Резонанс и его применение в технике: Применение явления электрического резонанса в технике

Резонанс в технике

Строя мосты, инженеры принимали в расчет только давление веса переходящих по ним людей и перевозимых грузов. Но неожиданные катастрофы доказали, что при сооружении мостов нужно считаться еще с какими-то другими воздействиями на их балки.

Однажды по висячему мосту близ Анжера (Франция) проходил отряд солдат, которые четко отбивали шаг, ударяя одновременно то правой, то левой ногой по настилу. Под ударами ног мост слегка раскачивался, но вдруг оборвались поддерживающие цепи, и мост вместе с людьми рухнул в реку. Погибло более двухсот человек.

Общественное мнение было возмущено. Строителей моста обвиняли в небрежности расчетов, в недопустимой экономии металла… Инженеры недоумевали: что вызвало обрыв цепей моста, прослужившего уже несколько десятков лет?

Как всегда, начались и споры. Старые практики, не раздумывая долго, утверждали, будто цепи перержавели и не выдержали тяжести солдат.

Однако осмотр оборванных цепей не подтвердил этого объяснения.

Металл не был глубоко поврежден ржавчиной. Поперечное сечение звеньев обеспечивало необходимый запас прочности.

Так и не удалось тогда найти причину обрушения моста.

Прошло несколько десятков лет, и подобная же катастрофа повторилась в Петербурге.

Кавалерийская часть переходила по Египетскому мосту через Фонтанку. Лошади, обученные ритмическому шагу, одновременно ударяли копытами. Мост слегка покачивался в такт ударам. Неожиданно оборвались цепи, поддерживающие мост, и он вместе с всадниками рухнул в реку.

Снова разгорелись забытые споры. Необходимо было разрешить загадочную причину подобных катастроф, чтобы они больше не повторялись. Ведь мосты были правильно рассчитаны. Цепи должны были выдержать в несколько раз больший груз, чем вес переходивших по мостам людей и лошадей.

Какие же силы разорвали звенья цепей?

Некоторые инженеры догадывались, что обрушение мостов связано с ритмичностью ударов о настил.

Но почему катастрофы случались с висячими мостами? Почему по обыкновенным, балочным мостам безопасно переходят воинские пехотные и кавалерийские части?

Ответ на эти вопросы могло дать только изучение действия толчков при различной конструкции моста.

Балку висячего моста можно сравнить с доской, положенной концами на опоры. Когда на ней подпрыгивает мальчик, доска изгибается то вверх, то вниз. Если попасть в такт этих колебаний, то ее размахи будут становиться все больше и больше, пока наконец  доска не переломится.

Балки висячего моста также могут колебаться, хотя это менее заметно на глаз. Мост близ Анжера колебался с периодом около 1,5 секунды. Когда по нему шли солдаты, ритм их шагов случайно попал в такт собственных колебаний его балок. Незаметные размахи становились все больше. Наконец цепи не выдержали и разорвались.

Совпадение периода колебаний тела с промежутком между возбуждающими их толчками получило название резонанса.

Очень интересный опыт, иллюстрирующий явление резонанса, сделал в свое время еще Галилей. Подвесив тяжелый маятник, он стал дышать на него, стараясь, чтобы промежутки между выдыханиями воздуха приходились в такт с собственными колебаниями маятника. Каждый выдох производил совершенно незаметный толчок. Однако, постепенно накопляясь, действие этих толчков раскачало тяжелый маятник.

С явлением резонанса нередко встречаются в технике. Оно могло бы например, возникнуть при переезде поезда по балочному мосту. Когда колеса паровоза или вагонов встречают стыки рельсов, они производят толчок, передающийся балкам. В балках начинаются колебания определенной частоты. Если бы толчки попали в такт колебаний балок, то возник бы опасный резонанс.

Чтобы избежать этого явления, инженеры проектируют мосты так, чтобы период их собственных колебаний был очень короток. В этом случае промежуток времени, в течение которого Колесо пробегает от одного стыка  к другому, больше периода колебаний балок, и резонанса? не бывает.

В результате резонанса может раскачаться и тяжело нагруженное судно во время даже слабого волнения.

Равновесие судна зависит от относительного положения центра тяжести и так называемого центра давления. Вода давит со всех сторон на, погруженную в нее часть корпуса. Все силы давления можно заменить одной равнодействующей. Она приложена к центру тяжести вытесненной воды и направлена прямо вверх. Точка приложения ее и есть центр давления. Обычно он лежит выше центра тяжести.

Пока корпус судна держится ровно, сила тяжести и давление прямо противоположны и уравновешивают друг друга. Но если судно почему-либо наклонилось, То центр давления переместится в сторону. Теперь на него действуют две силы — сила тяжести и давление. Они стремятся выправить положение судна. Вследствие этого судно выпрямится и по инерции качнется в другую сторону.

Так оно станет колебаться подобно маятнику. Это собственные колебания судна, возникающие под влиянием бортовых ударов волн. Если эти удары попадут в такт качки судна, то размахи судна будут все увеличиваться. Качка судна может стать опасной и даже послужить причиной его гибели.

Такая катастрофа и произошла с английским броненосцем «Кептен», спущенным на воду в 1870 году.

Это судно было одето в толстую стальную броню. В невысоких тяжелых башнях броненосца были установлены крепостные орудия. Экипаж насчитывал 550 матросов и офицеров. Предполагалось, что «Кептен» будет одним из самых грозных броненосцев английского флота.

Толстая стальная броня, которой была обшита надводная часть корпуса, тяжелые башни и мощные артиллерийские орудия слишком повысили центр тяжести. В первую же бурю броненосец сильно накренился, лег на бок, опрокинулся вверх килем и пошел ко дну. Лишь немногим из его команды удалось спастись.

Резонанс в электрической цепи — Класс!ная физика

Резонанс в электрической цепи

Подробности

Просмотров: 723

«Физика — 11 класс»

В механике резонанс наблюдается в том случае, когда собственная частота колебаний системы совпадает с частотой изменения внешней силы.

Резонанс возможен и в электрической цепи, если эта цепь представляет собой колебательный контур, обладающий определенной собственной частотой колебаний.

При механике резонанс выражен при малом трении.
В электрической цепи роль коэффициента трения выполняет ее активное сопротивление R.
Наличие активного сопротивления в цепи приводит к превращению энергии тока во внутреннюю энергию проводника (проводник нагревается).
Поэтому резонанс в электрическом колебательном контуре выражен отчетливо при малом активном сопротивлении R.

