение. Так, в гÑаниÑе звÑк ÑаÑÑодиÑÑÑ Ñо ÑкоÑоÑÑÑÑ 4Ã103 м/Ñ, в воздÑÑе â 3,3Ã102 м/Ñ. СледоваÑелÑно, в воздÑÑ Ð²ÑÐ¹Ð´ÐµÑ Ð½ÐµÐ·Ð½Ð°ÑиÑелÑное колиÑеÑÑво ÑнеÑгии, а оÑÐ½Ð¾Ð²Ð½Ð°Ñ ÑаÑÑÑ Ð±ÑÐ´ÐµÑ Â«Ð·Ð°ÐºÑÑÑа» внÑÑÑи камнÑ. «ÐоÑÑаÑ» глÑба Ð»ÐµÐ¶Ð¸Ñ Ð½Ð° дÑÑÐ³Ð¸Ñ ÐºÐ°Ð¼Ð½ÑÑ, Ñ Ð½ÐµÐµ ÑÐ»Ð°Ð±Ð°Ñ Ð°ÐºÑÑÑиÑеÑÐºÐ°Ñ ÑвÑÐ·Ñ Ñ Ð·ÐµÐ¼Ð»ÐµÐ¹, Ð²ÐµÐ´Ñ Ð¾Ð½Ð° каÑаеÑÑÑ Ð³ÑÑнÑа лиÑÑ Ð² неÑколÑÐºÐ¸Ñ Ð¼ÐµÑÑаÑ. ÐолÑÑаеÑÑÑ, ÑÑо звÑк не Ð¼Ð¾Ð¶ÐµÑ Ð²ÑйÑи в землÑ. ÐодобнÑе пÑедмеÑÑ, ÑпоÑобнÑе заклÑÑиÑÑ Ð²Ð½ÑÑÑи ÑÐµÐ±Ñ ÐºÐ¾Ð»ÐµÐ±Ð°ÑелÑнÑÑ ÑнеÑгиÑ, назÑваÑÑÑÑ ÑезонаÑоÑами. ЧÑо же пÑоиÑÑÐ¾Ð´Ð¸Ñ Ð² ÑеÑедине «поÑÑего» ÐºÐ°Ð¼Ð½Ñ Ð¿Ñи ÑдаÑе? ÐÐ¾Ð»Ð½Ñ Ð¼Ð½Ð¾Ð¶ÐµÑÑво Ñаз оÑÑажаÑÑÑÑ Ð¾Ñ ÐµÐ³Ð¾ ÑÑенок, ÑменÑÑаÑÑÑÑ Ð¸Ð»Ð¸ ÑвелиÑиваÑÑÑÑ Ð¿Ñи звÑковом ÑезонанÑе. УÑиление бÑÐ²Ð°ÐµÑ Ñогда, когда волна, оÑÑазивÑиÑÑ, возвÑаÑаеÑÑÑ Ð² Ñой же Ñазе, в коÑоÑой она наÑинала Ñвой пÑобег.

От чего зависит звучание

Чем больше разнятся скорости звука в воздухе и камне, тем лучше отражение. Так, в граните звук расходится со скоростью 4×103 м/с, в воздухе — 3,3×102 м/с. Следовательно, в воздух выйдет незначительное количество энергии, а основная часть будет «закрыта» внутри камня. «Поющая» глыба лежит на других камнях, у нее слабая акустическая связь с землей, ведь она касается грунта лишь в нескольких местах. Получается, что звук не может выйти в землю. Подобные предметы, способные заключить внутри себя колебательную энергию, называются резонаторами. Что же происходит в середине «поющего» камня при ударе? Волны множество раз отражаются от его стенок, уменьшаются или увеличиваются при звуковом резонансе. Усиление бывает тогда, когда волна, отразившись, возвращается в той же фазе, в которой она начинала свой пробег.

Электроника

В электрических цепях резонансом называется такой режим пассивной цепи, содержащий катушки индуктивности и конденсаторы, при котором ее входное реактивное сопротивление или ее входнвя реактивная проводимость равны нулю. При резонансе ток на входе цепи, если он отличен от нуля, совпадает по фазе с напряжением.

