Резонатор - Resonator

А резонатор это устройство или система, которая показывает резонанс или резонансное поведение. То есть естественно колеблется с большим амплитуда некоторые частоты, называется резонансные частоты, чем на других частотах. Колебания в резонаторе могут быть либо электромагнитный или механический (в том числе акустический ). Резонаторы используются либо для генерации волн определенных частот, либо для выбора определенных частот из сигнала. Использование музыкальных инструментов акустический резонаторы, производящие звуковые волны определенного тона. Другой пример кристаллы кварца используется в электронных устройствах, таких как радиопередатчики и кварцевые часы для создания колебаний очень точной частоты.

Стоячая волна в прямоугольном объемном резонаторе

А объемный резонатор это тот, в котором волны существуют в полом пространстве внутри устройства. В электронике и радио, СВЧ-резонаторы состоящие из полых металлических коробок, используются в микроволновых передатчиках, приемниках и испытательном оборудовании для контроля частоты вместо настроенные схемы которые используются на более низких частотах. Акустические объемные резонаторы, в которых звук создается за счет вибрации воздуха в полости с одним отверстием, известны как Резонаторы Гельмгольца.

Объяснение

В физической системе может быть столько резонансные частоты как это было степени свободы; каждая степень свободы может колебаться как гармонический осциллятор. Системы с одной степенью свободы, например груз на пружине, маятники, балансирные колеса, и Настроенные схемы LC имеют одну резонансную частоту. Системы с двумя степенями свободы, например связанные маятники и резонансные трансформаторы может иметь две резонансные частоты. А кристаллическая решетка состоит из N связанные вместе атомы могут иметь N резонансные частоты. По мере увеличения числа связанных гармонических осцилляторов время, необходимое для передачи энергии от одного к другому, становится значительным. Колебания в них начинают перемещаться по связанным гармоническим осцилляторам волнами от одного осциллятора к другому.

Период, термин резонатор чаще всего используется для однородного объекта, в котором колебания распространяются как волны с примерно постоянной скоростью, отражаясь назад и вперед между сторонами резонатора. Материал резонатора, через который проходят волны, можно рассматривать как состоящий из миллионов связанных движущихся частей (например, атомов). Следовательно, они могут иметь миллионы резонансных частот, хотя только некоторые из них могут использоваться в практических резонаторах. Противоположно движущиеся волны вмешиваться друг с другом, и на своем резонансные частоты усиливают друг друга, чтобы создать образец стоячие волны в резонаторе. Если расстояние между сторонами равно ${ displaystyle d ,}$ , длина пути туда и обратно составляет ${ displaystyle 2d ,}$ . Чтобы вызвать резонанс, фаза из синусоидальный волна после кругового обхода должна быть равна начальной фазе, чтобы волны самоусиливались. Условием резонанса в резонаторе является то, что расстояние туда и обратно, ${ displaystyle 2d ,}$ , равно целому числу длин волн ${ displaystyle lambda ,}$ волны:

{ Displaystyle 2d = N лямбда, qquad qquad N in {1,2,3, точки }}

Если скорость волны равна ${ displaystyle c ,}$ , частота ${ Displaystyle е = с / лямбда ,}$ поэтому резонансные частоты:

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

Так резонансные частоты резонаторов, называемые нормальные режимы, кратные через равные промежутки (гармоники ) самой низкой частоты, называемой основная частота. Приведенный выше анализ предполагает, что среда внутри резонатора однородна, поэтому волны распространяются с постоянной скоростью, а форма резонатора прямолинейна. Если резонатор неоднороден или имеет непрямолинейную форму, например круговую барабан или цилиндрический микроволновая печь резонансные частоты могут не возникать на равных кратных основной частоте. Затем их называют обертоны вместо гармоники. В одном резонаторе может быть несколько таких серий резонансных частот, соответствующих различным режимам колебаний.

Электромагнетизм

Резонансные схемы

Электрическая цепь, состоящая из дискретных компонентов, может действовать как резонатор, когда оба индуктор и конденсатор включены. Колебания ограничиваются включением сопротивления либо посредством определенного резистор компонент, или из-за сопротивление обмоток индуктора. Такой резонансные контуры также называются Цепи RLC после обозначений схем компонентов.

А распределенный параметр Резонатор имеет емкость, индуктивность и сопротивление, которые нельзя изолировать на отдельные сосредоточенные конденсаторы, катушки индуктивности или резисторы. Пример этого, часто используемый в фильтрация, это спиральный резонатор.