Если активное сопротивление мало, то собственная циклическая частота колебаний в контуре:

Сила тока при вынужденных колебаниях достигает максимальных значений, когда частота переменного напряжения, приложенного к контуру, равна собственной частоте колебательного контура:

Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.

Амплитуда силы тока при резонансе.

При резонансе в колебательном контуре создаются условия для поступления энергии от внешнего источника в контур.
Мощность в контуре максимальна в том случае, когда сила тока совпадает по фазе с напряжением.
В механике аналогично: при резонансе в механической колебательной системе внешняя сила (аналог напряжения в цепи) совпадает по фазе со скоростью (аналог силы тока).

После включения внешнего переменного напряжения амплитуда колебаний силы тока нарастает постепенно, пока энергия, выделяющаяся за период на резисторе, не сравняется с энергией, поступающей в контур за это же время:

тогда:

I_mR = U_m

Отсюда амплитуда установившихся колебаний силы тока при резонансе определяется уравнением

При R → 0 резонансное значение силы тока неограниченно возрастает: (I_m)_рез → ∞.
Наоборот, с увеличением R максимальное значение силы тока уменьшается.

Зависимость амплитуды силы тока от частоты при различных сопротивлениях (R₁ < R₂ < R₃):

Одновременно с увеличением силы тока при резонансе резко возрастают напряжения на конденсаторе и катушке индуктивности.
Эти напряжения при малом активном сопротивлении во много раз превышают внешнее напряжение.

Использование резонанса в радиосвязи

Явление электрического резонанса используется в радиосвязи.
На явлении резонанса основана вся радиосвязь.
Радиоволны от различных передающих станций возбуждают в антенне радиоприемника переменные токи различных частот, так как каждая передающая радиостанция работает на своей частоте.

С антенной индуктивно связан колебательный контур.

Из-за электромагнитной индукции в контурной катушке возникают переменные ЭДС соответствующих частот и вынужденные колебания силы тока тех же частот.
Но только при резонансе колебания силы тока в контуре и напряжения в нем будут значительными, т. е. из колебаний различных частот, возбуждаемых в антенне, контур выделяет только те, частота которых равна его собственной частоте.
Настройка контура на нужную частоту ω₀ осуществляется путем изменения емкости конденсатора.
В этом обычно состоит настройка радиоприемника на определенную радиостанцию.

Необходимость учета возможности резонанса в электрической цепи

Если цепь не рассчитана на работу в условиях резонанса, то его возникновение может привести к аварии.
Чрезмерно большие токи могут перегреть провода.
Большие напряжения приводят к пробою изоляции.

Итак,
при вынужденных электромагнитных колебаниях возможен резонанс — резкое возрастание амплитуды колебаний силы тока и напряжения при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебаний.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Электромагнитные колебания. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях — Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями — Уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре. Период свободных электрических колебаний — Переменный электрический ток — Активное сопротивление. Действующие значения силы тока и напряжения — Конденсатор в цепи переменного тока — Катушка индуктивности в цепи переменного тока — Резонанс в электрической цепи — Генератор на транзисторе. Автоколебания — Краткие итоги главы

История МР | Квантовые магнитные явления

В современной физике термином «магнитный резонанс» называют совокупность явлений, возникающих при взаимодействии магнитных моментов ядер и электронов с магнитными статическими, переменными и флуктуирующими полями, которые или прилагаются извне, или могут возникать внутри вещества. Изменения ориентации магнитных моментов ядер или электронов в статическом магнитном поле сопровождаются излучением или поглощением квантов электромагнитного поля, соответствующего радиочастотному диапазону. Поэтому исследования в области магнитного резонанса принято относить к специальному разделу науки: «Квантовая радиофизика». Квантовая радиофизика как область науки сформировалась к началу 1960-х годов. Данный раздел физики изучает явления, сопровождающиеся излучением или поглощением электромагнитных волн радиочастотного диапазона квантовыми системами (ядрами, электронами, атомами, молекулами и т.п.). Эти явления, физическая сущность которых представляет самостоятельный интерес, легли в основу радиоспектроскопических методов изучения строения вещества и происходящих в нем физико-химических процессов. Они используются также для создания квантовых генераторов, усилителей и магнитометров.

Впервые избирательное поглощение радиоволн, обусловленное магнитными свойствами электронных оболочек, наблюдал в 1913 г. профессор Московского университета В.К.Аркадьев. В 1934 г. К.Клитон и Н.Вильямс получили в диапазоне радиочастот инверсионные спектры газообразного аммиака. В 1938 г. в опытах на атомных пучках И.Раби впервые зарегистрировал спектры ядерного магнитного резонанса. Этим методом с высокой степенью точности были определены магнитные моменты многих ядер. Особенно интенсивно радиоспектроскопия начала развиваться после того, как в 1944 г. Е.К.Завойский открыл явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), в 1946 г. две группы американских ученых, возглавляемые Ф.Блохом и Е.М.Перселлом, опубликовали сообщения о наблюдении ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в конденсированных средах и в 1950 г. Г.Демельт и Г.Крюгер получили спектры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР). В настоящее время в радиоспектроскопии используются новейшие научно-технические достижения, в том числе современные средства вычислительной и криогенной техники. Разработанные на основе этих достижений приборы обладают чрезвычайно высокой чувствительностью и разрешающей способностью. Например, методом ЯМР регистрируются квантовые переходы с энергией 10^-31 — 10^-32 Дж и разрешаются две соседние спектральные линии, отстоящие друг от друга менее чем на 0,1 Гц. Таким образом, радиоспектроскопия позволяет исследовать процессы, обусловленные тончайшими изменениями электронной структуры атомов и молекул. Методы квантовой радиофизики используются также для изучения скорости и характера молекулярного движения в самых различных его проявлениях (диффузия, молекулярный обмен и др.). Они широко используются в молекулярной физике, химии, биологии, медицине и других науках. В последние годы методы квантовой радиофизики находят все большее применение в технике и промышленности, а также для изучения, контроля и управления технологическими процессами (в нашей стране ЯМР используется при каротаже нефтяных скважин, лабораторном анализе продуктивности нефтеносных коллекторов, анализе масличности и влажности семян; разработаны аппаратура и методика ЭПР для геологических исследований, неразрушающего контроля драгоценных камней и т. п.).