В электрических цепях резонанс возникает на определённой частоте, когда индуктивная и ёмкостная составляющие реакции системы уравновешены, что позволяет энергии циркулировать между магнитным полем индуктивного элемента и электрическим полем конденсатора.

Механизм резонанса заключается в том, что магнитное поле индуктивности генерирует электрический ток, заряжающий конденсатор, а разрядка конденсатора создаёт магнитное поле в индуктивности — процесс, который повторяется многократно, по аналогии с механическим маятником.

Электрическое устройство, состоящее из ёмкости и индуктивности, называется колебательным контуром. Элементы колебательного контура могут быть включены как последовательно (тогда возникает резонанс напряжений), так и параллельно (резонанс токов). При достижении резонанса, импеданс последовательно соединённых индуктивности и ёмкости минимален, а при параллельном включении — максимален. Резонансные процессы в колебательных контурах используются в элементах настройки, электрических фильтрах. Частота, на которой происходит резонанс, определяется величинами (номиналами) используемых элементов. В то же время, резонанс может быть и вреден, если он возникает в неожиданном месте по причине повреждения, недостаточно качественного проектирования или производства электронного устройства. Такой резонанс может вызывать паразитный шум, искажения сигнала, и даже повреждение компонентов.

Приняв, что в момент резонанса индуктивная и ёмкостная составляющие импеданса равны, резонансную частоту можно найти из выражения

ωL=1ωC⇒ω=1LC{\displaystyle \omega L={\frac {1}{\omega C}}\Rightarrow \omega ={\frac {1}{\sqrt {LC}}}},

где ω=2πf{\displaystyle \omega =2\pi f} ; f — резонансная частота в герцах; L — индуктивность в генри; C — ёмкость в фарадах

Важно, что в реальных системах понятие резонансной частоты неразрывно связано с полосой пропускания, то есть диапазоном частот, в котором реакция системы мало отличается от реакции на резонансной частоте. Ширина полосы пропускания определяется добротностью системы.

В электронных устройствах также применяются различные электромеханические резонансные системы.

Определение резонанса

Первым, кто дал определение того, что такое резонанс был великий итальянский ученый Галилео Галлией, активно занимающийся не только астрономическими наблюдениями, но и работой с маятником, теорией струн и многими другими вещами в физике.

Итак, в переводе с латыни слово «резонанс» буквально означает «откликаюсь», и означает физическое явление, при котором собственные колебательные движения, становясь вынужденными, многократно увеличивают свою амплитуду, отвечая на воздействия внешней среды.

Или если по-простому, то резонанс это отклик на некий раздражитель извне, это синхронизация частот колебаний (количества колебаний в секунду) определенного тела (или целой системы) с внешней силой, которая воздействует на него. Вследствие физического резонанса всегда происходит увеличение амплитуды колебаний тела или системы.

Представьте себе детские качели, чтобы раскатать их сильнее, вам необходимо прикладывать силу таким образом, чтобы ее колебания совпадали с колебаниями самой качели. Как результат таких действий качели будут раскачиваться все сильнее и сильнее, или говоря по-научному – амплитуда их колебаний будет увеличиваться. Детские качели, пожалуй, самый простой и яркий пример резонанса из нашей жизни.