An индуктор состоящий из катушки с проволокой, является саморезонансным на определенной частоте из-за паразитная емкость между его поворотами. Часто это нежелательный эффект, который может вызвать паразитные колебания в цепях RF. Саморезонанс катушек индуктивности используется в нескольких цепях, таких как Катушка Тесла.

Полостные резонаторы

А объемный резонатор представляет собой полый замкнутый проводник, такой как металлический ящик или полость внутри металлического блока, содержащего электромагнитные волны (радиоволны), отражающиеся взад и вперед между стенками полости. Когда источник радиоволн в одном из резонаторов резонансные частоты применяется противоположно движущиеся волны образуют стоячие волны, а полость хранит электромагнитную энергию.

Поскольку самая низкая резонансная частота полости, основная частота, равна той, при которой ширина полости равна половине длины волны (λ / 2), объемные резонаторы используются только при микроволновая печь частоты и выше, где длины волн достаточно короткие, чтобы резонатор имел удобный небольшой размер.

Из-за низкого сопротивления проводящих стенок объемные резонаторы имеют очень высокую Q-факторы; это их пропускная способность диапазон частот вокруг резонансной частоты, на которой они будут резонировать, очень узок. Таким образом, они могут действовать как узкие полосовые фильтры. Полостные резонаторы широко используются как элемент определения частоты в микроволновые генераторы. Их резонансную частоту можно настраивать, перемещая одну из стенок полости внутрь или наружу, изменяя ее размер.

Иллюстрация электрического и магнитного поля одной из возможных мод в объемном резонаторе.

Полостной магнетрон

В резонаторный магнетрон представляет собой вакуумную трубку с нитью накала в центре откачанного лопастного резонатора с круглой полостью. 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 пространством полостей. Когда электроны проходят мимо этих отверстий, они создают резонансное высокочастотное радиополе в полости, которое, в свою очередь, заставляет электроны группироваться в группы. Часть этого поля извлекается с помощью короткой антенны, подключенной к волноводу (металлической трубке обычно прямоугольного сечения). В волновод направляет извлеченную радиочастотную энергию на загрузку, которой может быть варочная камера в микроволновой печи или антенна с высоким коэффициентом усиления в случае радара.

Клистрона

В клистрон Трубчатый волновод представляет собой лучевую трубку, включающую по меньшей мере два полостных резонатора с отверстиями. Пучок заряженных частиц последовательно проходит через отверстия резонаторов, часто перестраиваемые решетки отражения волн. Коллекторный электрод предназначен для перехвата луча после прохождения через резонаторы. Первый резонатор вызывает группировку проходящих через него частиц. Сгруппированные частицы перемещаются в области, свободной от поля, где происходит дальнейшая группировка, затем сгруппированные частицы попадают во второй резонатор, отдавая свою энергию, чтобы вызвать колебания. Это ускоритель частиц который работает в сочетании со специально настроенным резонатором конфигурацией структур.

В рефлекторный клистрон представляет собой клистрон, в котором используется только один полостной резонатор с отверстиями, через который проходит пучок заряженных частиц, сначала в одном направлении. Отталкивающий электрод предназначен для отражения (или перенаправления) луча после прохождения через резонатор обратно через резонатор в другом направлении и в правильной фазе, чтобы усилить колебания, возникающие в резонаторе.

ВЧ резонаторы в линейный ускоритель из Австралийский синхротрон используются для ускорения и объединения пучков электроны; линейный ускоритель - это трубка, проходящая через середину полости.

Применение в ускорителях частиц

На луч системы ускорителя, есть специальные секции, которые являются объемными резонаторами для РФ. (Заряженные) частицы, которые должны быть ускорены, проходят через эти полости таким образом, что микроволновое электрическое поле передает энергию частицам, тем самым увеличивая их кинетическую энергию и тем самым ускоряя их. В нескольких крупных ускорительных установках используется сверхпроводящие ниобиевые полости для улучшения характеристик по сравнению с металлическими (медными) полостями.

Петлевой резонатор

В петлевой резонатор (LGR} получается путем вырезания узкой щели по длине проводящей трубки. Щель имеет эффективную емкость, а отверстие резонатора имеет эффективную индуктивность. Таким образом, LGR можно смоделировать как цепь RLC и имеет резонансную частота, которая обычно составляет от 200 МГц до 2 ГГц.При отсутствии потерь на излучение эффективное сопротивление LGR определяется удельным сопротивлением и глубиной электромагнитного скин-слоя проводника, из которого сделан 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, который работает на относительно низких частотах, где объемные резонаторы 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 ограничение электромагнитной волны, что приводит к резонатору, который действует аналогично объемному резонатору.^[1]

Резонаторы линии передачи

Линии передачи представляют собой конструкции, которые позволяют 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 собой и, таким образом, действуют как одномерный резонатор, резонансные частоты которого определяются их расстоянием и эффективной диэлектрической проницаемостью линии передачи.^[1] Распространенной формой является резонансный заглушка, отрезок линии передачи, заканчивающийся короткое замыкание или разомкнутая цепь, соединенная последовательно или параллельно с главной линией передачи.