Важный шаг в развитии квантовой радиофизики связан с выходом в 1954 — 1955 гг. статей американских (Дж.Гордон, Г.Цайгер, Ч.Таунс) и советских (Н.Г.Басов, А.М.Прохоров) физиков, создавших независимо друг от друга первые квантовые генераторы на пучке молекул аммиака. Обе группы физиков отмечали, что первоначальной целью их работы было создание радиоспектроскопов высокой разрешающей силы на основе индуцированного излучения, но несомненно гораздо большее влияние на развитие квантовой радиофизики оказал «побочный эффект», связанный с переводом прибора в осциллирующий режим, т.е. с превращением его в квантовый генератор. Квантовые генераторы, созданные на пучках атомов и молекул, сразу же привлекли внимание ученых своими уникальными свойствами: уже первые приборы обеспечивали относительную нестабильность генерируемой частоты порядка 10^-8, а вскоре были достигнуты показатели 10^-12 — 10^-13. В настоящее время генератор на пучке атомов водорода характеризуется нестабильностью ±2•10^-14 за сутки и воспроизводимостью частоты ±5•10^-13. Высокая стабильность частоты квантовых генераторов определила применение их в качестве устройств хранения точного времени — эталонов времени и частоты. Межведомственной комиссией единой службы времени СССР было принято решение о переходе с 1 января 1972 года на новую систему Всемирного координированного времени, в основу которой положен «атомный масштаб времени».

Почти одновременно с квантовыми генераторами были созданы и квантовые усилители, основным достоинством которых является крайне низкий уровень собственных шумов. Наиболее перспективными из них оказались приборы, построенные на основе ЭПР в твердых телах. В 1956 г. Н.Бломберген показал, что на основе ЭПР в системах с несколькими энергетическими уровнями можно создать квантовый усилитель непрерывного действия, если использовать вспомогательное излучение для поляризации электронных спинов. Квантовые усилители oткрыли новые возможности в целом ряде областей науки и техники: с их помощью была осуществлена первая в истории передача телевизионного изображения из Америки в Европу с использованием искусственного спутника Земли в качестве пассивного отражателя радиоволн, произведена радиолокация многих планет Солнечной системы (для того чтобы представить себе трудности приема отраженных от планет сигналов, укажем, что сигнал, прошедший путь до Венеры и обратно, ослабляется в 1027 раз). На основе приборов квантовой радиоэлектроники созданы магнитометры, обладающие исключительно высокой чувствительностью и большой точностью измерения абсолютных значений магнитного поля. Так, с помощью квантовых геомагнитометров можно регистрировать изменения магнитного поля Земли на 10-7 — 10-8 долю от его величины (т.е. примерно 0,5•10^-7 Гс или 0,5•10^-11 Т).

Следующим важным событием, принесшим квантовой радиофизике всеобщее признание, явилось создание оптических квантовых генераторов. В 1958 г. американскими радиоспектроскопистами А.Шавловым и Ч.Таунсом в развитие идей квантовой радиоэлектроники была предложена конструкция квантового генератора света и рассмотрены общие вопросы, связанные с генерацией и усилением электромагнитных волн оптического диапазона. В 1960 г. был создан первый импульсный, а в 1961 г. — первый оптический генератор непрерывного действия (лазер). Это означало появление качественно нового источника света, который отличался от всех предшествующих важнейшим свойством — когерентностью излучения.

КВАНТОВАЯ РАДИОФИЗИКА НА ФИЗИЧЕСКОМ ФАКУЛЬТЕТЕ СПбГУ

Первые исследования в области квантовой радиофизики проводились на кафедре радиофизики в 1949 — 1957 гг. под руководством профессора Льва Леонидовича Мясникова. Они были посвящены изучению инверсионных спектров аммиака методом микроволновой газовой радиоспектроскопии, а затем разработке методики ядерного магнитного резонанса на атомных пучках. Большую роль в развитии радиоспектроскопии конденсированных сред на кафедре сыграл талантливый ученый — доцент Федор Иванович Скрипов, возглавлявший лабораторию квантовой радиофизики с 1952 по 1961 год. Под его руководством впервые в СССР начали проводиться работы в области ядерного магнитного резонанса в магнитном поле Земли.

В 1993 г. преподаватели и научные сотрудники, проводившие перечисленные выше исследования, проанализировав свой научный и организационный потенциал, решили объединиться в самостоятельное структурное подразделение в рамках Физического учебно-научного центра (ФУНЦ): КАФЕДРУ И ОТДЕЛ КВАНТОВЫХ МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ. Инициатива была одобрена на заседании кафедры радиофизики и получила поддержку на Ученых советах физического факультета и СПбГУ.

 

Эквалайзер: что это такое и как им пользоваться

Недавно купили младшей дочери плюшевую игрушку. Она обожает лошадей и счастливо пополнила свою коллекцию. Назвала звучным именем Эквалайзер. И тут я понял, как много работаю.

Попробовал объяснить ребенку, что означает эквалайзер, и заметил удивленное лицо жены. Оказывается, о назначении этого прибора не знают и взрослые! А вот и тема для очередной статьи. Давайте вместе разберемся, что же делает эквалайзер и где этот зверь «живет».

Для тех, кто решил, что знание для него лишнее — забегу вперед. Они повсюду! Эти устройства есть даже на гаджете, с которого вы читаете эту статью.

Что такое эквалайзер и как он «родился»

Эквалайзер — это тембр блок или программа, которая позволяет регулировать звук: добавлять или убирать басы, делать тише или громче определенную звуковую зону, например, какой-либо инструмент в композиции. Сегодня он присутствует практически в любой бытовой технике (связанной со звуком, конечно). 

Жаль, производители обходят вниманием эту деталь и не объясняют, как им пользоваться. А ведь он та самая волшебная палочка, которая отредактирует плохой звук, уменьшит помехи и сделает более или менее сносным изначально «подвальное» качество записи.

Откуда же взялась такая замечательная штука?

Вопреки ожиданиям, первыми начали пользоваться эквалайзером не музыканты, а звукорежиссеры в кинематографе. Правда, не уверен, была ли тогда такая профессия — звукорежиссер, ведь кино только появилось — дело было в 30-х годах прошлого века.

Эквалайзер применяли, чтобы сделать запись голоса актеров более естественной, убрать треск и помехи. Первый подобный прибор Langevin 251A был всего с двумя ползунками и выбором частот. Почти сразу же компания Cinema Engineering представила шестиполосное устройство, по принципу которого и работают современные эквалайзеры.