ÐÑÑажение звÑка

ÐвÑковой ÑÐµÐ·Ð¾Ð½Ð°Ð½Ñ Ð²Ð¾Ð·Ð¼Ð¾Ð¶ÐµÐ½ благодаÑÑ Ð¾ÑÑÐ°Ð¶ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð²Ð¾Ð»Ð½Ñ. РаÑÑмоÑÑим ÑÑо ÑвойÑÑво звÑка подÑобнее. ÐкÑÑÑиÑеÑÐºÐ°Ñ Ð²Ð¾Ð»Ð½Ð°, добежав до пÑепÑÑÑÑвиÑ, коÑоÑÑм Ð¼Ð¾Ð¶ÐµÑ Ð±ÑÑÑ Ð»Ñбое Ñело, возвÑаÑаеÑÑÑ Ð½Ð°Ð·Ð°Ð´. Ðнакомое вÑем ÑÑо â ÑÑо и еÑÑÑ Ð²Ð¾Ð»Ð½Ð°, оÑÑÐ°Ð¶ÐµÐ½Ð½Ð°Ñ Ð¾Ñ Ñдаленного пÑедмеÑа. ÐоÑÐµÐ¼Ñ Ñдаленного? Ðело в Ñом, ÑÑо пÑепÑÑÑÑвие должно ÑаÑполагаÑÑÑÑ Ð´Ð¾ÑÑаÑоÑно далеко, ÑÑÐ¾Ð±Ñ Ñеловек мог оÑлиÑиÑÑ Ð·Ð²Ñк Ð¾Ñ Ð¸ÑÑоÑника и оÑÑаженнÑй звÑк. Так, в помеÑении ÑÑÐµÐ´Ð½Ð¸Ñ ÑазмеÑов, напÑимеÑ, в комнаÑе кваÑÑиÑÑ, ÑÑа не бÑдеÑ. ÐÑе поÑомÑ, ÑÑо вÑемÑ, ÑеÑез коÑоÑое волна, оÑÑазивÑиÑÑ Ð¾Ñ ÑÑен, возвÑаÑаеÑÑÑ, ÑлиÑком мало. ÐеÑмоÑÑÑ Ð½Ð° ÑÑо, оÑÑеÑливо ÑлÑÑно, ÑÑо звÑк гÑлкий, гÑомкий.

ÐÑли завеÑиÑÑ Ð²Ñе ÑÑÐµÐ½Ñ ÐºÐ¾Ð²Ñами или покÑÑÑÑ Ð´ÑÑгими звÑкоизолиÑÑÑÑими маÑеÑиалами, звÑк ÑÑÐ°Ð½ÐµÑ Ð³Ð»ÑÑим, ÑÑÑим, даже непÑиÑÑнÑм. Ð ÑлÑÑаÑÑ, когда важна звонкоÑÑÑ, нÑжно позабоÑиÑÑÑÑ Ð¾ Ñом, Ð¾Ñ Ñего бÑÐ´ÐµÑ Ð¾ÑÑажаÑÑÑÑ Ð°ÐºÑÑÑиÑеÑÐºÐ°Ñ Ð²Ð¾Ð»Ð½Ð°. ÐвÑкового ÑезонанÑа без ÑÑого не бÑдеÑ.

Применение на практике

Рассмотрим, какая польза и вред резонанса токов и напряжений. Наибольшую пользу явления резонанса принесли в радиопередающей аппаратуре. Простыми словами, а схеме приемника установлены катушка и конденсатор, подключенные к антенне. С помощью изменения индуктивности (например, перемещая сердечник) или величины емкости (например, воздушным переменным конденсатором) вы настраиваете резонансную частоту. В результате чего напряжение на катушке повышается и приемник ловит определенную радиоволну.

Вред эти явления могут на нести в электротехнике, например, на кабельных линиях. Кабель представляет собой распределенную по длине индуктивность и емкость, если на длинную линию подать напряжение в режиме холостого хода (когда на противоположном от источника питания конце кабеля нагрузка не подключена). Поэтому есть опасность того, что произойдет пробой изоляции, во избежание этого подключается нагрузочный балласт. Также аналогичная ситуация может привести к выходу из строя электронных компонентов, измерительных приборов и другого электрооборудования – это опасные последствия возникновения этого явления.

Таинственный дом

В «Рассказах о старой Москве» А. Вьюркова описывается звучащий страшным голосом дом. Главный герой произведения Иван Павлович решил разбогатеть обманным путем. Он нанял бригаду каменщиков, чтобы те построили ему доходный дом, и не заплатил им всей обещанной суммы. Вскоре арендаторы стали один за другим покидать гостиницу, потому что были напуганы нечистой силой, которая выла нечеловеческим голосом. Иван Павлович обратился в полицию, и городовые остались в засаде на ночь. Их постигла та же участь, что и квартиросъемщиков. В пустых комнатах раздавались жуткие вздохи и вой. Стражи порядка в ужасе покинули здание со страшным домовым.

Иван Павлович остался без денег и без жильцов. Ему нечем было выплачивать проценты по кредиту, поэтому имущество и его самого арестовали. По прошествии времени один из подрядчиков раскрыл Ивану Павловичу секрет мистического дома. Оказывается, что обманутые рабочие решили отомстить: они замуровали в стену пустые бутылки, которые звучали при каждом порыве ветра, пугая постояльцев.