Плоские резонаторы линии передачи обычно используются для копланарный, полоса, и микрополоска линии передачи. Такие планарные резонаторы линии передачи могут быть очень компактными по размеру и широко используются в СВЧ схемах. В криогенных исследованиях твердого тела сверхпроводящие резонаторы линии передачи вносят вклад в спектроскопию твердого тела. ^[2] и квантовая информатика.^[3]^[4]

Оптические резонаторы

В лазер, свет усиливается в объемном резонаторе, который обычно состоит из двух или более зеркал. Таким образом оптический резонатор, также известный как резонатор, представляет собой полость со стенками, которые отражают электромагнитные волны (т.е. свет ). Это позволяет режимам стоячей волны существовать с небольшими потерями.

Механический

Механические резонаторы используются в электронные схемы генерировать сигналы точного частота. Например, пьезоэлектрические резонаторы, обычно из кварц, используются как эталоны частоты. Обычные конструкции состоят из электродов, прикрепленных к куску кварца, в форме прямоугольной пластины для высокочастотных приложений или в форме камертон для низкочастотных приложений. Высокая размерная стабильность и низкий температурный коэффициент кварца помогает поддерживать постоянную резонансную частоту. Кроме того, кварцевые пьезоэлектрический свойство превращает механические колебания в колебательные Напряжение, который улавливается присоединенными электродами. Эти кварцевые генераторы используются в кварцевые часы и часы, чтобы создать тактовый сигнал который запускает компьютеры, и для стабилизации выходного сигнала от радиопередатчики. Механические резонаторы также могут быть использованы для создания стоячей волны в других средах. Например, система с множеством степеней свободы может быть создана путем наложения основного возбуждения на консольную балку. В этом случае стоячая волна накладывается на балку.^[5] Этот тип системы может использоваться как датчик отслеживать изменения в частота или же фаза из резонанс волокна. Одно приложение - это прибор для измерения метрология размеров.^[6]

Акустический

Наиболее известные примеры акустических резонаторов находятся в музыкальные инструменты. У каждого музыкального инструмента есть резонаторы. Некоторые из них создают звук напрямую, например, деревянные прутья в ксилофон, глава барабан, струны в струнные инструменты, и трубы в орган. Некоторые модифицируют звук, улучшая определенные частоты, например звуковой ящик из гитара или же скрипка. Органные трубы, тела деревянные духовые, а звуковые ящики струнных инструментов являются примерами объемных акустических резонаторов.

Автомобили

Спортивный мотоцикл, оснащенный выхлопным резонатором, рассчитанный на высокие характеристики.

Выхлопные трубы в автомобиле выхлопные системы спроектированы как акустические резонаторы, работающие с глушитель чтобы уменьшить шум, заставляя звуковые волны «гасить друг друга».^[7] «Нота выхлопа» - важная особенность для некоторых владельцев автомобилей, поэтому как оригинальные производители, так и сторонние поставщики используйте резонатор для усиления звука. В "настроенный выхлоп «Системы, предназначенные для обеспечения 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 клавиатура перкуссия инструментов, под центром каждой ноты находится трубка, которая объемный акустический резонатор. Длина трубки изменяется в зависимости от высоты звука, при этом более высокие ноты имеют более короткие резонаторы. Трубка открыта в верхнем конце и закрыта в нижнем, создавая столб воздуха, который резонирует при ударе по ноте. Это добавляет нотке глубины и объема. В струнных инструментах корпус инструмента представляет собой резонатор. В тремоло эффект вибрафон достигается с помощью механизма, который открывает и закрывает резонаторы.

Струнные инструменты

А Добро -стиль резонаторная гитара

Струнные инструменты, такие как мятлик банджо также могут иметь резонаторы. Многие пятиструнные банджо имеют съемные резонаторы, поэтому игроки могут использовать инструмент с резонатором в мятлик стиль, или без него в Народная музыка стиль. Период, термин резонатор, используемый сам по себе, может также относиться к резонаторная гитара.