Во время Второй мировой войны интерес к коррекции звука поутих — было не до музыки. Зато в 60-х вместе с повальным увлечением роком бурно развивалась и деятельность инженеров, появлялись все более совершенные эквалайзеры. Их уже использовали не только в профессиональной технике вроде оборудования для кинотеатров и студий звукозаписи — эквалайзерами начали оснащать обычные магнитофоны, затем пришел черед плееров и наушников.

Принцип работы эквалайзера и область его применения

Основное назначение эквалайзера сводится к получению адекватного (линейного) звучания исходного материала.

При работе важно помнить, что усиление какого-либо отдельного сигнала приводит к усилению всей композиции, вместе с помехами и посторонними звуками. Поэтому чтобы выделить один фрагмент, надо уменьшить звучание остальной части записи.

Знаю, при новом инструменте первым делом хочется поиграться и подвигать все ползунки, залезть во все настройки. Но без надобности эквалайзер лучше не трогать, тем более что в современной акустике он часто редактирует звук самостоятельно.

В каких случаях он полезен:

• подправить звучание наушников или АК;
• скорректировать звук с учетом акустики комнаты, в которой установлена техника;
• сделать более чистым звук на старых звукозаписях;
• сделать акцент или скрыть некоторые моменты в композиции на свой неповторимый вкус музыкального гурмана.

Кроме «частников» эквалайзер вовсю используют и в качестве сценического оборудования. На концертах возникает эффект «обратной связи», когда усиливающие звук колонки вступают в конфликт с микрофоном. Из-за этого появляется гудение — без многополосного эквалайзера звукорежиссер оказывается как без рук.

В результате работы аппарата звуковой резонанс выравнивается, и концерт проходит более или менее хорошо. Но на всякий случай я никогда не беру билеты в первые ряды.

Виды эквалайзеров

Несмотря на широкое применение, видов эквалайзеров всего два: это графический и параметрический.

Графический эквалайзер

Встречается в аппаратуре для частного использования, но его можно встретить и среди сценического оборудования. Он делит музыкальную композицию на полосы, каждая из которых характеризуется постоянной рабочей частотой, фиксированной шириной полосы вокруг рабочей частоты, а также диапазоном регулировки уровня, одинакового для всех полос.

Если представить регулируемую частоту на графике, то полосы верхнего и нижнего регистра являются «полочными», а все, что находится между ними, представляет собой «колоколообразную» кривую.

Принцип работы с подобным эквалайзером понятен даже новичку: весь частотный диапазон делится на полосы, каждую из которых можно поднимать или опускать, но не более чем на 12 Дб. Однако здесь не без изъяна — между полосами образуются специфические пересечения кроссфейды.

Если опустить несколько полос, между ними появятся пики — довольно неприятный эффект, ведь узкие полосы начинают выпирать из общего стройного ряда. Чем больше полос у эквалайзера, тем менее заметен очередной кроссфейд.

Для наглядности скажу, что в эквалайзерах для домашнего пользования обычно бывает от 7 до 18 полос, в профессиональных устройствах уже до 31 полосы.

Из достоинств графических эквалайзеров приведу следующие:

• графически все понятно и удобно пользоваться;
• можно воздействовать на различные участки спектра повышая или снижая амплитуду, при этом сразу слышать изменения всей мелодии;
• простота и скорость воздействия на весь частотный диапазон.

К недостаткам стоит отнести:

• довольно грубая настройка, поскольку регулировка одной полосы неизбежно отражается на остальных;
• изменять каждую полосу можно только на 12 Дб;
• в большей или в меньшей степени, но звук неизбежно искажается из-за появления кроссфейдов.

Параметрический эквалайзер

Чаще всего это именно профессиональная техника, поскольку данный вид позволяет совершить более точную настройку звука.

В отличие от графического, параметрический эквалайзер не имеет так много полос, как правило, их всего 3–5 штук. Но большого разнообразия и не нужно! Дело в том, что настройка производится не целиком всех дорожек, а только одной, но зато сразу по нескольким параметрам:

• по центральной (рабочей) частоте в Гц;
• по типу фильтра;
• по ширине рабочей полосы вокруг центральной частоты Q;
• по уровню ослабления или усиления выбранной полосы в Дб.

Рабочая частота, она же Frequency, это участок, от которого ведется отсчет работы эквалайзера. В параметрическом аппарате рабочую частоту можно выбрать точно, тем самым погасив резонанс не касаясь других частей спектра.

Чаще всего виртуальные эквалайзеры (программы) позволяют выбрать тип фильтра, с помощью которого можно управлять частотным спектром.

Они бывают:

• полостным;
• обрезным;
• шельфовым.

Полостной фильтр — самый популярный, выполняет основную функцию параметрического эквалайзера — регулирует частоты в выбранном диапазоне на определенное количество Дб с заданным графиком кривой.

Незаменим, когда надо свести несколько звуков со схожим спектром, чтобы каждый звук хорошо читался.

Обрезной фильтр — обрезает низкие и высокие звуки, которые выходят за значения заданной кривой. Чаще всего встречаются двухразрядные (12 дБ/окт.), или четырехразрядные (24 дБ/окт.) фильтры, реже одно- (6 дБ/окт.) или трехразрядные фильтры (18 дБ/окт.). Разряд — это количество Дб, на которое изменяется громкость при изменении частоты на октаву.

Шельфовый фильтр — похож на обрезной, поскольку также действует в пределах заданной кривой. Однако «шельф» переводится как «полка», что и объясняет принципиальное различие между фильтрами.

Шельфовый фильтр равномерно изменяет частотный диапазон выше или ниже заданной частоты, следовательно, уменьшая амплитуду, фильтр уменьшает и громкость одинаково как через одну октаву, так и через пять.

И также этот фильтр работает как в «+», так и в «—», а значит, не только отсекает лишнее, но и способен придать звуку дополнительную окраску. Обрезной фильтр только убирает, ничего не добавляя в композицию.

Иногда встречаются эквалайзеры смешанного типа, графического и параметрического, но это редкое явление.

Советы по настройке эквалайзера

Итак, принцип работы эквалайзера и что он регулирует поняли, а как воспользоваться этим знанием?

В целом разобраться и приступить к работе достаточно просто. С чего начать?

1. Внимательно прослушать композицию и отметить звучание отдельных инструментов.
2. Выявить неприятные частоты и резонансы — методом «научного тыка» по очереди поднять и опустить каждый ползунок эквалайзера, и послушать, что изменилось в музыке.
3. Убрать «лишние» частоты — звяканье тарелок, «коробочную» середину в гитаре, бубнеж на басах и шипящие согласные у вокалиста.
4. Восполнить образовавшиеся пустоты частотами по своему вкусу.