Вредный резонанс: примеры

Часто люди принимают мостостроение и безопасность как должное. Однако иногда происходят катастрофы, заставляющие поменять свою точку зрения. 1 июля 1940 года в Вашингтоне был открыт мост Такома-Нэрроуз. Это был подвесной мост, третий по величине в мире для своего времени. Во время строительства мост получил прозвище «Галопирование Герти» из-за того, как он качался и сгибался на ветру. Это волнообразное колебание в конце концов привело к его крушению. Мост рухнул 7 ноября 1940 года во время бури, всего через четыре месяца его эксплуатации. Прежде чем узнавать о резонансной частоте и о том, что это связано с катастрофой моста Такома-Нэрроуз, сначала нужно понять что-то, называемое гармоническим движением.

Когда у вас есть объект, периодически колеблющийся назад и вперед, мы говорим, что он испытывает гармоническое движение. Один прекрасный пример проявления резонанса, испытывающего гармоническое движение, – свободная подвесная пружина с прикрепленной к ней массой. Масса заставляет пружину растягиваться вниз, пока в конце концов пружина не сжимается назад, чтобы вернуться к своей первоначальной форме. Этот процесс продолжает повторяться, и мы говорим, что пружина находится в гармоническом движении. Если вы посмотрите видео с моста Такома-Нэрроуз, то увидите, что он колебался, прежде чем рухнул. Он проходил гармоническое движение, как пружина с прикрепленной к ней массой.

Суть явления резонанса

Резонанс в физике – это частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое внешнее воздействие, который проявляется в резком увеличении амплитуды стационарных колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с определёнными значениями, характерными для данной системы.

Известны случаи, когда мост, по которому маршировали солдаты, входил в резонанс от строевого шага, раскачивался и разрушался. Кстати, именно поэтому сейчас при переходе через мост солдатам положено идти вольным шагом, а не в ногу.

Египетский мост в Санкт-Петербурге, разрушившийся из-за резонанса.

Различают параллельный и последовательный резонанс при выборе соответствующего схемотехнического решения. В первом варианте обеспечивают увеличение силы тока при совпадении частот. Во втором – напряжения.

Z = √ R2 (2π * f * L – 1/2π * f * C)2.

I = U/Z = U/  √ R2 (2π * f * L – 1/2π * f * C)2.

Формулы и амплитудно-частотные характеристики последовательного контура

Что такое резонанс напряжений, показано на рисунке.

«ÐоÑÑий» каменÑ

Ðедалеко Ð¾Ñ ÐакÑ, ÑÑолиÑÑ ÐзеÑбайджана, еÑÑÑ Ð¿ÑÑÑÑÐ½Ñ Ñо знамениÑÑм «поÑÑим» камнем. Ðн наÑÑолÑко извеÑÑен, ÑÑо полÑÑил Ð¸Ð¼Ñ â «ÐаменнÑй бÑбен». ЭÑа ÑдивиÑелÑÐ½Ð°Ñ Ð³Ð»Ñба Ð¸Ð¼ÐµÐµÑ ÑвойÑÑво: еÑли ÑдаÑиÑÑ Ð¿Ð¾ ней камнем, Ñо звÑк полÑÑаеÑÑÑ Ñакой же гÑомкий и ÑиÑÑÑй, как Ñ ÐºÐ¾Ð»Ð¾ÐºÐ¾Ð»Ð°. Ðак же Ñизика обÑÑÑнÑÐµÑ ÑÑÐ¾Ñ Ð¿ÑÐ¸Ð¼ÐµÑ Ð·Ð²Ñкового ÑезонанÑа?

