Резонатор — это устройство или система, которая проявляет резонансное или резонансное поведение. То есть, оно естественным образом колеблется с большей амплитудой на некоторых частотах , называемых резонансными частотами , чем на других частотах. Колебания в резонаторе могут быть как электромагнитными, так и механическими (включая акустические ). Резонаторы используются либо для генерации волн определенных частот, либо для выбора определенных частот из сигнала. Музыкальные инструменты используют акустические резонаторы, которые производят звуковые волны определенных тонов. Другим примером являются кварцевые кристаллы, используемые в электронных устройствах, таких как радиопередатчики и кварцевые часы, для создания колебаний очень точной частоты.
Полостной резонатор — это резонатор, в котором волны существуют в полом пространстве внутри устройства. В электронике и радио микроволновые полости , состоящие из полых металлических коробок, используются в микроволновых передатчиках, приемниках и испытательном оборудовании для управления частотой вместо настроенных контуров , которые используются на более низких частотах. Акустические полостные резонаторы, в которых звук создается вибрацией воздуха в полости с одним отверстием, известны как резонаторы Гельмгольца .
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 масса на пружине, маятники , балансиры 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 того, как число связанных гармонических осцилляторов растет, время, необходимое для передачи энергии от одного к другому, становится значительным. Вибрации в них начинают распространяться через связанные гармонические осцилляторы волнами, от одного осциллятора к другому.
Термин резонатор чаще всего используется для обозначения однородного объекта, в котором колебания распространяются как волны с приблизительно постоянной скоростью, отскакивая вперед и назад между сторонами резонатора. Материал резонатора, через который протекают волны, можно рассматривать как состоящий из миллионов связанных движущихся частей (например, атомов). Поэтому они могут иметь миллионы резонансных частот, хотя только некоторые из них могут использоваться в практических резонаторах. Противоположно движущиеся волны интерферируют друг с другом и на своих резонансных частотах усиливают друг друга, создавая в резонаторе картину стоячих волн . Если расстояние между сторонами равно , то длина кругового пути равна . Чтобы вызвать резонанс, фаза синусоидальной волны после кругового пути должна быть равна начальной фазе, поэтому волны самоусиливались. Условием резонанса в резонаторе является то, что расстояние кругового пути, , равно целому числу длин волн волны:
Если скорость волны равна , то частота равна , поэтому резонансные частоты равны:
Итак, резонансные частоты резонаторов, называемые нормальными модами , являются равномерно распределенными кратными ( гармониками ) самой низкой частоты, называемой основной частотой . Приведенный выше анализ предполагает, что среда внутри резонатора однородна, поэтому волны распространяются с постоянной скоростью, и что форма резонатора прямолинейна. Если резонатор неоднороден или имеет непрямолинейную форму, например, круглую барабанную перепонку или цилиндрическую микроволновую полость , резонансные частоты могут не возникать в равномерно распределенных кратных основной частоте. Тогда их называют обертонами, а не гармониками . В одном резонаторе может быть несколько таких серий резонансных частот, соответствующих различным режимам вибрации.
Электрическая цепь, состоящая из дискретных компонентов, может действовать как резонатор, когда включены как индуктор , так и конденсатор . Колебания ограничиваются включением сопротивления, либо через определенный компонент резистора , либо из-за сопротивления обмоток индуктора. Такие резонансные цепи также называются RLC-цепями по символам цепей для компонентов.
Резонатор с распределенными параметрами имеет емкость, индуктивность и сопротивление, которые не могут быть изолированы в отдельные сосредоточенные конденсаторы, индукторы или резисторы. Примером этого, часто используемым в фильтрации , является спиральный резонатор .
Индуктор , состоящий из катушки провода, является саморезонансным на определенной частоте из-за паразитной емкости между его витками. Это часто нежелательный эффект, который может вызывать паразитные колебания в радиочастотных цепях. Саморезонанс индукторов используется в нескольких схемах, таких как катушка Тесла .
Полый резонатор — это полый закрытый проводник, такой как металлическая коробка или полость внутри металлического блока, содержащий электромагнитные волны (радиоволны), отражающиеся вперед и назад между стенками полости. Когда применяется источник радиоволн на одной из резонансных частот полости , противоположно движущиеся волны образуют стоячие волны , и полость накапливает электромагнитную энергию.