В общем, взболтать, но не смешивать. Иногда лучшее применение эквалайзера — это его отключение. Избытком энтузиазма можно только испортить нормальный трек.

А вот еще пара советов, как работать с эквалайзером:

• эквалайзер делает звук менее естественным, поэтому надеяться полностью «вытянуть» изначально плохую запись с помощью техники не стоит;
• увеличение какого-либо параметра увеличивает все остальные, поэтому старайтесь убавлять, а не прибавлять;
• чтобы быть уверенным, что делаем эквалайзером лучше, а не хуже — нажимайте кнопку bypass, это поможет в ходе работы отслеживать изменения;
• применяйте правило противоположностей — убрав высокие ноты, заменяйте их низкими, и наоборот;
• для подчеркивания «конкурирующих» дорожек их можно разделить, вырезая и добавляя разные диапазоны частот;
• чтобы услышать бас-гитару и барабаны, поднимите средние и высокие ноты;
• а для снижения резкости малого барабана и гитары, слегка уберите высокие ноты и добавьте средних;
• духовые инструменты лучше вовсе не трогать эквалайзером, а подобрать нормальный микрофон.

Как видите, работа с эквалайзером требует хорошего слуха и профессиональных навыков. Но это вам пригодится только, если окажетесь за пультом звукорежиссера, а во всех наушниках Bose эквалайзер уже встроен и редактирует музыку автоматически.

До новых встреч!

 

Марк Авершин, приглашенный эксперт

Примеры полезного действия резонанса. Теория возникновения резонанса, его применение в жизни

Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.

Магнитно-резонансная томография, или ее сокращенное название МРТ, считается одним из самых надежных методов лучевой диагностики. Очевидным плюсом использования такого способа проверить состояние организма является то, что оно не является ионизирующим излучением и дает довольно точные результаты при исследовании мышечной и суставной системы организма, помогает с высокой вероятностью диагностировать различные заболевания позвоночника и центральной нервной системы.

Сам процесс обследования довольно прост и абсолютно безболезненный — все, что вы услышите, лишь сильный шум, но от него хорошо защищают наушники, которые выдаст вам перед процедурой врач. Возможны только два вида неудобств, которых не получится избежать. В первую очередь это касается тех людей, которые боятся замкнутых пространств — диагностируемый пациент ложится на горизонтальную лежанку и автоматические реле передвигают его внутрь узкой трубы с сильным магнитным полем, где он находится примерно в течение 20 минут. Во время диагностики не следует шевелиться, чтобы результаты получились как можно точнее. Второе неудобство, которое вызывает резонансная томография при исследовании малого таза, это необходимость наполненности мочевого пузыря.

Если ваши близкие желают присутствовать при диагностировании, они обязаны подписать информационный документ, согласно которому они ознакомлены с правилами поведения в диагностическом кабинете и не имеют никаких противопоказаний для нахождения рядом с сильным магнитным полем. Одной из причин невозможности нахождения в помещении управления МРТ является наличие в организме посторонних металлических компонентов.

Использование резонанса в радиосвязи

Явление электрического резонанса широко используется при осуществлении радиосвязи. Радиоволны от различных передающих станций возбуждают в антенне радиоприемника переменные токи различных частот, так как каждая передающая радиостанция работает на своей частоте. С антенной индуктивно связан колебательный контур (рис. 4.20). Вследствие электромагнитной индукции в контурной катушке возникают переменные ЭДС соответствующих частот и вынужденные колебания силы тока тех же частот. Но только при резонансе колебания силы тока в контуре и напряжения в нем будут значительными, т. е. из колебаний различных частот, возбуждаемых в антенне, контур выделяет только те, частота которых равна его собственной частоте. Настройка контура на нужную частоту обычно осуществляется путем изменения емкости конденсатора. В этом обычно состоит настройка радиоприемника на определенную радиостанцию. Необходимость учета возможности резонанса в электрической цепи. В некоторых случаях резонанс в электрической цепи может принести большой вред. Если цепь не рассчитана на работу в условиях резонанса, то его возникновение может привести к аварии.

Чрезмерно большие токи могут перегреть провода. Большие напряжения приводят к пробою изоляции.

Такого рода аварии нередко случались еще сравнительно недавно, когда плохо представляли себе законы электрических колебаний и не умели правильно рассчитывать электрические цепи.

При вынужденных электромагнитных колебаниях возможен резонанс — резкое возрастание амплитуды колебаний силы тока и напряжения при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебаний. На явлении резонанса основана вся радиосвязь.

Федотова Виктория

Цель: Изучить информацию о механическом резонансе, его применением и учете.

Задачи: 1. Собрать и систематизировать информацию о применении и учете механического резонанса в природе, быту и технике.

2. Продемонстрировать опыты по наблюдению механического резонанса.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Механический резонанс

1602 В 4 F тр max

Механический резонанс польза вред

20 января (2 февраля) 1905 года по Египетскому цепному мосту в Санкт — Петербурге проходил эскадрон гвардейской кавалерии

Разрушения Такомского моста в Америке в 1940 году

В 2010 году «танцевал» мост в Волгограде

Резонанс в технике 1. 2. 3. 4.

Иерихонские трубы

Ротовая и носовая полости играют роль резонаторов

Частотомер

Звуковой резонанс

Механический резонанс польза вред П рименяют Учитывают и уменьшают

Предварительный просмотр:

Проект по физике «Механический резонанс»

Цель: Изучить информацию о механическом резонансе, его применением и учете.

Задачи: 1. Собрать и систематизировать информацию о применении и учете механического резонанса в природе, быту и технике.

2. Продемонстрировать опыты по наблюдению механического резонанса.

Каждый из нас любит веселое занятие — раскачивание на качелях. Развлекая себя или ребенка, мы прилагаем силу нужного направления в строго определенный момент. Очень странно выглядел бы человек, который пытается раскачать качели, подталкивая их не вовремя. Почему прикладывая силу не вовремя нельзя раскачать качели? Этот вопрос долго оставался без ответа, пока на уроке физики мы не изучили резонанс. Это явление природы очень загадочно. Мы решили немного приподнять завесу тайны.

