Введение
Резонатор – это устройство или система, демонстрирующая резонанс или резонансное поведение. Иными словами, он естественным образом колеблется с большей амплитудой на определенных частотах, называемых резонансными, чем на других. Колебания в резонаторе могут быть электромагнитными или механическими (включая акустические). Резонаторы используются для генерации волн конкретных частот или для выделения определенных частот из сигнала. Музыкальные инструменты используют акустические резонаторы, которые создают звуковые волны определенных тонов. Другой пример – кварцевые кристаллы, применяемые в электронных устройствах, таких как радиопередатчики и кварцевые часы, для генерации колебаний очень точной частоты. Полностной резонатор – это резонатор, в котором волны существуют в замкнутом пространстве внутри устройства. В электронике и радио микроволновые резонаторы, состоящие из полых металлических ящиков, используются в микроволновых передатчиках, приемниках и измерительном оборудовании для управления частотой, заменяя настроечные контуры, применяемые на более низких частотах. Акустические резонаторы, в которых звук возникает за счет колебаний воздуха в полости с одним отверстием, известны как резонаторы Гельмгольца.
A resonator is a device or system that exhibits resonance or resonant behavior. That is, it naturally oscillates with greater amplitude at some frequencies, called resonant frequencies, than at other frequencies. The oscillations in a resonator can be either electromagnetic or mechanical (including acoustic). Resonators are used to either generate waves of specific frequencies or to select specific frequencies from a signal. Musical instruments use acoustic resonators that produce sound waves of specific tones. Another example is quartz crystals used in electronic devices such as radio transmitters and quartz watches to produce oscillations of very precise frequency. A cavity resonator is one in which waves exist in a hollow space inside the device. In electronics and radio, microwave cavities consisting of hollow metal boxes are used in microwave transmitters, receivers and test equipment to control frequency, in place of the tuned circuits which are used at lower frequencies. Acoustic cavity resonators, in which sound is produced by air vibrating in a cavity with one opening, are known as Helmholtz resonators.
Резонансные схемы
Электрическая схема, состоящая из дискретных компонентов, может выступать в качестве резонатора при наличии как индуктора, так и конденсатора. Колебания ограничиваются включением сопротивления, либо посредством отдельного резистора, либо из-за сопротивления обмоток индуктора. Такие резонансные цепи также называют RLC-цепями, по символам, обозначающим компоненты в схеме. Резонатор с распределёнными параметрами характеризуется ёмкостью, индуктивностью и сопротивлением, которые нельзя выделить в отдельные сосредоточенные конденсаторы, индукторы или резисторы. Примером такого резонатора, широко используемого в фильтрах, является спиральный резонатор. Индуктор, представляющий собой катушку из проволоки, обладает собственной резонансной частотой из-за паразитной ёмкости между витками. Это часто нежелательный эффект, который может вызывать паразитные колебания в радиочастотных схемах. Собственный резонанс индукторов используется в некоторых схемах, например, в катушке Тесла.
Резонаторы с полостью
Резонатор (полостной резонатор) – это полый замкнутый проводник, такой как металлическая коробка или полость в металлическом блоке, содержащий электромагнитные волны (радиоволны), отражающиеся туда и обратно между стенками полости. При подаче источника радиоволн на одной из резонансных частот резонатора, встречно движущиеся волны формируют стоячие волны, и резонатор накапливает электромагнитную энергию. Поскольку наименьшая резонансная частота резонатора, основная частота, соответствует ширине полости, равной половине длины волны (λ/2), резонаторы используются только на микроволновых частотах и выше, где длины волн достаточно малы для обеспечения удобного размера резонатора. Благодаря низкому сопротивлению проводящих стенок, резонаторы имеют очень высокие добротности (Q-факторы); то есть их полоса пропускания, диапазон частот вблизи резонансной частоты, на котором они резонируют, очень узкая. Таким образом, они могут функционировать как узкополосные фильтры. Резонаторы широко применяются в качестве частотозадающего элемента в микроволновых генераторах. Их резонансную частоту можно изменять, перемещая одну из стенок резонатора внутрь или наружу, изменяя его размеры.
