Резонанс является одним из интереснейших физических явлений. Использование емкостных и индуктивных устройств в распределительных сетях порождает явление резонанса, что приводит к чрезвычайно высоким или низким значениям импеданса (комплексного сопротивления между двумя узлами цепи). Изменения импеданса в свою очередь изменяют ток или напряжение в системе распределения.
Резонанс – это явление резкого увеличения амплитуды колебаний тела, когда частота собственных колебаний совпадает с частотой действия внешней силы. Собственные колебания присущи абсолютно всем телам. Обычно они возникают под воздействием первичного толчка, осуществляемой внешней силой.
Впервые явление резонанса было описано в 1602 году итальянским физиком Галилео Галилеем в работах, которые были посвящены исследованию маятников и музыкальных струн [1]. И уже далее путем сложных научных работ многими учеными был открыт резонанс и различные его проявления, а также виды.
Данное явление можно наблюдать в современной жизни, например, именно резонанс может привести к большим деформациям и разрушению конструкций, поэтому его нужно учитывать при конструировании различных сооружений, машин, кораблей, самолетов и т. д. Вращающиеся части машин, валы двигателей кораблей и самолетов нельзя абсолютно точно уравновесить. В результате чего они испытывают переменную нагрузку, совершая и вызывая вынужденные колебания всей системы. Именно это может вызвать резонанс с вынуждающей силой системы в целом или части системы, что приведет к их повреждению или даже разрушению. Поэтому инженеры должны конструировать ту или иную установку так, чтобы не возникало резонансных явлений ни в отдельных частях установки, ни во всей в целом.
Помимо негативной стороны резонанса есть также большое количество его достоинств. К ним относятся, например, использование резонанса в музыкальных инструментах. Особенная форма гитары, скрипки, виолончели способствует резонансу стоячих звуковых волн внутри корпуса музыкального инструмента, что составляет гармонику и дарит необыкновенное звучание любителям музыки. Явление резонанса также наблюдается в различных устройствах, излучающих радиоволны, а именно мобильных телефонах, телевизорах, радиоприемниках и так далее. Радио- или телесигнал обладает очень низкой амплитудой. Поэтому, чтобы увидеть изображение или услышать звук, их нужно усилить и понизить уровень шума. Именно при помощи резонанса этого можно достичь. Нужно лишь настроить собственную частоту приемника на частоту передающей станции, и тогда при совпадении частот наступит резонанс, амплитуда радио- или телесигнала увеличится, а сопутствующие ему шумы останутся практически без изменений, что обеспечит качественную трансляцию.
Проявления резонанса имеют некоторые особенности в различных системах, поэтому выделяют разные его типы:
1) Механический резонанс – это явление, при котором система поглощает больше энергии, когда частота ее колебаний совпадает собственной частоте вибрации системы. Такой резонанс может привести к сильным колебаниям движения и даже катастрофическим разрушениям недостроенных сооружений, включая мосты, здания, поезда, самолеты и т. д. Во избежание такого явления, как резонансное бедствие, необходимо, чтобы механические резонансные частоты составных частей не соответствовали колебательным частотам двигателей или других частей.
2) Акустический резонанс – явление, которое возникает в музыкальных инструментах. Их корпусы делают специальной формы для правильного звучания всей звуковой палитры, чтобы усилить звук струны. Попадая внутрь гитары, звук резонирует с различными частями корпуса и усиливается. Резонаторы имеются даже в нашем голосовом аппарате. Их роль выполняют воздушные полости, которые усиливают звук, формируют тембр, усиливая только те колебания, частота которых близка к их собственной. Таким образом явление акустического или звукового резонанса играет огромную роль в мире музыки и звуков.
3) Электрический резонанс – явление, возникающее в электрической цепи на определенной резонансной частоте, когда импеданс минимален в последовательной цепи или максимален в параллельном контуре. Широко используется для приема и передачи беспроводной связи, т. е. в радиотехнике, телеуправлении, рентгеноскопии. Одной из особенностей электрического резонанса является использование его в двигателях с активными постоянными магнитами.
4) Оптический резонанс – явление, которое возникает в оптической полости, называющейся оптическим резонатором. Он представляет собой особое расположение зеркал, что образует резонатор стоячей волны для световых волн. Оптические полости используются в оптических параметрических генераторах и интерферометрах, а также являются основным компонентом лазеров, обеспечивающих обратную связь лазерного излучения.
5) Ядерный магнитный резонанс – физическое явление, при котором наблюдаются квантово-механические магнитные свойства атомного ядра, если есть внешнее магнитное поле. Используется для изучения молекулярной физики, а также в современной медицине, например, магнитно-резонансная томография (МРТ).
Вопрос о контроле параметров резонансных систем остается и по сей день очень важным и актуальным, который необходимо решать. Все существующие методы резонансных систем определения электрофизических свойств различных веществ основаны на изменении резонансной частоты и добротности резонатора. Достоинством этих методов является высокая точность.
Таким образом целью выпускной квалификационной работы является:
«Исследовать методы определения параметров резонансных систем на основе разработанной компьютерной модели в среде программирования LabVIEW».
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Рассмотреть основные параметры резонансных систем;
2. Рассмотреть современные инструменты моделирования;
3. Разработать компьютерную модель;
4. Провести экспериментальные исследования и анализ полученных результатов.
