Резонаторы и резонанс

Резонаторы

Резонатор[2], колеблющаяся система с резко выраженными резонансными свойствами.

Источником колебаний может быть сам колеблющийся резонатор или колеблющий его первичный источник. Резонаторы упругих колебаний, включая звуковые (акустические), - это струны, стержни, ножки камертона, мембраны, объемные акустические резонаторы и многое другое. Резонаторы электромагнитных - колебательные контуры, состоящие из конденсатора и катушки индуктивности; полости, ограниченные проводящими стенками (объемные резонаторы); системы зеркал (оптические резонаторы).

Акустический резонатор - это полость, обычно шарообразной формы, сообщающаяся с внешней средой через небольшое отверстие. Если имеется набор резонаторов с различными собственными частотами, то можно по усилению звука определить те, которые вошли в резонанс с той или иной звуковой волной, и всю гамму звуков разложить на отдельные гармонические колебания.

Объемный резонатор [2], ограниченный объем, внутри которого могут возбуждаться электромагнитные колебания. Обычно объемный резонатор — это замкнутая полость с проводящими стенками, форма и размеры которой определяют частоту колебаний и конфигурацию электрических и магнитных полей. Объемные резонаторы бывают прямоугольные, цилиндрические, тороидальные и других форм. Объемным резонатором является также объем, заполненный средой с другими электрическими и магнитными свойствами.

Оптический резонатор [2], система зеркал, в которой могут возбуждаться электромагнитные волны оптического диапазона. Оптический резонатор обеспечивает положительную обратную связь в лазерах. Простейший оптический резонатор — система двух плоских параллельных зеркал.

Известно, что собственная частота колебаний резонатора (обычно он имеет не одну частоту, а несколько) может быть изменена путем изменения его размеров. Существует множество различных форм и конструкций резонаторов, включая полые. Пространственное (или в сечении) изображение некоторые из них вместе с системой возбуждения или без нее приведено на рис.2.3. Там же в нижнем левом углу показаны наиболее часто употребляемые способы возбуждения, конструкция которых весьма похожа на тычинки и пестики некоторых цветов.

Если стенки резонатора сплошные и непроницаемые, то излучения наружу нет, а колебания происходят только внутри резонатора. Однако при сильных внутренних колебаниях могут колебаться и стенки резонатора, если они обладают достаточной для этого упругостью. Наружу колебания можно вывести при помощи волноводов, похожих на водопроводные трубы, которые бывают не только круглого, но и прямоугольного, и даже эллиптического сечения. Для отвода колебаний в резонаторе делается щель и в этом месте к нему присоединяется (аналогично ответвлениям в водопроводе) волновод. Тогда часть энергии «протечет» через эту щель и «потечет» по волноводу. Чем меньше длина волны, тем меньше и размер сечения волновода. С уменьшением рабочей длины волны уменьшаются и размеры резонаторов, а требования к «гладкости» его внутренней поверхности увеличиваются.

При недостаточно гладких стенках резонатора и волновода, когда их неоднородности соизмеримы с длиной волны энергия на этих неоднородностях «разбрызгивается» и возникают тепловые потери. Поэтому внутренние стенки при работе на высоких частотах обычно полируют до блеска и даже покрывают золотом или серебром. Полагают, что если охладить стенки резонатора и волновода так, чтобы они стали сверхпроводящими, то потери энергии от высокочастотных токов исчезнут, и СВЧ энергию можно будет передавать на большие расстояния без потерь. Охлаждение стенок можно рассматривать как «отсос» от них частиц-волн, размеры которых соизмеримы с неоднородностями стенок - выпуклостями и вогнутостями, вызывающими хаотическую циркуляцию этих частиц-волн вблизи стенок и образующими около них своего рода обменную зону. Направление движения этих частиц не совпадает с направлением движения частиц основного потока, поэтому они тормозят его движение. Аналогичный отсос используется в некоторых самолетах, что позволяет увеличить их скорость. Если же хаотическое движение частиц в пределах обменной зоны заменить упорядоченным, в «резонанс» с движением основного потока или тела, то это также позволит уменьшить их сопротивление движению основного потока (тела) и увеличить его скорость. Именно этот способ используют, очевидно, дельфины, по коже которых во время их движения распространяются упорядоченные волны, что позволяет им значительно увеличить скорость по сравнению с другими обитателями морей. Принцип волнообразного движения кожи дельфинов собираются или уже используют при создании подводных лодок.

Если длины волн составляют доли миллиметра (субмиллиметровые волны), то зачастую применяют полые резонаторы в виде двух параллельных пластин, в одной из которых сделано отверстие и к нему подсоединен волновод. Излучаемая из отверстия энергия отражается от второй пластины и снова падает на первую, отражается от первой и падает на вторую и т. д. Множество одинаковых отражений, точно накладываемых друг на друга, приводит к усилению.