Магнитрон с полостью
Кавитационный магнитрон — это вакуумная лампа с нитью накала в центре эвакуированного, многолучевого, круглого резонатора. Перпендикулярное магнитное поле создается постоянным магнитом. Магнитное поле заставляет электроны, притягиваемые к (относительно) положительной внешней части камеры, двигаться по спирали наружу по круговой траектории, а не направляться прямо к аноду. Вокруг периметра камеры расположены цилиндрические резонаторы. Эти резонаторы открыты вдоль своей оси и сообщаются с общим полостью резонатора. Когда электроны пролетают мимо этих отверстий, они индуцируют резонансное высокочастотное радиополе в резонаторе, которое, в свою очередь, приводит к группировке электронов. Часть этого поля извлекается с помощью короткой антенны, подключенной к волноводу (металлической трубе, обычно прямоугольного сечения). Волновод направляет извлеченную радиочастотную энергию к нагрузке, которая может быть камерой микроволновой печи или высокоусиливающей антенной в случае радиолокационных систем.
Клайстрон
Клистрон, трубный волновод, является лучевой трубкой, включающей как минимум два резонатора с апертурами. Пучок заряженных частиц последовательно проходит через апертуры резонаторов, часто представляющих собой настраиваемые волновые отражательные сетки. Для перехвата пучка после прохождения через резонаторы предусмотрен коллекторный электрод. Первый резонатор вызывает группировку частиц, проходящих через него. Сгруппированные частицы перемещаются в полесвободной области, где происходит дальнейшая группировка, после чего сгруппированные частицы входят во второй резонатор, отдавая свою энергию для возбуждения колебаний. Это ускоритель частиц, работающий в сочетании со специально настроенной резонаторной полостью благодаря конфигурации его структур. Рефлексный клистрон – это клистрон, использующий только один резонатор с апертурой, через который пучок заряженных частиц проходит сначала в одном направлении. Для отталкивания (или перенаправления) пучка после прохождения через резонатор обратно через него в противоположном направлении и в нужной фазе для усиления колебаний в резонаторе предусмотрен отталкивающий электрод.
Применение в ускорителях частиц
На линии луча ускорительной системы расположены специальные секции, являющиеся резонаторами для радиочастотного (РЧ) излучения. (Заряженные) частицы, предназначенные для ускорения, проходят через эти резонаторы таким образом, что микроволновое электрическое поле передает им энергию, увеличивая их кинетическую энергию и, следовательно, ускоряя их. Ряд крупных ускорительских комплексов используют сверхпроводящие ниобиевые резонаторы для повышения эффективности по сравнению с металлическими (медными) резонаторами.
Резонатор с зазором в петле
Резонатор с петлевым зазором (LGR) изготавливается путем прорезания узкой щели вдоль проводящей трубки. Эта щель обладает эффективной емкостью, а внутреннее пространство резонатора – эффективной индуктивностью. Следовательно, LGR можно представить в виде RLC-эквивалентной схемы и он имеет резонансную частоту, обычно находящуюся в диапазоне от 200 МГц до 2 ГГц. При отсутствии потерь на излучение, эффективное сопротивление LGR определяется удельным сопротивлением и глубиной проникновения электромагнитного поля в проводник, из которого изготовлен резонатор. Ключевым преимуществом LGR является то, что при его резонансной частоте его размеры значительно меньше длины волны электромагнитного поля в свободном пространстве. Это позволяет использовать LGR для создания компактного резонатора с высоким коэффициентом качества, работающего на относительно низких частотах, где резонаторы замкнутого типа были бы чрезмерно большими.
Диэлектрические резонаторы
Если материал с высокой диэлектрической проницаемостью окружен материалом с гораздо более низкой диэлектрической проницаемостью, то такое резкое изменение диэлектрической проницаемости может привести к локализации электромагнитной волны, что формирует резонатор, работающий аналогично волноводному резонатору.
