Низкочастотный резонанс в лабиринте: польза и вред от увеличения звуковой мощности в 200 раз

Под явлением резонанса стоит понимать мгновенный рост величины амплитуды колебаний объекта под воздействием внешнего источника энергии периодического характера воздействия с аналогичным значением частоты.

В статье мы рассмотрим природу возникновения резонанса на примере механического (математического) маятника, электрического колебательного контура и ядерного магнитного резонатора. Для того, чтобы проще представить физические процессы, статья сопровождается многочисленными вставками в виде практических примеров. Цель статьи — объяснить на примитивном уровне явление резонанса в разных областях его возникновения без математических формул.

• Механические колебания маятника
• Простые примеры резонанса из жизни Резонанс качелей
• Звуковой акустический резонанс при пении в ванной
• Звуковой резонанс бокала — опыт в домашних условиях
• Разрушение мостов вследствие резонанса — случай с Такомским мостом

Электроника

В электрических цепях резонансом называется такой режим пассивной цепи, содержащий катушки индуктивности и конденсаторы, при котором ее входное реактивное сопротивление или ее входная 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

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

где ω = 2 π f {\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.

Подробнее по этой теме см. Кварцевый резонатор.

Подробнее по этой теме см. Электромеханический фильтр.

§ 22. Акустический резонанс

Резонансные явления можно наблюдать на механических колебаниях любой частоты, в частности и на звуковых колебаниях. Пример звукового или акустического резонанса мы имеем в следующем опыте.

Поставим рядом два одинаковых камертона, обратив отверстия ящиков, на которых они укреплены, друг к другу (рис. 40). Ящики нужны потому, что они усиливают звук камертонов. Это происходит вследствие резонанса между камертоном и столбом воздуха, заключенного в ящике; поэтому ящики называются резонаторами или резонансными ящиками. Подробнее мы объясним действие этих ящиков ниже, при изучении распространения звуковых волн в воздухе. В опыте, который мы сейчас разберем, роль ящиков чисто вспомогательная.

Рис. 40. Резонанс камертонов

Ударим один из камертонов и затем приглушим его пальцами. Мы услышим, как звучит второй камертон.

Возьмем два разных камертона, т. е. с различной высотой тона, и повторим опыт. Теперь каждый из камертонов уже не будет откликаться на звук другого камертона.

Нетрудно объяснить этот результат. Колебания одного камертона (1) действуют через воздух с некоторой силой на второй камертон (2), заставляя его совершать вынужденные колебания. Так как камертон 1 совершает гармоническое колебание, то сила, действующая на камертон 2, будет меняться по закону гармонического колебания с частотой камертона 1. Если частота силы та же, что и собственная частота камертона 2, то имеет место резонанс — камертон 2 сильно раскачивается. Если же частота силы иная, то вынужденные колебания камертона 2 будут настолько слабыми, что мы их не услышим.

Так как камертоны обладают очень небольшим затуханием, то резонанс у них острый (§ 14). Поэтому уже небольшая разность между частотами камертонов приводит к тому, что один перестает откликаться на колебания другого. Достаточно, например, приклеить к ножкам одного из двух одинаковых камертонов кусочки пластилина или воска, и камертоны уже будут расстроены, резонанса не будет.

Мы видим, что все явления при вынужденных колебаниях происходят у камертонов так же, как и в опытах с вынужденными колебаниями груза на пружине (§ 12).

Если звук представляет собой ноту (периодическое колебание), но не является тоном (гармоническим колебанием), то это означает, как мы знаем, что он состоит из суммы тонов: наиболее низкого (основного) и обертонов. На такой звук камертон должен резонировать всякий раз, когда частота камертона совпадает с частотой какой-либо из гармоник звука. Опыт можно произвести с упрощенной сиреной и камертоном, поставив отверстие резонатора камертона против прерывистой воздушной струи. Если частота камертона равна , то, как легко убедиться, он будет откликаться па звук сирены не только при 300 прерываниях в секунду (резонанс на основной тон сирены), но и при 150 прерываниях — резонанс на первый обертон сирены, и при 100 прерываниях — резонанс па второй обертон, и т. д.