Ð£Ð´Ð°Ñ Ð¿ÑÐ¸Ð²Ð¾Ð´Ð¸Ñ Ðº кÑаÑкоÑÑоÑной деÑоÑмаÑии â ÑÑÑ Ð¶Ðµ Ð¾Ñ ÑоÑки ÑÑÐ¾Ð»ÐºÐ½Ð¾Ð²ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð²Ð¾ вÑе ÑÑоÑÐ¾Ð½Ñ Ð±ÐµÐ³ÑÑ Ð·Ð²ÑковÑе волнÑ. Ðа ÑкоÑоÑÑÑ Ð¸Ñ ÑаÑÑÐ¾Ð¶Ð´ÐµÐ½Ð¸Ñ ÑазмеÑÑ ÐºÐ°Ð¼Ð½Ñ Ð½Ðµ влиÑÑÑ. Ðднако волна Ð¼Ð¾Ð¶ÐµÑ Ñвободно ÑаÑпÑоÑÑÑанÑÑÑÑÑ ÑолÑко в неогÑаниÑенном пÑоÑÑÑанÑÑве. Ð Ð²ÐµÐ´Ñ Ð¼Ñ Ð·Ð½Ð°ÐµÐ¼, ÑÑо ÐºÐ°Ð¼ÐµÐ½Ñ Ð¸ воздÑÑ Ð¸Ð¼ÐµÑÑ Ð³ÑаниÑÑ (Ñам, где они ÑопÑикаÑаÑÑÑÑ). Ðогда волна Ð´Ð¾Ð±ÐµÐ³Ð°ÐµÑ Ð´Ð¾ ÑÑбежа, она ÑаÑÑиÑно пÑоÑÐ¾Ð´Ð¸Ñ Ð² дÑÑгÑÑ ÑÑÐµÐ´Ñ â из ÐºÐ°Ð¼Ð½Ñ Ð² воздÑÑ. ÐÑÑавÑаÑÑÑ ÑаÑÑÑ Ð°ÐºÑÑÑиÑеÑкой ÑнеÑгии оÑÑажаеÑÑÑ Ð² обÑаÑном напÑавлении.

Виды резонансных явлений

Рассматриваемые эффекты по-разному проявляются в газовой среде и в твердых телах. Они способны возникать в электрической цепи с реактивными компонентами. При определенных условиях резонансное воздействие разрушит кирпичный дом или разорвет стенки прочного котла паровой машины. Правильное использование этого явления помогает улучшить помехозащищенность радиоаппаратуры, успешно решать другие практические задачи.

Механический резонанс

Для вычисления параметров механической системы можно продолжить изучение маятника. Естественное движение качелей замедляется трением функциональных компонентов, сопротивлением воздуха. Чтобы предотвратить затухание колебаний нужно приложить внешнюю силу (F). Максимальную эффективность обеспечит совпадение частот. Ниже показан алгоритм расчета.

Период (Т) определяется формулой T = 2π√(L/g), где g – константа ускорения свободного падения (≈9,8м/с2). Собственная частота конструкции v = 1/T. Если добавить определение второго закона Ньютона (прямую пропорциональность импульса системы от силы и времени (Δt) воздействия), частоту можно выразить как:

v = ((F* Δt)/m) * N,

где:

• N – количество импульсов;
• m – суммарная масса груза.

Так как энергия в замкнутом контуре сохраняется (идеальный пример без потерь), допустимо использовать следующие пропорции:

(m*v2)/2 = m*g*h = m*g*L*(1-cos α).

Из этих сочетаний простыми преобразованиями получают две формулы для расчетов:

• N = (m/(F* Δt)) * √(2*g*L*(1-cos α));
• t (общее время для выполнения N колебаний) = N*T = (2π*m*L)/(F* Δt)) * √(2*(1-cos α)).

Подставив определенные исходные значения, вычисляют периодичность необходимых резонансных колебаний:

• m=100кг;
• F = 10Н;
• L = 200 см;
• Δt = 1 с;
• N = 34;
• t = 96;
• T = 2,8 с.

Электрический колебательный контур

Явление резонанса может наблюдаться в цепях переменного тока при совпадении частот источника питания (сигнала) и реактивных компонентов контура. В этом случае можно рассматривать электрическое сопротивление, как аналог сил трения в механической системе.

Резонанс токов

Для создания необходимых условий можно применить параллельное соединение типовых элементов (R, L и C). Если обеспечить равенство импедансов реактивных составляющих, на определенной частоте суммарное значение токов в соответствующих цепях будет больше, по сравнению с током источника питания. Графика на рисунке демонстрирует векторное представление электрических параметров. В этом режиме наблюдается равномерное распределение энергетического баланса колебательного процесса, который поддерживают конденсатор и катушка индуктивности.

Для вычислений нужно уточнить влияние каждого компонента. Емкость создает препятствие прохождению тока, определяемое формулой:

Xc = 1/(2π*f*C),

где:

• Xc – сопротивление;
• f – частота;
• С – емкость.

