Кіріспе

Резонанс көрсететін құрылғы немесе жүйе – резонанс немесе резонанстық қасиеттерді көрсететін құрылғы немесе жүйе. Яғни, ол белгілі бір жиіліктерде, резонанстық жиіліктер деп аталатындарда, басқа жиіліктерге қарағанда үлкен амплитудамен тербеледі. Резонатордағы тербелістер электромагниттік немесе механикалық (соның ішінде акустикалық) болуы мүмкін. Резонаторлар нақты жиіліктегі толқындарды жасау үшін немесе сигналдан нақты жиілікті бөліп алу үшін қолданылады. Музыкалық аспаптар белгілі бір дыбыс толқындарын тудыратын акустикалық резонаторларды пайдаланады. Мысалы, радио хабар таратушылар мен кварц сағаттарда қолданылатын кварц кристалдары өте дәл жиілікте тербеліс жасауға мүмкіндік береді. Қуыс резонатор – құрылғының ішіндегі қуыс кеңістікте толқындардың пайда болуы. Электроника мен радиотехникада микротолқынды қуыстар, қуыс металл қораптардан тұрады және микротолқынды таратушыларда, қабылдағыштарда және сынақ құралдарында жиілікті басқару үшін, төмен жиілікте қолданылатын түзетілген тізбелердің орнына қолданылады. Бір тесігі бар қуыста ауаның тербелуінен дыбыс тудыратын акустикалық қуыс резонаторлары Гельмгольц резонаторлары деп аталады.

Резонанстық схемалар

Дискретті компоненттерден құралған электр тізбегі, индуктор және конденсатор қамтылған кезде резонатор ретінде жұмыс істей алады. Тербелістер кедергінің енгізілуімен шектеледі, яғни арнайы кедергі компоненті арқылы немесе индуктор орамдарының кедергісі арқылы. Мұндай резонанстық тізбектер компоненттердің тізбек белгілерімен аталғандықтан RLC тізбектері деп те аталады. Бөлінген параметрлі резонатордың сыйымдылығы, индуктивтілігі және кедергісі жеке-жеке конденсаторларға, индукторларға немесе кедергілерге бөліне алмайды. Мұның мысалы, сүзгілерде кеңінен қолданылатын спиральді резонатор. Сымнан оралған индуктор, өзінің орамдары арасындағы паразиттік сыйымдылықтың салдарынан белгілі бір жиілікте өздігінен резонансқа түседі. Бұл көбінесе RF тізбектерінде паразиттік тербелістерге себеп болатын қолайсыз эффект. Индукторлардың өздік резонансы кейбір тізбектерде, мысалы, Тесла катушкасында қолданылады.

Қалқымалы резонаторлар

Қуыстық резонаторы – металл қорап немесе металл блок ішіндегі қуыс сияқты, ішінде электромагниттік толқындар (радио толқындар) бар, қуыстық қабырғалары арасында алға-кейі шағылысатын жабық өткізгіш. Резонатордың резонанстық жиіліктерінің бірінде радио толқындар көзі қолданылғанда, қарама-қарсы бағытта қозғалатын толқындар тұрқыны толқындарды құрайды және қуыс электромагниттік энергияны сақтайды. Қуыстың ең төменгі резонанстық жиілігі, негізгі жиілігі, қуыстың ені толқын ұзындығының жартысына тең болғандықтан (λ/2), қуыстық резонаторлары микротолқынды жиіліктерде және одан жоғары жиіліктерде ғана қолданылады, онда толқын ұзындығы қуыстың өлшемі ыңғайлы түрде кіші болуы мүмкін. Өткізгіш қабырғаларының төмен кедергісіне байланысты, қуыстық резонаторларының Q факторы өте жоғары; яғни, олардың ені, резонанстық жиіліктің айналасындағы жиіліктер диапазоны, өте тар. Осылайша, олар тар жолақты өткізгіш сүзгілер ретінде жұмыс істей алады. Қуыстық резонаторлары микротолқынды осцилляторларда жиілікті анықтайтын элемент ретінде кеңінен қолданылады. Олардың резонанстық жиілігін қуыстың қабырғаларының біреуін ішке немесе сыртқа жылжыту арқылы, оның мөлшерін өзгерту арқылы реттеуге болады.