Нетрудно воспроизвести со звуковыми колебаниями опыт, аналогичный опыту с набором маятников (§ 16). Для этого нужно только иметь набор звуковых резонаторов — камертонов, струн, органных труб. Очевидно, струны рояля или пианино образуют как раз такой и притом очень обширный набор колебательных систем с разными собственными частотами. Если, открыв рояль и нажав педаль, громко пропеть над струнами какую-нибудь ноту, то мы услышим, как инструмент откликается звуком той же высоты и сходного тембра. И здесь наш голос создает через воздух периодическую силу, действующую на все струны. Однако откликаются только те из них, которые находятся в резонансе с гармоническими колебаниями — основным и обертонами, входящими в состав спетой нами ноты.

Таким образом, и опыты с акустическим резонансом могут служить прекрасными иллюстрациями справедливости теоремы Фурье.

Акустика

Резонанс — один из важнейших физических процессов, используемых при проектировании звуковых устройств, большинство из которых содержат резонаторы, например, струны и корпус скрипки, трубка у флейты, корпус у барабанов.

Для акустических систем и громкоговорителей резонанс отдельных элементов (корпуса, диффузора) является нежелательным явлением, так как ухудшает равномерность амплитудно-частотной характеристики устройства и верность звуковоспроизведения. Исключением являются акустические системы с фазоинвертором, в которых намеренно создаётся резонанс для улучшения воспроизведения низких частот.

Как определяется резонанс

На примере электричества и резонирования напряжений определить его можно специальными приборами: вольтметром или осциллографом. Для этого делают измерения напряжений во время настройки резонирования. При максимальном напряжении резонанс будет достигнут. Важно понимать, в какой именно системе достигается резонанирование. Например, в трансформаторе «Тесла» напряжение может достигать миллионов вольт и для настройки достаточно поднести щупы на небольшое расстояние к нему и менять параметры, смотря на изменение напряжения. Когда настройка будет достигнута и напряжение будет максимальным – это и будет резонирование.

Вам это будет интересно Особенности SMD конденсаторов

Прибор для демонстрации резонанса маятников

Примечания

1. ↑ 12
   Резонанс // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 4. — С. 308. — 704 с. — ISBN 5-85270-087-8.
2. Andrea Frova and Mariapiera Marenzana.
   Thus spoke Galileo: the great scientist’s ideas and their relevance to the present day (англ.). — Oxford University Press, 2006. — P. 133—137. — ISBN 978-0-19-856625-0.
3. Stillman Drake, Noel M. Swerdlow, and Trevor Harvey Levere.
   Essays on Galileo and the history and philosophy of science (англ.). — University of Toronto Press, 1999. — P. 41—42. — ISBN 978-0-8020-7585-7.
4. В реальных физических ситуациях (например, при колебаниях массивной и жесткой струны) часто́ты высших резонансных колебаний (обертонов) могут заметно отклоняться от величин, кратных частоте основного тона — такие обертоны называются негармоническими, см. также Кривые Рейлсбека.

Механические колебания маятника

Самая простая модель, которая может наглядно показать колебания, это простейший маятник, а точнее математический маятник. Колебания разделяют на свободные и вынужденные. Первоначально воздействующая энергия на маятник обеспечивает в теле свободные колебания без присутствия внешнего источника переменной энергии воздействия. Данная энергия может быть как кинетической, так и потенциальной.

Здесь не имеет значение насколько сильно или нет качается сам маятник, — время, потраченное на прохождения его пути в прямом и обратном направлении, сохраняется неизменным. Во избежание недоразумений с затуханием колебаний вследствие трения о воздух стоит выделить, что для свободных колебаний должны соблюдаться условия возврата маятника в точку равновесия и отсутствия трения.

А вот частота в свою очередь напрямую зависит от величины длины нити маятника. Чем короче нить, тем выше частота и наоборот.

Возникающая естественная частота тела под воздействием первоначально приложенной силы называется резонансной частотой.