Индуктивная составляющая определяется следующим образом:

XL = 2π*f*L.

Полное сопротивление контура:

Z = √R2 + (2π*f*L – 1/(2π*f*C)2.

При равенстве реактивных компонентов несложно сделать вывод о том, что 2π*f*L = 1/2π*f*C. Частоту, на которой появится резонанс, вычисляют по формуле:

Fрезонанса = 1/2π * √ (L*C).

Условия резонанса напряжений в последовательном контуре

Сложные колебательные структуры

Если применить трансформатор для образования связи между двумя колебательными контурами, расчет усложняется. Для создания необходимых условий обеспечивают равенство реактивных составляющих.

Резонансные кривые связанных контуров

Рисунок демонстрирует изменение полосы пропускания при разных значениях коэффициента (К), определяющего передачу напряжения. При увеличении этого параметра выше критического уровня (K>Ккр) образуется двугорбая кривая. Максимальная ширина полосы пропускания обеспечивается при К = 0,7*Кмакс. Дальнейшее усиление связи формирует провал в средней части.

Нелинейные системы

Если отсутствуют симметричные реакции на сторонние воздействия, резонансные явления проявляются особым образом. В частности, наличие в цепи катушки с ферритовым сердечником существенно усложняет точный расчет. В подобных материалах магнитные свойства определяются нелинейным распределением элементарных компонентов.

Презентация на тему: » Резонанс Проявление в природе и технике. Значение Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний тока в колебательном контуре, которое происходит.» — Транскрипт:

1

Резонанс Проявление в природе и технике

2

Значение Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний тока в колебательном контуре, которое происходит при совпадении частоты вынужденных колебаний с собственной частотой колебательного контура – называется резонансом.

3

В простейших случаях Резонанс наступает при приближении частоты внешнего воздействия к одной из тех частот, с которыми происходят собственные колебания в системе, возникающие в результате начального толчка. Характер явления Резонанс существенно зависит от свойств колебательной системы. Наиболее просто Резонанс протекает в тех случаях, когда периодическому воздействию подвергается система с параметрами, не зависящими от состояния самой системы ( т. н. линейные системы ).

4

Резонанс весьма часто наблюдается в природе и играет огромную роль в технике. Большинство сооружений и машин способны совершать собственные колебания, поэтому периодические внешние воздействия могут вызвать их резонанс.

5

Разрушение моста в результате того, что по нему шли маршевым шагом

6

Резонанс моста под действием периодических толчков при прохождении поезда по стыкам рельсов

7

Некоторые возникшие в последнее время обстоятельства позволили воспринимать горные удары как лабораторную модель природных землетрясений. То есть предположить, что и природные землетрясения имеют резонансное происхождение.

8

Известны случаи, когда целые корабли входили в резонанс при определённых числах оборотов гребного вала

9

Роль резонанса Во всех случаях резонанс приводит к резкому увеличению амплитуды вынужденных колебаний всей конструкции и может привести даже к разрушению сооружения. Это вредная роль резонанса, для устранения которой подбирают свойства системы так, чтобы её нормальные частоты были далеки от возможных частот внешнего воздействия, либо используют в том или ином виде явление антирезонанса (применяют т. н. поглотители колебаний, или успокоители). В др. случаях резонанс играет положительную роль, например:

10

В радиотехнике По существу на резонансе основана техника радиоприема. Многочисленные радиостанции излучают электромагнитные волны, которые наводят в антенне радиоприемника переменные электрические колебания, причем каждая радиостанция наводит колебания своей определенной частоты. Если бы мы не умели выделить из этой сложнейшей смеси колебаний колебания, наводимые интересующей нас радиостанцией, то никакой радиоприем не был бы возможен. Здесь и приходит на помощь электрический резонанс.

11

Разумеется, в электротехнике, как и в машиностроении, резонанс может явиться величайшим злом там, где его не должно быть. Если электрическая цепь рассчитана на работу в отсутствие резонанса, то возникновение резонанса вызовет аварию : провода раскалятся от чрезмерно сильных токов, изоляция будет пробита из — за высоких резонансных напряжений, и т. п. В прошлом веке, когда электрические колебания были еще недостаточно изучены, такие аварии случались. Теперь же мы умеем в зависимости от условий либо использовать резонанс, либо устранять его.

