Резонатор — устройство для выделения колебаний¶
Резонатор — устройство или физическая система, обладающая свойством резонанса: она сильно усиливает и выделяет колебания определённой частоты из смеси сигналов и подавляет все остальные. Резонаторы применяются в акустике, радиотехнике, оптике, лазерной технике и механике; в зависимости от области используются термины «резонатор» (от лат. resonare — «резонировать, отдаваться эхом») и «резонансная камера».
¶Физический принцип
Резонансная система характеризуется собственной (резонансной) частотой, определяемой её инерционностью и упругостью. При внешнем возбуждении с частотой, близкой к собственной, амплитуда вынужденных колебаний многократно возрастает, а при расстройке по частоте — быстро спадает. Качество колебательной системы описывается безразмерной величиной Q (добротность): чем она выше, тем уже полоса пропускания и тем сильнее резонатор «отбирает» нужную частоту.
Простейший механический резонатор — груз на пружине или маятник. Электрический аналог — колебательный контур из катушки индуктивности и конденсатора, где энергия периодически перетекает между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора.
¶Основные типы
| Тип | Принцип | Область применения |
|---|---|---|
| Механический | Колебания твёрдого тела, струны, мембраны | Музыкальные инструменты, вибраторы |
| Акустический | Стоячие волны в полости или трубе | Громкоговорители, орган, акустические камеры |
| Электрический (LC-контур) | Перекачивание энергии между катушкой и конденсатором | Радиоприёмники, передатчики, фильтры |
| Пьезорезонатор | Механические колебания пьезокристалла (чаще кварца) | Частотные стандарты, часы, кварцевые фильтры |
| Оптический (резонатор Фабри — Перо) | Многократные отражения между зеркалами | Лазеры, интерферометры |
| Атомный (мазер) | Вынужденное излучение атомов в полости | Мазеры, квантовые стандарты частоты |
¶Акустические резонаторы
Акустический резонатор — полость (камера, труба, сферический объём), в которой возбуждаются стоячие звуковые волны. Самый известный пример — резонансная камера музыкальных духовых инструментов: у скрипки это корпус, у кларнета — цилиндрическая труба с отверстиями, у трубы — расширяющийся конус. Меняя длину активной части трубы (открывая или закрывая отверстия), музыкант меняет резонансную частоту и, следовательно, высоту звука.
В громкоговорителях акустический резонатор (фазоинвертор) используется для расширения нижней границы воспроизводимых частот: трубка в корпусе динамика настраивается на резонанс, и излучение низких частот усиливается.
Органная труба работает как резонатор Гельмгольца: объём воздуха внутри колеблется с собственной частотой, зависящей от размеров трубы и положения пробки.
¶Электрические резонаторы
В радиотехнике резонатором называют колебательный контур или его аналог, выделяющий сигналы близкой частоты. LC-контур — основа настройки радиоприёмников: меняя ёмкость конденсатора, подстраивают резонансную частоту под частоту нужной радиостанции.
На сверхвысоких частотах (УКВ, микроволновый диапазон) дискретные контуры заменяют объёмными резонаторами — полыми металлическими камерами (цилиндрическими, сферическими, прямоугольными), в которых существуют стоячие электромагнитные волны. Такие резонаторы используют в передающих лампах, магнетронах микроволновых печей, в волноводных фильтрах и в ускорителях элементарных частиц.
Кварцевый резонатор — пластина или стержень из пьезоэлектрического кварца, работающая на механическом резонансе. Его добротность на три-четыре порядка выше, чем у LC-контура, поэтому кварцевые резонаторы применяют как первичные частотные эталоны в часах, генераторах и телекоммуникационном оборудовании. Стандартная частота 32 768 Гц выбрана так, чтобы деление на степени двойки давало ровно 1 Гц.
¶Оптические резонаторы
Оптический резонатор (резонатор Фабри — Перо) состоит из двух зеркал, между которыми многократно отражается световой луч. Резонанс возникает, когда расстояние между зеркалами кратно полуволне излучения. Такой резонатор — обязательный элемент лазера: он формирует узкополосное излучение и обеспечивает усиление света в активной среде. Длина резонатора определяет частоты продольных модов лазера.
¶Применение
- Радиосвязь и телевидение — настройка приёмников и передатчиков на канал.
- Метрология — кварцевые и атомные резонаторы как эталоны частоты и времени.
- Медицина — ультразвуковые резонаторы в диагностических аппаратах.
- Промышленность — вибрационные резонаторы для уплотнения бетона, ультразвуковые — для сварки и очистки.
- Наука — резонаторы в ускорителях частиц, гравиметрах, лазерных интерферометрах (например, установка LIGO для регистрации гравитационных волн).
¶Интересные факты
Резонанс стал причиной известных разрушительных событий: в 1940 году мост Такома-Нэрроус в штате Вашингтон разрушился от ветрового резонанса — колебания достигали такой амплитуды, что конструкция не выдержала. Солдаты при переходе мостов строем обязаны ломать шаг, чтобы не возбудить резонанс.
История резонаторов в России связана с работами Г. С. Ландсберга, Д. В. Ефремова и других исследователей пьезоэлектричества, а также с развитием радиотехники в 1920–1930-х годах, когда в СССР были созданы первые серийные кварцевые резонаторы для радиостанций.
Источники:
- Француз А. М. — «Резонаторы в радиотехнике»
- Савельев И. В. — «Курс общей физики», раздел «Механические колебания»
- Бродский В. С. — «Основы радиотехники»
- Борн М., Вольф Э. — «Основы оптики», глава о резонаторах Фабри — Перо
- Большая медицинская энциклопедия, статья «Резонанс (в физике и медицине)»