Все тела, которым свойственны колебания, совершают их с заданной частотой. Для поддержания в теле незатухающих колебаний необходимо обеспечить постоянную периодическую энергетическую «подпитку». Это достигается воздействием в одновременный такт колебаний тела постоянной силы с определенным периодом. Таким образом возникающие колебания в теле под действием периодической силы снаружи называют вынужденными.

В какой-то момент внешних воздействий возникает резкий скачок амплитуды. Такой эффект возникает если периоды внутренних колебаний тела совпадают с периодами внешней силы и называется резонансом. Для возникновения резонанса достаточно совсем небольших величин внешних источников воздействия, но с обязательным условием повторения в такт. Естественно, при фактических расчетах в земных условиях не стоит забывать о действии сил трения и сопротивления воздуха на поверхность тело.

Литература

• Richardson LF
  (1922), Weather prediction by numerical process, Cambridge.
• Bretherton FP
  (1964), Resonant interactions between waves.
  J. Fluid Mech.
  , 20, 457—472.
• Бломберген Н.
  Нелинейная оптика, М.: Мир, 1965. — 424 с.
• Захаров В. Е.
  (1974), Гамильтонов формализм для волн в нелинейных средах с дисперсией,
  Изв. вузов СССР. Радиофизика
  , 17(4), 431—453.
• Арнольд В. И.
  Потеря устойчивости автоколебаний вблизи резонансов, Нелинейные волны / Ред. А. В. Гапонов-Грехов. — М.: Наука, 1979. С. 116—131.
• Kaup PJ, Reiman A and Bers A
  (1979), Space-time evolution of nonlinear three-wave interactions. Interactions in a homogeneous medium,
  Rev. of Modern Phys
  ,
  51
  (2), 275—309.
• Haken H
  (1983), Advanced Synergetics. Instability Hierarchies of Self-Organizing Systems and devices, Berlin, Springer-Verlag.
• Филлипс O.М.
  Взаимодействие волн. Эволюция идей, Современная гидродинамика. Успехи и проблемы. — М.: Мир, 1984. — С. 297—314.
• Журавлёв В. Ф., Климов Д. М.
  Прикладные методы в теории колебаний. — М.: Наука, 1988.
• Сухоруков А. П..
  Нелинейные волновые взаимодействия в оптике и радиофизике. — Москва: Наука, 1988. — 230 с. — ISBN 5-02-013842-8.
• Брюно А. Д.
  Ограниченная задача трёх тел. — М.: Наука, 1990.
• Широносов В. Г.
  Резонанс в физике, химии и биологии. — Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет», 2000. — 92 с.
• Резонанс // Музыкальная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1978. — Т. 4. — С. 585—586. — 976 с.

Ядерный магнитный резонанс

Отдельные виды атомов содержат ядра, которые можно сравнить с миниатюрными магнитами. Под влиянием мощного внешнего магнитного поля ядра атомов меняют свою ориентацию в соответствии со взаимным расположением своего собственного магнитного поля по отношению к внешнему. Внешний сильный электромагнитный импульс поглощается атомом вследствие чего происходит его переориентация. Как только источник импульса прекращает свое действие ядра возвращаются на свои исходные позиции.

Ядра в зависимости от принадлежности к тому или иному атому способны принимать энергию в определенном диапазоне частот. Смена позиции ядра происходит в один такт с внешним колебаниям электромагнитного поля, что и служит причиной возникновения так называемого ядерного магнитного резонанса (сокращенно ЯМР). В научном мире этот вид резонанса используется в целях изучения атомных связей в рамках сложных молекул. Используемый в медицине метод отображения магнитного резонанса (ОМР) позволяет выводить результаты сканирования внутренних человеческих органов на дисплей для постановки диагноза и назначения лечения.

Магнитное поле ОМР сканера, формируемое при помощи катушек индуктивности, создает излучение высокой частоты под воздействием которого ядра атомов водорода изменяют свою ориентацию при условии совпадении своих собственных частот с внешним. В результате полученных данных с датчиков формируется графическая картинка на мониторе.