Механическим резонансом называют явление резкого возрастания амплитуды колебаний, когда частота вынужденных колебаний совпадает с собственной частотой физической системы. Явление резонанса впервые было описано Галилео Галилеем в 1602 г в работах, посвященных исследованию маятников и музыкальных струн. Наиболее отчетливо резонанс наблюдается, если трение в системе минимально.

Для предотвращения этого явления либо увеличивают трение, либо изменяют параметры самой колебательной системы.

Как любое природное явление, резонанс не может быть однозначно полезным или вредным, он имеет свои плюсы и минусы. Когда он вреден, его учитывают и стараются предотвратить, если полезен – применяют.

Каждая деталь, механизм, машина или постройка имеют собственную частоту колебания. Если они при работе попадают под действие вынуждающей силы, весьма опасными могут быть последствия при совпадении частот.

20 января (2 февраля) 1905 года по Египетскому цепному мосту в Санкт — Петербурге проходил эскадрон гвардейской кавалерии, навстречу ему двигались 11 саней с возницами. В этот момент мост рухнул на лёд Фонтанки. Основная версия заключается в том, что конструкция моста не выдержала слишком ритмичных колебаний от слаженного шага военных, отчего в ней произошел резонанс. Эта версия была включена в школьную программу по физике в качестве наглядного примера, кроме того, была введена новая военная команда «идти не в ногу», она даётся строевой колонне перед выходом на любой мост. Разрушения Такомского моста произошло из-за того же резонанса в Америке в 1940 году, моста в Анжере, во Франции в 1850 году. В 2010 году «танцевал» мост в Волгограде.

Механический резонанс может возникнуть, например, в процессе разгона ротора механизма при какой-то промежуточной частоте вращения; с увеличением частоты резонанс прекращается. Резонанс может возникнуть не во всем механизме, а только в какой-либо его части; при резонансе она может отломиться.

Некоторые летчики-испытатели с ужасом сообщали, что при полете их самолет вдруг начинало сильно трясти, и через несколько минут он буквально рассыпался в воздухе. Расследования таких случаев дали ответ о виновнике аварии: это был резонанс. При работе двигателей совпали частоты их колебаний с собственной частотой колебаний корпуса самолета. Размах колебаний все увеличивался, и самолет просто рассыпался в воздухе. Известны случаи, когда приходилось перестраивать океанские лайнеры, чтобы уменьшить вибрацию. Любое тело имеет свою собственную частоту колебаний. И если суметь подобрать такую же частоту внешней силы, разрушение будет неизбежно. Ярчайшим примером тому служат Иерихонские трубы. По преданию, когда они затрубили, стены Иерихона рухнули. Таким же образом можно разбить стакан. А любители Шрека вспомнили птичку, которая лопнула от пения Фионы Отклик, называемый резонансом, проявляется и так. Вот загудело-завибрировало оконное стекло без каких-либо ударов или других заметных воздействий; а вот при прослушивании негромкой музыки начал откликаться бокал, стоящий в шкафу, причем на одной и той же ноте.

Перенесемся мысленно в древний Рим, где на сцене Колизея игрались различные трагедии. Громадный амфитеатр устроен таким образом, что все присутствующие слышат даже шепотом произнесенное слово на сцене. Здесь работает резонанс. Ведь и современные концертные залы строят по особым законам, создавая условия для резонанса. Да и мы с вами используем его для общения. При говоре или пении мы округляем рот, усиливая звук. Обезьяны-ревуны пользуются этим явлением гораздо лучше нас, их рев разносится на несколько километров. Да и обычные лягушки в брачный период издают достаточно громкие крики. У тех и других есть резонаторный мешок, который они раздувают при вопле. Люди подсмотрели в природе явление резонанса и стали использовать его в своих целях. Многие из нас неоднократно любовались изящными формами музыкальных инструментов, но лишь некоторые задают себе вопрос: «А для чего скрипке нужна такая форма?» И тут все дело в резонансе. Звуки разной высоты резонируют в разных местах причудливо изогнутого инструмента. Все усилители звука имеют размеры, подходящие для резонанса. Стоит только немного их изменить, звук тут же «исчезает». Шум морской раковины тоже порожден резонансом.

На явлении резонанса основано действие прибора, позволяющего измерять частоту колебаний. Этот прибор называется частотомером . Частоту механических колебаний обычно измеряют с помощью вибрационных механических и электрических частотомеров ., используемых совместно с преобразователями механических колебаний в электрические. Простейший вибрационный механический частотомер, действие которого основано на резонансе, представляет собой ряд упругих пластин, укрепленных одним концом на общем основании. Пластины подбирают по длине и массе так, чтобы частоты их собственных колебаний составили некую дискретную шкалу, по которой и определяют значение измеряемой частоты. Механические колебания, воздействующие на основание частотомера , вызывают вибрацию упругих пластин, при этом наибольшая амплитуда колебаний наблюдается у той пластины, у которой частота собственных колебаний равна (или близка по значению) измеряемой частоте.

Опыты по наблюдению резонанса .

1. Подвесим к веревке, закрепленной в стойках, несколько маятников разной длины. Отклоним маятник A от положения равновесия и предоставим его самому себе. Он будет совершать свободные колебания, действуя с некоторой периодической силой на веревку. Веревка в свою очередь будет действовать на остальные маятники. В результате все маятники начнут совершать вынужденные колебания с частотой колебаний маятника A . Мы увидим, что все маятники начнут колебаться с частотой, равной частоте колебаний маятника A . Однако их амплитуда колебаний, кроме маятника C , будет меньше, чем амплитуда колебаний маятника A . Маятник же C , длина которого равна длине маятника A , будет раскачиваться очень сильно. Следовательно, наибольшую амплитуду колебаний имеет маятник, собственная частота колебаний которого совпадает с частотой вынуждающей силы. В этом случае говорят, что наблюдается резонанс .
2. Расположим два одинаковых камертона рядом, повернув их друг к другу теми сторонами ящичков, где нет стенок. Ударим левый камертон молоточком. Через секунду заглушим его рукой. Мы услышим, что звучит второй камертон, который мы не ударяли. Говорят, что правый камертон резонирует, то есть улавливает энергию звуковых волн от левого камертона, в результате чего увеличивает амплитуду собственных колебаний.

Вывод: Изучив явление механического резонанса, стало понятно, что это непростое явление. О нем надо помнить и учитывать, так как оно может принести пользу и вред. Если резонанс приносит пользу, то это используют и применяют, а если вред, — то учитывают и уменьшают действие резонанса.

