Резонатор — физическое понятие¶

Резонатор — физическая система или устройство, обладающая способностью к резонансу, то есть к резкому возрастанию амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной (резонансной) частотой системы. Резонаторы широко применяются в акустике, радиотехнике, оптике, механике и других областях для избирательного усиления, генерации или фильтрации колебаний определённой частоты.

¶Физический принцип работы

Резонатор характеризуется собственной частотой колебаний, которая определяется его параметрами — массой, жёсткостью, геометрией, свойствами среды. При внешнем периодическом воздействии с частотой, близкой к собственной, амплитуда колебаний резонатора многократно возрастает. Насколько резким будет резонанс, зависит от добротности (Q-фактора) системы: чем выше добротность, тем уже полоса пропускания и тем сильнее усиление на резонансе.

Добротность определяется как отношение запасённой энергии к энергии, теряемой за один цикл колебаний. Резонаторы с высокой добротностью (от сотен до тысяч) способны долго поддерживать колебания и избирательно выделять узкую полосу частот.

¶Основные типы резонаторов

По физической природе колебаний резонаторы подразделяют на несколько классов:

• Механические резонаторы — твёрдые тела или системы «масса — пружина», вибрирующие с собственной частотой. Примеры: камертон, маятник, вибраторы в строительном оборудовании.
• Акустические резонаторы — полости или трубки, в которых возникают стоячие звуковые волны. К ним относятся трубки Гельмгольца, органы, акустические фильтры.
• Электрические (электромагнитные) резонаторы — колебательные контуры из индуктивности и ёмкости (LC-контур), а также резонаторы на пьезокристаллах и пьезокерамике.
• Оптические резонаторы — системы зеркал, между которыми удерживаются стоячие электромагнитные волны видимого, инфракрасного или ультрафиолетового диапазона. Основа работы лазеров.
• Микроволновые резонаторы — полостные резонаторы, используемые в СВЧ-технике: магнетронах, кинескопах, волноводных линиях.

¶Акустические резонаторы

Наиболее наглядный пример — трубка Гельмгольца: полость с узким горлышком, в которой воздух колеблется с определённой частотой, зависящей от объёма полости и размеров горлышка. Такой принцип лежит в основе работы музыкальных инструментов (флейта, духовые), акустических архитектурных решений и шумоподавляющих устройств.

В музыкальных инструментах резонатором служит корпус (у гитары, скрипки), резонирующий под действием струн и усиливающий звук. В духовых инструментах роль резонатора играет воздушный столб внутри трубы.

¶Электрические резонаторы

Классический электрический резонатор — LC-контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора. Собственная частота определяется формулой:

f = 1 / (2π√(LC))

Такой контур является основой радиоприёмников, передатчиков, контуров настройки. Пьезорезонатор — кварцевый или керамический элемент, колеблющийся с очень точной и стабильной собственной частотой, применяется в часах, микроконтроллерах и радиоаппаратуре для задания опорной частоты.

Полостные резонаторы в СВЧ-технике представляют собой металлические камеры, в которых возбуждаются электромагнитные колебания определённых типов. Их добротность может достигать десятков тысяч, что позволяет создавать высокостабильные генераторы и селективные фильтры.

¶Оптические резонаторы

В лазерах оптический резонатор образован двумя зеркалами, между которыми многократно отражается свет, создавая усиление в активной среде. Отражательность зеркал, расстояние между ними и выравнивание определяют частоты допустимых мод. Резонаторы Фабри — Перо, состоящие из двух плоских или слабоизогнутых зеркал, являются наиболее распространённым типом.

¶Применение

Резонаторы используются повсеместно:

• в радиосвязи и телевидении — для настройки на частоту канала;
• в осциллографах и генераторах сигналов — как частотные эталоны;
• в акустике — для усиления звука и подавления шума;
• в строительстве — вибраторы для уплотнения бетона;
• в медицине — ультразвуковые резонаторы для диагностики и терапии;
• в научных исследованиях — резонаторы в ускорителях частиц, квантовой оптике, спектроскопии.

¶Резонанс и разрушение

Явление резонанса может приводить и к разрушительным последствиям. Известны случаи обрушения мостов и конструкций при совпадении частоты ветровой или механической нагрузки с собственной частотой сооружения. Мост Тейлорс-Роуд в Англии (1831) и Такома-Нэрроуз в США (1940) — исторические примеры резонансных катастроф. По этой причине в инженерных расчётах обязательно учитывают резонансные частоты конструкций.

Источники:

• Франкфурт У. И. Механика, акустика
• Савельев И. В. Курс общей физики
• Гурвич А. С. Теория акустических полей
• Детлаф А. А., Яковлев Б. М. Курс теоретической физики
• Справочник по радиотехнике и электронике