Поскольку самая низкая резонансная частота полости, основная частота, — это та, при которой ширина полости равна половине длины волны (λ/2), резонаторы полости используются только на микроволновых частотах и выше, где длины волн достаточно короткие, чтобы полость имела удобно малые размеры.
Из-за низкого сопротивления их проводящих стенок, резонаторы полости имеют очень высокие Q-факторы ; то есть их полоса пропускания , диапазон частот вокруг резонансной частоты, на которой они будут резонировать, очень узкий. Таким образом, они могут действовать как узкополосные фильтры . Резонаторы полости широко используются в качестве элемента, определяющего частоту в микроволновых генераторах . Их резонансную частоту можно настраивать, перемещая одну из стенок полости внутрь или наружу, изменяя ее размер.
Резонаторный магнетрон представляет собой вакуумную трубку с нитью накала в центре вакуумированного, лепесткового, круглого резонатора. Перпендикулярное магнитное поле накладывается постоянным магнитом. Магнитное поле заставляет электроны, притягиваемые к (относительно) положительной внешней части камеры, выходить по спирали наружу по круговой траектории, а не двигаться напрямую к этому аноду. По краю камеры расположены цилиндрические полости. Полости открыты по всей своей длине, и поэтому они соединяются с общим пространством полости. Когда электроны проносятся мимо этих отверстий, они индуцируют резонансное высокочастотное радиополе в полости, что, в свою очередь, заставляет электроны группироваться в группы. Часть этого поля извлекается с помощью короткой антенны, которая соединена 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 , трубчатый волновод, представляет собой лучевую трубку, включающую по крайней мере два апертурных резонатора. Пучок заряженных частиц последовательно проходит через отверстия резонаторов, часто настраиваемых решеток 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 без поля, где происходит дальнейшая группировка, затем сгруппированные частицы попадают во второй резонатор, отдавая свою энергию для возбуждения его колебаний. Это ускоритель частиц , который работает совместно с определенным образом настроенной полостью за счет конфигурации структур.
Отражательный клистрон — это клистрон, использующий только один апертурный резонатор, через который проходит пучок заряженных частиц, сначала в одном направлении. Отражательный электрод предусмотрен для отражения (или перенаправления) пучка после прохождения через резонатор обратно через резонатор в другом направлении и в правильной фазе для усиления колебаний, установленных в резонаторе.
,-14.06.2007.jpg/1280px-Aust.-Synchrotron,-RF-Cavities-of-Linac-(Bunchers),-14.06.2007.jpg)
На линии пучка ускорительной системы имеются специальные секции, которые являются резонаторами для радиочастотного (РЧ) излучения. (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, таким образом, ускоряя их. Несколько крупных ускорительных установок используют сверхпроводящие ниобиевые полости для улучшения производительности по сравнению с металлическими (медными) полостями.
Петлевой резонатор (LGR) изготавливается путем разрезания узкой щели по длине проводящей трубки. Щель имеет эффективную емкость, а отверстие резонатора имеет эффективную индуктивность. Таким образом, LGR можно смоделировать как RLC-цепь, и его резонансная частота обычно находится в диапазоне от 200 МГц до 2 ГГц. При отсутствии потерь на излучение эффективное сопротивление LGR определяется удельным сопротивлением и электромагнитной глубиной скин-слоя проводника, используемого для изготовления резонатора.
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. Поэтому можно использовать LGR для создания компактного и высокодобротного резонатора, работающего на относительно низких частотах, где объемные резонаторы были бы непрактично большими.
Если кусок материала с большой диэлектрической проницаемостью окружен материалом с гораздо меньшей диэлектрической проницаемостью, то это резкое изменение диэлектрической проницаемости может вызвать ограничение электромагнитной волны, что приводит к резонатору, который действует аналогично объемному резонатору. [1]
Линии передачи — это структуры, которые позволяют широкополосную передачу электромагнитных волн, например, на радио- или микроволновых частотах. Резкое изменение импеданса (например, обрыв или 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 с резонансными частотами, определяемыми их расстоянием и эффективной диэлектрической проницаемостью линии передачи. [1] Распространенной формой является резонансный шлейф , отрезок линии передачи, заканчивающийся либо короткозамкнутой , либо разомкнутой цепью, соединенный последовательно или параллельно с основной линией передачи.
