Механический резонанс

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.

Маятник

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.

Зависимость амплитуды от отношения частот

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.

Колебания струны

Резонанс находит применение в язычковых частотомерах. Та пластина (язычок), резонансная частота которой совпадает с измеряемой или наиболее близка к ней, имеет максимальный размах колебаний.

Язычковый частотомер

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.

Кварцевый резонатор

Группа кварцевых резонаторов, соединенных в цепь, образует частотный фильтр с очень хорошими свойствами: высокой добротностью, точной установкой полосы пропускания или частотой среза.

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