Если сравнивать метод ЯМР и ОМР относительно негативного влияния на организм человека излучения, то сканирование с помощью ядерного магнитного резонатора менее вредно, чем ОМР. Также при исследовании мягких тканей технология ЯМР показала большую эффективность в отражении детализации исследуемого участка ткани.

Добротность колебательной системы

Ещё одной из характеристик колебательной системы (КС) является добротность. Она обозначается буквой Q и находится по общей формуле:

Кварцевый резонатор

Q = ω0*W/Pd = 2πf0W/Pd ,

где:

• ω0 – круговая резонансная частота;
• f0 – частота резонанса;
• W – запас энергии в КС;
• Pd – мощность рассеивания.

Добротность определяет отношение запаса энергии в КС к потерям за интервал фазных изменений на величину в 1 радиан. Она показывает ширину резонансной полосы.

Внимание! Формула для вычисления Q говорит о том, что в каждом периоде скорость затухания колебаний и количество потерянной энергии тем меньше, чем выше значение добротности КС.

Добротность колебательной системы

Вибрации, возникающие из-за силы противодействия динамика

Анализ передней панели громкоговорителя, которая несет на себе динамики, представляет собой гораздо более сложную задачу, нежели для боковых или задней стенок. Мы имеем прямоугольную пластину с отверстием посередине, а также закрепленной там же дополнительной массой (самого излучателя). Пластина испытывает те же нагрузки, которые обсуждались выше, и, кроме них, еще и действие «реактивной» силы динамика.

Самое важное, что мы здесь видим применение закона Ньютона, согласно которому всякое действие вызывает противоположную реакцию точно такой же величины. Сила, перемещающая диффузор, обязательно создает противодействие, которое и оказывает дополнительную нагрузку на переднюю панель. Более того, головка сама по себе имеет свою жесткость и массу, которые, в общем случае, отличаются от свойств материала, вырезанного из панели для монтажа динамика.

Для исследования этой проблемы десятидюймовый низкочастотник Jensen с массой подвижной системы 20 граммов был смонтирован в центре ¾-дюймовой передней панели вышеописанного корпуса объемом 82 л.

При помощи контактного звукоснимателя резонанс вновь был обнаружен на частоте примерно 120 Гц (соответствующей резонансной частоте задней стенки). Однако, второй резонанс (соответствующий основному передней панели), переместился по частоте с 180 Гц до 130 Гц.

Несомненно, что с отверстиями для твитеров и портами, теоретическое предсказание резонансной частоты передней стенки становится чрезвычайно трудным, если не невозможным. Говоря в общем, отверстие уменьшает жесткость панели и, соответственно, снижает ее резонансную частоту так же, как и дополнительная сосредоточенная масса по центру.

Музыкальные инструменты

Гитарная или скрипичная струна сама по себе звучит не очень громко и вряд ли будет слышна в концертном зале. Звук во много раз усиливается благодаря корпусу инструмента — резонатору. И раструб духовых инструментов, и корпус струнных, клавишных инструментов — например, дека рояля, являются резонаторами. Они собирают слабые звуки и увеличивают их амплитудой основной звук (по принципу качели). В результате инструмент звучит громко, а еще от резонатора зависят тембр, глубина, мягкость или резкость тона.

Вместо введения

Резонанс – это физическое явление, при некоторых условиях возникающее в автоколебательной системе любой природы, к примеру, заполненной воздухом комнате. Помещенный в нее колеблющийся предмет (требуемых размеров), допустим, диффузор динамика колонки, создаст в воздушной среде волновой процесс. Если частота колебаний, а значит, и волны, совпадут с одной из собственных частот комнаты, то ее амплитуда резко возрастет, то есть произойдет резонанс, а реализован он в данном случае будет в виде стоячей волны – синусоидального распределения по пространству давления (и в противофазе колебательной скорости частиц воздуха). Для каждой комнаты характерен свой набор таких стоячих волн; их частоты определяются габаритами помещения по упрощенной формуле:

Помещение как резонатор

Качество звучания в помещении особенно важно для театров, филармоний. Есть даже особый раздел акустики — архитектурная акустика. Она решает проблемы проектирования залов с хорошей слышимостью. «Правильное» помещение и само является резонатором. Подобные залы имеют округлые потолок и стены, благодаря чему звук доходит до каждого зрителя, слушателя.