Планарные резонаторы линии передачи обычно используются для копланарных , полосковых и микрополосковых линий передачи. Такие планарные резонаторы линии передачи могут быть очень компактными по размеру и широко используются в микроволновых схемах. В криогенных исследованиях твердого тела сверхпроводящие резонаторы линии передачи вносят вклад в твердотельную спектроскопию [2] и квантовую информатику. [3] [4]
В лазере свет усиливается в резонаторе полости, который обычно состоит из двух или более зеркал. Таким образом, оптическая полость , также известная как резонатор, представляет собой полость со стенками, которые отражают электромагнитные волны (т.е. свет ). Это позволяет стоячим волнам существовать с небольшими потерями.
Механические резонаторы используются в электронных схемах для генерации сигналов точной частоты . Например, пьезоэлектрические резонаторы , обычно изготавливаемые из кварца , используются в качестве опорных частот. Обычные конструкции состоят из электродов, прикрепленных к куску кварца, в форме прямоугольной пластины для высокочастотных приложений или в форме камертона для низкочастотных приложений. Высокая размерная стабильность и низкий температурный коэффициент кварца помогают поддерживать постоянную резонансную частоту. Кроме того, пьезоэлектрические свойства кварца преобразуют механические колебания в колебательное напряжение , которое улавливается прикрепленными электродами. Эти кварцевые генераторы используются в кварцевых часах и наручных часах, для создания тактового сигнала , который управляет компьютерами, и для стабилизации выходного сигнала радиопередатчиков .
Механические резонаторы также могут использоваться для создания стоячей волны в других средах. Например, система с несколькими степенями свободы может быть создана путем наложения базового возбуждения на консольную балку. В этом случае стоячая волна накладывается на балку. [5] Этот тип системы может использоваться в качестве датчика для отслеживания изменений частоты или фазы резонанса волокна. Одним из применений является использование в качестве измерительного устройства для размерной метрологии . [6]
Наиболее известные примеры акустических резонаторов — музыкальные инструменты . У каждого музыкального инструмента есть резонаторы. Некоторые из них генерируют звук напрямую, например, деревянные планки ксилофона , головка барабана , струны струнных инструментов и трубы органа . Некоторые изменяют звук, усиливая определенные частоты, например, звуковой ящик гитары или скрипки . Органные трубы , корпуса деревянных духовых инструментов и звуковые ящики струнных инструментов являются примерами акустических объемных резонаторов.
Выхлопные трубы в автомобильных выхлопных системах спроектированы как акустические резонаторы, которые работают с глушителем для снижения шума, заставляя звуковые волны «гасить друг друга». [7] «Выхлопной звук» является важной характеристикой для некоторых владельцев транспортных средств, поэтому как оригинальные производители, так и поставщики на вторичном рынке используют резонатор для улучшения звука. В « настроенных выхлопных » системах, разработанных 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]
Во многих клавишных ударных инструментах под центром каждой ноты находится трубка, которая является акустическим резонатором . Длина трубки варьируется в зависимости от высоты тона ноты, причем более высокие ноты имеют более короткие резонаторы. Трубка открыта на верхнем конце и закрыта на нижнем конце, создавая столб воздуха, который резонирует при ударе по ноте. Это добавляет глубину и громкость ноте. В струнных инструментах корпус инструмента является резонатором. Эффект тремоло вибрафона достигается с помощью механизма, который открывает и закрывает резонаторы.
Струнные инструменты, такие как банджо блюграсс , также могут иметь резонаторы. Многие пятиструнные банджо имеют съемные резонаторы, поэтому игроки могут использовать инструмент с резонатором в стиле блюграсс или без него в стиле фолк-музыки . Термин резонатор , используемый сам по себе, может также относиться к резонаторной гитаре .
Современная десятиструнная гитара , изобретенная Нарцисо Йепесом , добавляет четыре симпатических струнных резонатора к традиционной классической гитаре. Настраивая эти резонаторы очень специфическим образом (C, B♭, A♭, G♭) и используя их самые сильные парциалы (соответствующие октавам и квинтам основных тонов струн), басовые струны гитары теперь резонируют одинаково с любым из 12 тонов хроматической октавы. Гитарный резонатор — это устройство для управления гармониками гитарной струны электромагнитным полем. Этот эффект резонанса вызван петлей обратной связи и применяется для управления основными тонами, октавами, 5-й, 3-й до бесконечного сустейна .
Медиа, связанные с резонаторами на Wikimedia Commons