Қалқымалы магнитрон

Қуысты магнитрон – вакуумдық түтікше, оның ортасында жіпше орналасқан, эвакуацияланған, бөлікті дөңгелек қуысты резонатор. Тұрақты магнит тік бұрышты магнит өрісін тудырады. Магнит өрісі камераның (салыстырмалы түрде) оң сыртқы бөлігіне тартылған электрондарды тікелей осы анодқа қарай жылжудың орнына, спиральді қозғалыспен сыртқа қарай айналдырады. Камера шеті бойында цилиндр тәрізді қуыстар орналасқан. Қуыстар ұзындығы бойынша ашық, сондықтан олар ортақ қуыс кеңістікпен байланысады. Электрондар осы ашылулардың басынан өтетін кезде, олар қуыста резонанстық жоғары жиілікті радио өрісін тудырады, бұл өз кезегінде электрондарды топтарға біріктіреді. Бұл өрістің бір бөлігі толқын жетекшіге (әдетте тікбұрышты қималы металл түтікшеге) қосылған қысқа антенна арқылы алынады. Толқын жетекші алынған радиожиіліктік энергияны жүктемеге бағыттайды, ол микротолқынды пештегі пісіру камерасы немесе радиолокациялық антенна болуы мүмкін.

Клистрон

Клистрон – түтік толқын жетек, кем дегенде екі тесікті қуыс резонаторы бар сәулелік түтік. Зарядталған бөлшектердің сәулесі резонаторлардың тесіктері арқылы бірінен соң бірі өтеді, көбінесе реттелетін толқынды кері шағылыстыру торлары арқылы. Резонаторлардан өткеннен кейін сәулені тоқтатуға арналған коллекторлық электрод қарастырылған. Бірінші резонатор арқылы өтетін бөлшектердің жиналуына себеп болады. Жиналған бөлшектер өріссіз аймақта қозғалып, одан әрі жиналады, содан кейін жиналған бөлшектер екінші резонаторға кіріп, оны тербеліске келтіру үшін энергиясын береді. Бұл, құрылымдардың конфигурациясы арқылы нақты реттелген қуыспен бірлесіп жұмыс істейтін бөлшектерді үдеткіш. Рефлекстік клистрон – тек бір тесікті қуыс резонаторы бар клистрон, одан зарядталған бөлшектердің сәулесі бірінші бағытта өтеді. Резонатордан өткеннен кейін сәулені кері бағытта қайтару (немесе бағытын өзгерту) үшін, сондай-ақ резонатордағы тербелістерді күшейтуге қажетті фазада репеллерлік электрод қарастырылған.

Бөлшектерді жеделдетушілерде қолдану

Жеделдету жүйесінің сәуле жолында радиожиілік (RF) сәулеленуі үшін қуыс резонаторлар болатын арнайы бөлімдер бар. Үдетілуге тиіс (зарядталған) бөлшектер осы қуыстардан өтеді, нәтижесінде микротолқынды электр өрісі бөлшектерге энергияны беріп, олардың кинетикалық энергиясын арттырып, үдетуді қамтамасыз етеді. Көптеген ірі үдеткіштер металл (мыс) қуыстармен салыстырғанда жақсы нәтиже алу үшін суперөткізгіш ниобий қуыстарын пайдаланады.