Надо заметить, что форма помещения — вогнутая, а не выпуклая. Последняя не подходит, т. к. при отражении волны под углом большая часть звука рассеивается и не возвращается. При вогнутой форме стен звук возвращается почти по той же траектории, что и распространяется, т. е. доходит до каждой точки зала практически без потерь.

Опыт с камертонами

Акустическая волна подобна качелям: если толкать их как попало, сбиваясь с ритма, то высоко она не взлетит. Важность совпадения частоты (ритма) легко можно увидеть в эксперименте с двумя камертонами. Возьмем те, что имеют одинаковую частоту, и поставим довольно близко друг от друга. Ударим молоточком по ножкам первого — он зазвучит, и очень скоро заставит звучать другой. Почему это произойдет? Второй инструмент будет приведен в движение (раскачан) звуковой волной. Когда первый замолчит, второй будет издавать звук еще некоторое время. Вот как возникает звуковой резонанс. Если проделать опыт на камертонах разной частоты, мы увидим, что они не резонируют.

Кварцевые резонаторы и электромеханические фильтры

Это наиболее распространённые резонаторы, включающие в себя кристаллы кварца. Кристалл вырезается в форме параллелепипеда. На полученную пластину в вакууме напыляют электроды. Способы колебаний такого элемента зависят от следующих позиций:

• вида пластины из кварца;
• конструктивного исполнения электродов;
• метода присоединения электродов.

На величину собственной частоты кварцевого резонатора влияют: форма, размеры, модуль упругости и плотность пьезоэлектрического элемента, а также особенности крепления детали.

Простейшая конструкция кварцевого резонатора

Электромеханические фильтры (ЭМФ) выполняют ступенчатое преобразование. На первой ступени происходит превращение электрических пульсаций в колебания механической природы. Вторая ступень их фильтрует, третья – снова возвращает в электрическую форму.

Внимание! Вторая ступень – это механический резонатор, он работает как фильтр. Изготавливается из ферритов с магнитострикционными свойствами, кварца, сплавов железа с никелем, пьезокерамических элементов и иных компонентов.

Блок-схема ЭМФ

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.

Колебания и частота

Процедура, связанная с изменением положения системы рядом с точкой равновесного состояния и повторяющаяся с течением времени, называется колебаниями. Качающийся маятник повторяет свои движения относительно нормали к горизонтальной плоскости. При этом, если не прикладывать к его движению дополнительной энергии, его раскачивания затухнут.

Явление таких изменений можно классифицировать по следующим параметрам:

• по математической модели, используемой в колебаниях;
• по структуре периодичности;
• по природе физических свойств;
• по виду взаимодействия с окружающими условиями.

Внимание! Все колебания, независимо от своих физических свойств, имеют общие законы, которые можно описать волновыми явлениями. Эти закономерности исследует теория волновых колебаний.

Механические колебания связаны с трансформацией одной формы энергии в другую, волновые – с пространственным передвижением и распространением энергии.

Общими параметрами для всех колебаний являются:

• частота;
• период;
• амплитуда.

Частотой считают количество колебаний, совершаемых телом за единицу времени. Единица измерения – герц (Гц), графическое обозначение – f, ʋ. Частота может быть круговой – при периодичном движении точки по окружности, ещё её называют циклической:

ω = 2π*T, (рад/с).

Период (T) являет собой время целого (полного) колебания, во время которого можно зафиксировать повторение любой из характеристик состояния системы. Это значит, что она совершила полное колебание. Обозначение периода – Т, единица измерения – секунда (с).

Две величины T и f являются обратными, что следует из формул:

• T = 1/f;
• f = 1/T.

Наибольшее отклонение точки тела или любой величины системы от равновесного положения называется амплитудой колебаний и обозначается буквой A. Единицей измерения являются те величины, изменения которых рассматриваются. При механических отклонениях амплитуду измеряют в метрах (м), амплитуду переменного напряжения – в вольтах (В) и так далее.

Период и частота механических колебаний