Отдаленным аналогом такого процесса является процесс отмеривания продавцом ткани, когда он не накручивает ее на метр, а укладывает послойно, меняя после каждого замера направление ее укладки на противоположное. При этом продавец как бы накладывает «падающие волны» на «отраженные», а «отраженные» волны - на «падающие». В результате получается «усиление» - уплотнение «энергии» (толщины ткани), образованное за счет многократного и точного («в фазе») наложения друг на друга кусков материи одной и той же формы и величины.

Если размеры пластин достаточно велики по сравнению с длиной волны, а расстояние между ними мало, то в пространстве между пластинами возникнут колебания электромагнитного поля, энергия которого почти не будет уходить в стороны, несмотря на отсутствие боковых стенок. Фактически это резонатор, причем резонатор открытый. Если плоские пластины заменить вогнутыми (фокусирующими) зеркалами, то потери на излучение станут еще меньше. Если вогнутые зеркала выполнить в виде двух полусфер и соединить их, то получится полый сферический резонатор.

Открытые резонаторы пришли на смену полым резонаторам в субмиллиметровом диапазоне, применяются они и в миллиметровом диапазоне, но на более длинных волнах их применять нецелесообразно, так как их абсолютные размеры слишком велики. Они слишком велики по нашим понятиям, но… чрезвычайно малы по космическим. Открытые резонаторы широко применяются в оптике. Рубиновый стержень или другое рабочее вещество (первичный излучатель) лазера обязательно помещают между двумя параллельными зеркалами, т. е. внутри открытого резонатора.

Известно, что размеры обычного («проволочного») колебательного контура много меньше длины его основной (рабочей) волны. Полого резонатора - соизмеримы с ней. Открытого - во много раз превышают основную длину волны. Следовательно, одну и ту же длину волны или целый диапазон волн способны возбуждать, усиливать, испускать и поглощать совершенно разные по своей конструкции и размерам устройства, которые могут быть как много больше, так и много меньше самой волны. Поэтому волны одинаковой длины (одного и того же рабочего диапазона) являются тем универсальным языком, на котором могут «общаться» все, кто им владеет, вне зависимости от того к какому виду и даже миру природы он принадлежит.

Резонаторами являются и сферические оболочки Земли (и не только Земли), имеющие разную плотность (ядро, магма, кора, разные слои атмосферы и магнитосфера). В этом случае, речь может идти о возбуждении волн (и их гармоник), длина которых соизмерима с расстоянием между теми или иными оболочками, например, сейсмических волн и, очевидно, не только их. Резонаторами являются и космические объекты огромного масштаба, например, ядра спиральных галактик, колебания которых в виде уплотнения и сжатия распространяются по их спиральным рукавам, которые представляют собой типичные плоские спиральные антенны. Если это так, то собственные длины волн спиральных галактик - это сверхдлинные волны «космического» диапазона, которые должны быть соизмеримы с периметром витков их спиралей, но об этом далее будет более подробный разговор.

Известно, что в любой относительно замкнутой системе (резонаторе) может возникнуть и существовать не одна стоячая волна, а целый набор стоячих волн, но каждому резонатору соответствует своя собственная максимально возможная длина волны, которую принято называть основной волной или первой гармоникой. Наряду с основной волной, в резонаторе может возникнуть и существовать множество более коротких волн — высших гармоник, длина которых в целое число раз меньше длины основной волны (частота соответственно в целое число раз больше). Известно, что при наличии неоднородностей могут возникать и высшие моды (волны высших типов), длина которых меньше волны основного типа, но отличается от нее не в целое число раз.

Сравнение существующих в нашем реальном мире искусственных и естественных форм с рассмотренными выше резонаторами и предъявляемыми к ним требованиями показывает, что практически любая частица, тело, объект, субъект, система и т. д. (или их отдельные части) способны выступать в качестве резонаторов (усилителей), если в них тем или иным способом возбуждены колебания.

Первичными источниками колебаний - «рабочими телами» могут выступать любые колеблющиеся системы, включая атомы. Их собственная частота испускания-поглощения зависит от того, с какого и на какой уровень перешел электрон, т. е. от изменения периметра орбиты, которое можно, видимо, рассматривать как изменение размеров их «резонатора». В качестве первичного источника колебаний может выступать и шум.

Физики называют шумом любое сложное непериодическое колебание, необязательно звуковое. Однако колебание любой сколь угодно сложной формы можно представить как сумму большого числа простых синусоидальных (гармонических) колебаний. Одно или несколько таких колебаний могут совпасть с собственными частотами резонатора и тогда шум, вернее, его отдельные составляющие, выступает в качестве первичного источника.