Как на звук и световые волны влияет принцип резонанса? Что такое вибрации и резонансные частоты объектов? Какие повседневные примеры резонанса можно встретить в жизни? Как разбить бокал с помощью голоса? Если присмотреться, то можно увидеть примеры резонанса повсюду. Вот только некоторые из них несут пользу, а другие – вред.

Что такое резонанс?

Вы когда-нибудь задумывались над тем, как люди создают прекрасную музыку с помощью обыкновенных бокалов? По мере повышения воздействия на стекло звуковыми волнами оно может даже разбиться. Световые волны также взаимодействуют особыми способами с объектами вокруг себя. Поведение звуковых и световых волн объясняет, почему люди слышат звуки музыкальных инструментов и различают цвета. Изменения волновой амплитуды вызваны важным принципом, который называется резонансом. Примерами влияния на передачу звука и света являются вибрации.

Звуковые волны происходят от механических колебаний в твердых телах, жидкостях и газах. Световые волны исходят из вибрации заряженных частиц. Объекты, заряженные частицы и механические системы обычно имеют определенную частоту, на которой они склонны вибрировать. Это называется их резонансной частотой или их собственной частотой. Некоторые объекты имеют две или более резонансных частот. Пример резонанса: когда вы едете по ухабистой дороге, и ваш автомобиль начинает прыгать вверх и вниз – это пример колебания вашей машины на своей резонансной частоте, вернее резонансная частота амортизаторов. Вы можете заметить, что когда вы едете в автобусе, частота отскока немного медленнее. Это потому, что амортизаторы шины имеют более низкую резонансную частоту.

Когда звуковая или световая волна ударяет по объекту, она уже вибрирует на определенной частоте. Если эта частота будет соответствовать резонансной частоте объекта, то это приведет к тому, что вы получите резонанс. Он возникает, когда амплитуда колебаний объекта увеличивается за счет соответствующих колебаний другого объекта. Эту связь трудно представить без примера.

Резонанс и световые волны

Взять, к примеру, типичную световую волну (это поток белого света, который исходит от солнца) и направить ее на темный объект, пусть это будет черная змея. Молекулы в коже пресмыкающегося имеют набор резонансных частот. То есть электроны в атомах стремятся вибрировать на определенных частотах. Свет, спускающийся с солнца, – белый свет, который имеет многосоставную частоту.

Сюда входят красный и зеленый, синий и желтый, оранжевый и фиолетовый. Каждая из этих частот поражает кожу змеи. И каждая частота приводит к вибрации другого электрона. Желтая частота резонирует с электронами, резонансная частота которых желтая. Синяя частота резонирует с электронами, резонансная частота которых синяя. Таким образом, кожа змеи в целом резонирует с солнечным светом. Змея кажется черной, потому что ее кожа поглощает все частоты солнечного света.

Когда световые волны резонируют с объектом, они заставляют электроны вибрировать с большими амплитудами. Световая энергия поглощается объектом, и человеческому глазу не заметно, что свет возвращается обратно. Объект выглядит черным. Что делать, если объект не поглощает солнечный свет? Что если ни один из его электронов не резонирует со световыми частотами? Если резонанс не возникает, то вы получите передачу, пропускание световых волн через объект. Стекло кажется прозрачным, потому что оно не поглощает солнечный свет.

Свет все еще вызывает вибрации электронов. Но поскольку он не соответствует резонансным частотам электронов, колебания очень малы и проходят от атома к атому через весь объект. Объект без резонанса будет иметь нулевое поглощение и 100 % передачу, например стекло или вода.

Музыка и резонанс звуковых волн

Резонанс для звука работает так же, как и для света. Когда один объект вибрирует на частоте второго объекта, тогда первый заставляет второй вибрировать с высокой амплитудой. Так возникает акустический резонанс. Примером служит игра на любом музыкальном инструменте. Акустический резонанс отвечает за музыку, создаваемую трубой, флейтой, тромбоном и многими другими инструментами. Как работает это удивительное явление? Можно привести пример резонанса, который имеет положительный эффект.

Пройдя в собор, где играет органная музыка, можно заметить, что вся стена заполнена огромными трубами всех размеров. Некоторые из них очень короткие, а другие доходят до потолка. Для чего нужны все трубы? Когда начинает играть прекрасная музыка, можно понять, что звук исходит от труб, он очень громкий и, кажется, заполняет весь собор. Как такие трубы могут звучать так громко? Во всем виноват акустический резонанс, и он не является единственным инструментом, который использует это удивительное явление.

Создание звуковых волн

Чтобы понять, что происходит, вам сначала нужно немного узнать о том, как звук проходит по воздуху. Звуковые волны создаются, когда что-то вызывает вибрацию молекул воздуха. Затем эта вибрация перемещается, как волна, наружу во всех направлениях. Когда волна проходит по воздуху, есть области, где молекулы сжимаются ближе друг к другу, и области, где молекулы вытягиваются дальше друг от друга. Расстояние между последовательными сжатиями или расширениями известно как длина волны. Частота измеряется в единицах Герца (Гц), а один Герц соответствует одной скорости сжатия волны в секунду.

Люди могут обнаруживать звуковые волны с частотами от 20 до 20 000 Гц! Однако они не все звучат одинаково. Некоторые звуки высокие и скрипучие, в то время как другие низкие и глубокие. То, что вы на самом деле слышите, – это разница в частоте. Итак, как частота относится к длине волны? Скорость звука немного меняется в зависимости от температуры воздуха, но обычно она составляет около 343 м/с. Поскольку все звуковые волны движутся с одинаковой скоростью, частота будет уменьшаться по мере увеличения длины волны и возрастать при уменьшении длины волны.

Вредный резонанс: примеры

Часто люди принимают мостостроение и безопасность как должное. Однако иногда происходят катастрофы, заставляющие поменять свою точку зрения. 1 июля 1940 года в Вашингтоне был открыт мост Такома-Нэрроуз. Это был подвесной мост, третий по величине в мире для своего времени. Во время строительства мост получил прозвище «Галопирование Герти» из-за того, как он качался и сгибался на ветру. Это волнообразное колебание в конце концов привело к его крушению. Мост рухнул 7 ноября 1940 года во время бури, всего через четыре месяца его эксплуатации. Прежде чем узнавать о резонансной частоте и о том, что это связано с катастрофой моста Такома-Нэрроуз, сначала нужно понять что-то, называемое гармоническим движением.