Резонаторы для линий передачи
Линии передачи – это конструкции, которые обеспечивают широкополосную передачу электромагнитных волн, например, на радио- или микроволновых частотах. Резкое изменение импеданса (например, разрыв или короткое замыкание) в линии передачи вызывает отражение передаваемого сигнала. Два таких отражателя в линии передачи порождают между собой стоячие волны и, таким образом, функционируют как одномерный резонатор, при этом резонансные частоты определяются расстоянием между ними и эффективной диэлектрической проницаемостью линии передачи.
Оптические полости
В лазере свет усиливается в резонаторе, представляющем собой полость, обычно состоящую из двух или более зеркал. Таким образом, оптический резонатор, также известный как полость, – это пространство с отражающими стенками для электромагнитных волн (то есть света). Это позволяет формировать моды стоячих волн с минимальными потерями.
Механические
Механические резонаторы используются в электронных схемах для генерации сигналов точной частоты. Например, пьезоэлектрические резонаторы, обычно изготавливаемые из кварца, используются в качестве опорных генераторов частоты. Типичные 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 способствуют поддержанию постоянной резонансной частоты. Кроме того, пьезоэлектрическое свойство кварца преобразует механические колебания в переменное напряжение, которое считывается прикрепленными электродами. Эти кварцевые генераторы используются в кварцевых часах, для создания тактового сигнала, управляющего компьютерами, и для стабилизации выходного сигнала радиопередатчиков. Механические резонаторы также могут использоваться для создания стоячих волн в других средах. Например, многостепенная система может быть создана путем приложения вынужденных колебаний к консольной балке. В этом случае стоячая волна возникает в балке. Этот тип системы может использоваться в качестве датчика для отслеживания изменений частоты или фазы резонанса волокна. Одно из применений – в качестве измерительного прибора для размерной метрологии.
Акустическая
Наиболее известные примеры акустических резонаторов встречаются в музыкальных инструментах. Каждый музыкальный инструмент имеет резонаторы. Некоторые генерируют звук напрямую, такие как деревянные пластины ксилофона, мембрана барабана, струны струнных инструментов и трубы органа. Другие изменяют звук, усиливая определенные частоты, например, корпус гитары или скрипки. Трубы органа, корпуса духовых инструментов и резонаторные деки струнных инструментов являются примерами объёмных акустических резонаторов.
Автомобили
Выхлопные трубы в автомобильных выхлопных системах спроектированы как акустические резонаторы, которые в сочетании с глушителем снижают шум, заставляя звуковые волны гаситься. "Тембр выхлопа" является важной характеристикой для некоторых автовладельцев, поэтому как производители, так и поставщики запчастей используют резонаторы для улучшения звучания. В "настроенных" выхлопных системах, предназначенных для повышения эффективности, резонанс выхлопных труб также может использоваться для удаления продуктов сгорания из камеры сгорания на определенных или в определенном диапазоне оборотов двигателя.
Ударные инструменты
Во многих клавишных ударных инструментах под центром каждой ноты находится трубка, являющаяся акустическим резонатором. Длина трубки меняется в зависимости от высоты звука: более высокие ноты имеют более короткие резонаторы. Трубка открыта сверху и закрыта снизу, образуя воздушный столб, который резонирует при ударе по ноте. Это придает ноте глубину и объем. В струнных инструментах роль резонатора выполняет корпус инструмента. Эффект тремоло на вибрафоне достигается механизмом, открывающим и закрывающим резонаторы.
Струнные инструменты
Струнные инструменты, такие как блюграсс-банжо, также могут иметь резонаторы. Многие пятиструнные банджо имеют съёмные резонаторы, позволяющие музыкантам использовать инструмент с резонатором в стиле блюграсс или без него – в стиле народной музыки. Термин "резонатор", употребляемый сам по себе, может также относиться к резонаторной гитаре. Современная десятиструнная гитара, изобретённая Нарцисо Йепесом, добавляет четыре симпатические струнные резонатора к традиционной классической гитаре. Настраивая эти резонаторы особым образом (C, B♭, A♭, G♭) и используя их наиболее сильные обертоны (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 возбуждения гармоник струн гитары электромагнитным полем. Этот резонансный эффект возникает благодаря контуру обратной связи и используется для поддержания фундаментальных тонов, октав, квинт и терций в бесконечном сустейне.