Loop-gap резонаторы

Лингтік саңылаулы резонатор (LGR) өткізгіш түтік бойында тар саңылау жасау арқылы құрастырылады. Саңылаудың тиімді сыйымдылығы бар, ал резонатордың ішкі кеңістігі тиімді индуктивтілікке ие. Сондықтан LGR RLC тізбегі ретінде модельделуі мүмкін және оның резонанстық жиілігі әдетте 200 МГц-тен 2 ГГц-ге дейін болады. Сәуле шығындары болмаған жағдайда, LGR-дың тиімді кедергісі резонатор жасауға қолданылған өткізгіштің қарсылығымен және электромагниттік тері тереңдігімен анықталады. LGR-дың басты артықшылығы – оның резонанстық жиілігіндегі өлшемдері электромагниттік өрістердің бос кеңістіктегі толқын ұзындығымен салыстырғанда шағын. Осылайша, LGR-ды ықшам және жоғары Q резонаторларын құру үшін пайдалануға болады, олар қуыс резонаторларының тым үлкен болып келетін салыстырмалы түрде төмен жиіліктерде жұмыс істейді.

Диэлектрлік резонаторлар

Егер жоғары диэлектрлік тұрақтыға ие материал диэлектрлік тұрақтысы әлдеқайда төмен материалмен қоршалған болса, онда диэлектрлік тұрақтылықтың күрт өзгеруі электромагниттік толқынды шектеуге алып келуі мүмкін, бұл қуыс резонаторы сияқты жұмыс істейтін резонаторға әкеледі.

Тасымалдау желісі резонаторлары

Тарату желілері – кең жолақты электромагниттік толқындарды, мысалы, радио немесе микротолқын жиіліктерінде таратуға мүмкіндік беретін құрылымдар. Тарату желісінде кедергінің кенеттен өзгеруі (мысалы, ашық немесе қысқа тұйықталу) жіберілген сигналдың кері шағылысуына себеп болады. Мұндай екі шағылыстырғыш тарату желісінде араларында тұрған толқындарды тудырып, бір өлшемді резонатор ретінде жұмыс істейді, ал резонанс жиіліктері олардың арақашықтығымен және тарату желісінің тиімді диэлектрлік тұрақтысымен анықталады.

Оптикалық қуыстар

Лазерде жарық әдетте екі немесе одан көп айналардан құралған қуыс резонаторда күшейтіледі. Осылайша, оптикалық қуыс, сондай-ақ резонатор деп те аталады, электромагниттік толқындарды (яғни жарықты) керітіп шағылысатын қабырғалары бар кеңістік. Бұл жоғалтуды азайта отырып, тұрақты толқын режимдерінің пайда болуына жағдай жасайды.

Механикалық

Механикалық резонаторлар электрондық тізбектерде нақты жиіліктегі сигналдарды жасау үшін қолданылады. Мысалы, жиілік анықтамасы ретінде жиі қолданылатын пьезоэлектрлік резонаторлар кварцтан жасалады. Көбінесе кварцтың бір бөлігіне бекітілген электродтардан тұратын конструкциялар жоғары жиілікті қолданулар үшін тікбұрышты пластина, ал төмен жиілікті қолданулар үшін камертон пішіндес болады. Кварцтың жоғары өлшемдік тұрақтылығы және төмен температуралық коэффициенті резонанстық жиілікті тұрақты ұстауға көмектеседі. Сонымен қатар, кварцтың пьезоэлектрлік қасиеті механикалық дірілдерді тербеліс келісіміне айналдырады, ол бекітілген электродтармен қабылданады. Бұл кристалл осцилляторлар кварц сағаттарында, компьютерлерді іске қосатын сағат сигналын жасау үшін және радио хабар таратушыларынан шығатын сигналды тұрақтандыру үшін қолданылады. Механикалық резонаторларды басқа ортада тұрған толқынды тудыру үшін де пайдалануға болады. Мысалы, консольдік сәулеге негізгі дүмпуіл беру арқылы көп дәрежелі бостандық жүйесін құруға болады. Бұл жағдайда тұрған толқын сәулеге түседі. Мұндай жүйе талшықтың резонансы жиілігінің немесе фазасының өзгеруін қадағалауға арналған сенсор ретінде қолданылуы мүмкін. Бір қолданысы – өлшемдік метрологияға арналған өлшеу құралы ретінде пайдалану.