Наглядным примером работы полого резонатора является всем известная русская гармонь или гармоники других конструкций, названные так, возможно, не случайно, так как они возбуждают разные длины волн и их гармоник. Форма русской гармони в состоянии покоя напоминает объем, занимаемый набором стоячих волн, где высота гофр соответствует «амплитуде», а расстояние между гофрами - «длине волны». Гармонь в действии наглядно демонстрирует, что испускание-поглощение энергии возможно лишь при нарушении режима «стоячей волны» - выхода системы из состояния равновесия, замкнутости, а изменение рабочего диапазона волн (их длины) - при изменении размеров.

Рабочая поверхность гармоники в действии (при ее растяжении и сжатии) остается в основном неизменной (она равна площади материала, из которого гармоника сделана). Меняется «амплитуда» — высота гофрированной части и «длина волны» — расстояние между соседними гофрами. Чем больше сжатие, тем меньше расстояние между соседними гофрами («длина волны») и больше «амплитуда» (поперечный размер). Если считать, что амплитуда определяет величину энергии, то выполняется общеизвестное условие зависимости энергии от длины волны, чем меньше длина волны, тем больше ее энергия. При игре на гармошке ее меха поочередно растягивают и сжимают. При этом изменяется объем пространства, ограниченного мехами, что для любого объемного резонатора является основным условием изменения рабочего диапазона, изменяется и расстояние между гофрами - «длина волны». Кроме того, при игре гармонь дугообразно изгибают, нарушая симметрию - «стоячую волну». В результате гармоника испускает определенную гамму звуков - спектр частот, превращаясь в генератор и излучатель звуковых волн разной длины.

Резонанс

Резонанс [2], резкое возрастание амплитуды установившихся вынужденных колебаний при приближении частоты внешнего гармонического воздействия к частоте одного из собственных колебаний системы.

Из определения следует, что при приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте колебательной системы (или при приближении частоты колебательной системы к частоте вынуждающей силы) амплитуда колебаний резко возрастает. Это и есть резонанс, когда даже малая по величине вынуждающая сила приводит к значительному увеличению амплитуды колебаний системы. Теоретически амплитуда могла бы возрастать до бесконечности, но на практике этого не происходит, так как с ростом амплитуды (силы) увеличиваются потери энергии на преодоление сил сопротивления (сила действия равна силе противодействия).

Примером разрушительного воздействия резонанса может служить случай, описанный в [4]. В 1940 году в США один из висячих мостов длиной 855 м стал колебаться с частотой 36 колебаний в минуту и с амплитудой до 1, 5 м, которая возрастала до тех пор, пока мост не разрушился. Причиной этого послужил сравнительно небольшой ветер (примерно 17 м/с), вихревые порывы которого совпали с одной из собственных частот колебаний моста. Энергия ветра стала эффективно поглощаться колеблющейся системой, амплитуда колебаний недопустимо возросла и мост рухнул.

Явление резонанса широко используется в технике, включая и радиотехнику, в частности, в резонансных ускорителях и усилителях. Существуют и природные резонансные усилители, которыми являются, например, некоторые резонансные пиломатериалы.

Резонансный ускоритель [2], ускоритель заряженных частиц, в котором частицы движутся синхронно (в резонанс) с изменением ускоряющего переменного высокочастотного электрического поля, т. е. частота поля равна или кратна частоте обращения частиц по орбитам.

Резонансные пиломатериалы [2], пиломатериалы из лиственных и хвойных древесных пород, древесина которых усиливает звук. Наиболее высокими резонансными свойствами обладают ель, кавказская пихта, кедровая сосна, явор, граб.

Известно, что настройку в резонанс можно осуществлять путем изменения параметров испускающего (передающего) или поглощающего (приемного) устройства. В радиотехнике обычно настраивают приемники на частоту передатчика, а не наоборот, т. е. более «слабый» подстраивается под более «сильного». Явление резонанса может возникать и во взаимодействиях между людьми, а также людьми и, якобы, неживыми объектами, так как резонансные структуры, в общем случае, — это такие структуры, действия которых (отдельные или целая программа действий) совпадают друг с другом, что приводит к их усилению. Наглядным примером коллектива, работающего в «резонанс», является, например, команда слаженно работающих гребцов байдарки.

Известно, что при резонансе колебания (и волны) должны совпадать по длине, фазе, направлению движения и поляризации - расположению (или направлению вращения) в пространстве. Когда фазы противоположны (отличаются на 180 градусов), то возникает «антирезонанс» - не усиление, а ослабление. Если при этом амплитуды равны или близки, то волны почти полностью «гасят» друг друга.

Гипотеза 2.15: Явление резонанса присуще всем ЕДИНСТВАМ, включая человека, и может возникать между теми ЕДИНСТВАМИ, вне зависимости от их устройства и вида, в рабочих диапазонах которых имеются одинаковые частоты или спектры частот, включая гармоники. Это позволяет представителям, якобы, неживого мира обмениваться информацией с миром живой природы. В принципе, это дает возможность обмениваться информацией всем и со всем.