Электромеханические резонаторы

Явление механического резонанса – это повышение амплитуды вынужденных колебательных перемещений. Электромеханический резонатор – это устройство, предназначенное для измерения сил механической природы и её производных. По техническому замыслу он подобен пьезоэлектрическому датчику, но с более высокой добротностью. Основными элементами такого устройства являются:

• пьезоэлектрическая пластина, имеющая форму спаренного камертона (параллельные одинаковые стержни с объединёнными между собой концами);
• электроды, присоединённые к концам пьезоэлектрического компонента.

Для понижения частоты служит сосредоточенная масса, которая с помощью перемычки подсоединяется к средним частям стержней.

Устройство электромеханического резонатора

На приведённой картинке отображены следующие зоны и элементы:

• 1 – стержни (сечение равномерно по всему стержню);
• 2 – объединённые элементы;
• 3 – зона размещения электродов;
• 4 – массы сосредоточения;
• 5 – перемычки;
• 6 – места для закрепления резонатора и подключения цепи для силоизмерения.

К сведению. Электромеханические резонаторы – это детали или устройства, объединяющие в себе свойства механического резонирования и пьезоэлектрических преобразований.

Разрушительная сила звука

Многие наверняка слышали о том, что винный бокал можно разбить голосом оперной певицы. Если вы слегка ударите бокал ложкой, он будет «звонить», как колокол, на своей резонансной частоте. Если на стекло оказывается звуковое давление на определенной частоте, оно начинает вибрировать. По мере того как стимул продолжается, вибрация в бокале накапливается до тех пор, пока он не разрушится, когда будут превышены механические пределы.

Примеры полезного и вредного резонанса повсюду. Микроволны окружают все вокруг, от микроволновой печки, которая разогревает пищу без применения внешнего тепла, до вибраций в земной коре, приводящих к разрушительным землетрясениям.

Положительные и отрицательные стороны резонанса

Увеличение колебаний в два раза и более, по сравнению с исходным допуском технического задания, способно привести к разрушению конструкции. Однако это же проявление в другой ситуации выполняет полезные функции. Плюсы и минусы резонанса удобно изучать на конкретных примерах.

Резонансный преобразователь

Определенный резон имеет создание системы отопления с помощью электроэнергии, созданной солнечными батареями. Эти «бесплатные» генераторы по мере совершенствования производственных технологий становятся дешевле. Эффективный индукционный нагреватель можно собрать самостоятельно. Некоторые схемы по КПД не уступают фабричным аналогам.

Нагреватель воды

Следующие примеры резонанса демонстрируют отрицательные стороны явления:

• чрезмерное увеличение амплитуды колебаний элементов подвески транспортных средств;
• вредный и неприятный звук, который формируется на резонансных частотах технологическим оборудованием;
• возникновение помех в акустических, оптических и радио трактах.

Колебания и частота

Если установить равные реактивные составляющие в последовательном колебательном контуре, увеличится проводимость. С учетом обозначенных условий после простых математических преобразований определяют резонансную (Fрез) частоту:

• 2π * f * L = 1/2π * f * C;
• Fрез = 1/2π * √ L*C.

К сведению. При необходимости можно использовать специализированную программу или калькулятор на справочном сайте для расчета частоты резонансного контура в режиме онлайн.

Простейший пример колебаний – катание на качелях. Мы приводим его не зря, этот пример еще пригодится нам для понимания сути явления резонанса в дальнейшем.

Резонанс может наступить только там, где есть колебания

И не важно, какие это колебания – колебания электрического напряжения,  звуковые колебания, или просто механические колебания

На рисунке ниже опишем, какими могут быть колебания.

Виды колебаний

Колебания характеризуются амплитудой и частотой. Для уже упомянутых выше качелей амплитуда колебаний – это максимальная высота, на которую взлетают качели. Также мы можем раскачивать качели медленно или быстро. В зависимости от этого будет меняться частота колебаний.

Когда мы раскачиваем качели, периодически раскачивая систему с определенной силой (в данном случае качели – это колебательная система), она совершает вынужденные колебания. Увеличения амплитуды колебаний можно добиться, если воздействовать на эту систему определенным образом.