Акустикалық

Акустикалық резонаторлардың ең көп таныс мысалдары музыкалық аспаптарда кездеседі. Кез келген музыкалық аспаптың резонаторы болады. Кейбіреулері дыбысты тікелей тудырады, мысалы, ксилофондағы ағаш таяқшалар, барабанның қабы, ішекті аспаптардағы ішектер және органның құбырлары. Ал кейбіреулері, гитараның немесе скрипканың дыбыс қорабы сияқты, белгілі бір жиіліктерді күшейту арқылы дыбысты өзгертеді. Орган құбырлары, ағаштан жасалған үрмелі аспаптардың корпустары және ішекті аспаптардың дыбыс қораптары – акустикалық қуыс резонаторларының мысалдары.

Автомобильдер

Автомобильдің түтін жүйесіндегі түтін құбырлары, шуды азайту үшін, дыбыс толқындарының "бір-бірін өшіруіне" қол жеткізу арқылы, глушительмен бірге жұмыс істейтін акустикалық резонаторлар ретінде құрастырылған. Кейбір көлік иелері үшін "түтін дыбысы" маңызды ерекшелік болып табылады, сондықтан бастапқы өндірушілер де, сондай-ақ, қосалқы нарықтағы жеткізушілер де дыбысты жақсарту үшін резонаторды пайдаланады. Көрсеткіштерді арттыруға арналған "реттелген" түтін жүйелерінде, түтін құбырларының резонансын жану камерасынан белгілі бір қозғалтқыш айналымдарында немесе айналымдар диапазонында жану өнімдерін шығару үшін де қолдануға болады.

Дауыс аспаптары

Көптеген клавишалы соқпалы аспаптарда әрбір нотаның төменгі жағында түтік орналасқан, ол акустикалық қуыс резонатор болып табылады. Түтіктің ұзындығы нотаның биіктігіне қарай өзгереді, жоғары ноталардың резонаторлары қысқа болады. Түтіктің жоғарғы ұшы ашық, ал төменгі ұшы жабық, бұл нота соққанда резонансқа түсетін ауа бағанын құрайды. Бұл нотаға көлем мен тереңдік қосады. Сылбырлы аспаптарда аспаптың корпусы резонатор қызметін атқарады. Вибрафонның тремоло әсері резонаторларды ашып-жабатын механизм арқылы қол жеткізіледі.

Сызықты аспаптар

Блюграсс банджо сияқты саптық аспаптарда да резонаторлар болуы мүмкін. Көптеген бес сапты банжоларда алынып-қойылатын резонаторлар болады, сондықтан музыканттар аспапты блюграсс стилінде резонатормен, ал халық музыкасы стилінде резонаторсыз қолдана алады. "Резонатор" термині өздігінен қолданылғанда резонаторлық гитараға да қатысты болуы мүмкін. Қазіргі заманғы он сапты гитараны Нарсисо Йепес ойлап тапқан, ол дәстүрлі классикалық гитараға төрт қосымша резонанстық ішек қосты. Бұл резонанстық ішектерді өте нақты тәртіппен (C, B♭, A♭, G♭) баптау және олардың ең күшті гармоникаларын (ішектердің негізгі тондыларына сәйкес келетін октавалар мен бестіктер) пайдалану арқылы гитараның бас ішектері енді хроматикалық октаваның барлық 12 тонымен тең резонансқа түседі. Гитара резонаторы – электромагниттік өріс арқылы гитара ішектерінің гармоникаларын күшейтуге арналған құрылғы. Бұл резонанс әсері кері байланыс циклы арқылы туындайды және негізгі тонды, октаваларды, бестіктерді, үшіншіні шексіз сақтап тұру үшін қолданылады.