Современный десятиструнная гитара, изобретенный Нарцисо Йепес, добавляет к традиционной классической гитаре четыре резонатора струнных резонаторов. Настроив эти резонаторы очень специфическим образом (C, B, A ♭, G) и используя их самые сильные частичные (соответствующие октавам и квинтам основного тона струн), басовые струны гитары теперь резонируют одинаково с любым из 12 тонов хроматической октавы. В гитарный резонатор это устройство для возбуждения гармоник гитарной струны электромагнитным полем. Этот резонансный эффект вызван петлей обратной связи и применяется для приведения основных тонов, октав, пятой, третьей к бесконечному поддерживать.

Смотрите также

Ссылки и примечания

^ ^а ^б Дэвид Позар, Microwave Engineering, 2-е издание, Wiley, New York, NY, 1998.
^ Д. Хафнер; и другие. (2014). «Измерение поверхностного сопротивления с использованием сверхпроводящих полосковых резонаторов». Rev. Sci. Instrum. 85 (1): 014702. arXiv:1309.5331. Bibcode:2014RScI ... 85a4702H. Дои:10.1063/1.4856475. PMID 24517793. S2CID 16234011.
^ Л. Фрунцио; и другие. (2005). «Изготовление и характеристика устройств QED со сверхпроводящей схемой для квантовых вычислений». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости. 15 (2): 860–863. arXiv:cond-mat / 0411708. Bibcode:2005ITAS ... 15..860F. Дои:10.1109 / TASC.2005.850084. S2CID 12789596.
^ М. Геппль; и другие. (2008). "Копланарные волноводные резонаторы для схемной квантовой электродинамики". J. Appl. Phys. 104 (11): 113904–113904–8. arXiv:0807.4094. Bibcode:2008JAP ... 104k3904G. Дои:10.1063/1.3010859. S2CID 56398614.
^ М.Б. Бауза; Р. Дж. Хоккен; С. Т. Смит; С. К. Вуди (2005), «Разработка виртуального наконечника зонда с применением микромасштабных функций с высоким соотношением сторон», Обзор научных инструментов, Rev. Sci Instrum, 76 (9) 095112, 76 (9): 095112–095112–8, Bibcode:2005RScI ... 76i5112B, Дои:10.1063/1.2052027 .
^ «Решения для точного машиностроения и производства - IST Precision». www.insitutec.com. В архиве из оригинала 31 июля 2016 г.. Получено 7 мая 2018.
^ "Как работают глушители". howstuffworks.com. 19 февраля 2001 г. В архиве с оригинала 8 октября 2005 г.. Получено 7 мая 2018.
^ Передовые автомобильные технологии, п. 84, Управление оценки технологий, Diane Publishing, сентябрь 1995 г. ISBN 1428920021.

внешняя ссылка

СМИ, связанные с Резонаторы в Wikimedia Commons

[pozar-1] а ^б Дэвид Позар, Microwave Engineering, 2-е издание, Wiley, New York, NY, 1998.

[2] Д. Хафнер; и другие. (2014). «Измерение поверхностного сопротивления с использованием сверхпроводящих полосковых резонаторов». Rev. Sci. Instrum. 85 (1): 014702. arXiv:1309.5331. Bibcode:2014RScI ... 85a4702H. Дои:10.1063/1.4856475. PMID 24517793. S2CID 16234011.

[3] Л. Фрунцио; и другие. (2005). «Изготовление и характеристика устройств QED со сверхпроводящей схемой для квантовых вычислений». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости. 15 (2): 860–863. arXiv:cond-mat / 0411708. Bibcode:2005ITAS ... 15..860F. Дои:10.1109 / TASC.2005.850084. S2CID 12789596.

[4] М. Геппль; и другие. (2008). "Копланарные волноводные резонаторы для схемной квантовой электродинамики". J. Appl. Phys. 104 (11): 113904–113904–8. arXiv:0807.4094. Bibcode:2008JAP ... 104k3904G. Дои:10.1063/1.3010859. S2CID 56398614.

[5] М.Б. Бауза; Р. Дж. Хоккен; С. Т. Смит; С. К. Вуди (2005), «Разработка виртуального наконечника зонда с применением микромасштабных функций с высоким соотношением сторон», Обзор научных инструментов, Rev. Sci Instrum, 76 (9) 095112, 76 (9): 095112–095112–8, Bibcode:2005RScI ... 76i5112B, Дои:10.1063/1.2052027 .

[6] «Решения для точного машиностроения и производства - IST Precision». www.insitutec.com. В архиве из оригинала 31 июля 2016 г.. Получено 7 мая 2018.

[7] "Как работают глушители". howstuffworks.com. 19 февраля 2001 г. В архиве с оригинала 8 октября 2005 г.. Получено 7 мая 2018.

[8] Передовые автомобильные технологии, п. 84, Управление оценки технологий, Diane Publishing, сентябрь 1995 г. ISBN 1428920021.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]