Когда у вас есть объект, периодически колеблющийся назад и вперед, мы говорим, что он испытывает гармоническое движение. Один прекрасный пример проявления резонанса, испытывающего гармоническое движение, – свободная подвесная пружина с прикрепленной к ней массой. Масса заставляет пружину растягиваться вниз, пока в конце концов пружина не сжимается назад, чтобы вернуться к своей первоначальной форме. Этот процесс продолжает повторяться, и мы говорим, что пружина находится в гармоническом движении. Если вы посмотрите видео с моста Такома-Нэрроуз, то увидите, что он колебался, прежде чем рухнул. Он проходил гармоническое движение, как пружина с прикрепленной к ней массой.

Резонанс и качели

Если вы один раз толкнете своего друга на качелях, они несколько раз будут совершать колебательные движения и через некоторое время остановятся. Эта частота, когда колебание самопроизвольно колеблется, называется собственной частотой. Если вы даете толчок каждый раз, когда ваш друг возвращается к вам, он будет качаться все выше и выше. Вы нажимаете с частотой, аналогичной собственной частоте, и амплитуда колебаний возрастает. Такое поведение называется резонансом.

Несомненно, это один из примеров полезного резонанса. Среди прочих нагревание пищи в микроволновой печи, антенна на радиоприемнике, принимающем радиосигнал, игра на флейте.

На самом деле, есть также множество плохих примеров. Разрушение стекла высоким тональным звуком, разрушение моста легким ветерком, обрушение зданий при землетрясениях – все это примеры резонанса в жизни, которые не просто вредные, но и опасные, в зависимости от силы воздействия.

Разрушительная сила звука

Многие наверняка слышали о том, что винный бокал можно разбить голосом оперной певицы. Если вы слегка ударите бокал ложкой, он будет «звонить», как колокол, на своей резонансной частоте. Если на стекло оказывается звуковое давление на определенной частоте, оно начинает вибрировать. По мере того как стимул продолжается, вибрация в бокале накапливается до тех пор, пока он не разрушится, когда будут превышены механические пределы.

Примеры полезного и вредного резонанса повсюду. Микроволны окружают все вокруг, от микроволновой печки, которая разогревает пищу без применения внешнего тепла, до вибраций в земной коре, приводящих к разрушительным землетрясениям.

Резонанс играет очень большую роль в самых разнообразных явлениях, причем в одних — полезную, в других — вредную. Приведем несколько примеров, относящихся к механическим колебаниям.

Идя по доске, перекинутой через ров, можно попасть шагами в резонанс с собственным периодом системы (доски с человеком на ней), и доска начинает тогда сильно колебаться (изгибаться вверх и вниз). То же самое может случиться и с мостом, по которому проходит войсковая часть или проезжает поезд (периодическая сила обусловливается ударами ног или ударами колес на стыках рельсов). Так, например, в 1906г. в Петербурге обрушился так называемый Египетский мост через реку Фонтанку. Это произошло при переходе через мост кавалерийского эскадрона, причем четкий шаг лошадей, отлично обученных церемониальному маршу, попал в резонанс с периодом моста. Для предотвращения таких случаев войсковым частям при переходе через мосты приказывают обычно идти не «в ногу», а вольным шагом. Поезда же большей частью переезжают мосты на медленном ходу, чтобы период ударов колес о стыки рельсов был значительно больше периода свободных колебаний моста. Иногда применяют обратный способ «расстройки» периодов: поезда проносятся через мосты на максимальной скорости.

Случается, что период ударов колес на стыках рельсов совпадает с периодом колебаний вагона на рессорах, и вагон тогда очень сильно раскачивается. Корабль также имеет свой период качаний на воде. Если морские волны попадают в резонанс с периодом корабля, то качка становится особенно сильной. Капитан меняет тогда скорость корабля или его курс. В результате период волн, набегающих на корабль, изменяется (вследствие изменения относительной скорости корабля и воли) и уходит от резонанса.

Неуравновешенность машин и двигателей (недостаточная центровка, прогиб вала) является причиной того, что при работе этих машин возникает периодическая сила, действующая на опору машины — фундамент, корпус корабля и т. п. Период силы может совпасть при этом с периодом свободных колебаний опоры или, например, с периодом колебаний изгиба самого вращающегося вала или с периодом крутильных колебаний этого вала. Получается резонанс, и вынужденные колебания могут быть настолько сильны, что разрушают фундамент, ломают валы и т. д. Во всех таких случаях принимаются специальные меры, чтобы избежать резонанса или ослабить его действие (расстройка периодов, увеличение затухания — демпфирование и др.).

Очевидно, для того чтобы с помощью наименьшей периодической силы получить определенный размах вынужденных колебаний, нужно действовать в резонанс. Тяжелый язык большого колокола может раскачать даже ребенок, если он будет натягивать веревку с периодом свободных колебаний языка. Но самый сильный человек не раскачает язык, дергая веревку не в резонанс.

На явлении резонанса основало действие прибора, предназначенного для определения частоты переменного тока, сила которого изменяется по гармоническому закону (см. том II, § 153). Такие приборы, носящие название язычковых частотомеров, обычно применяются для контроля постоянства частоты в электрической сети. Внешний вид прибора изображен на рис. 28, а. Он состоит из набора упругих пластинок с грузиками на концах (язычков), причем массы грузиков и жесткости пластинок подобраны так, что частоты соседних язычков отличаются на одно и то же число герц. У частотомера, изображенного на рис. 28, а, частоты язычков идут через каждые . Эти частоты написаны на шкале против язычков.

Рис. 28. Язычковый частотомер: а) внешний вид; б) схема устройства

Устройство частотомера схематически показано на рис. 28, б. Исследуемый ток пропускается через обмотку электромагнита. Колебания якоря передаются планке, с которой связаны основания всех язычков и которая укреплена на гибких пластинках. Таким образом, на каждый язычок действует гармоническая сила, частота которой равна частоте тока. Язычок, попавший в резонанс с этой силой, колеблется с большей амплитудой и показывает на шкале свою частоту, т. е. частоту тока.

В дальнейшем мы еще не раз встретимся с явлением резонанса, когда будем изучать звуковые и электрические колебания. Именно эти колебания дадут нам особенно яркие примеры полезного применения резонанса.

При резонансе энергия поступает в систему согласованно с колебаниями в ней, постоянно увеличивая их амплитуду. В стационарном режиме большая амплитуда колебаний поддерживается малыми поступлениями энергии в систему, восполняющими потери энергии колебаний (нагрев проводников, преодоление сил сопротивления, потери на излучение электромагнитных и механических волн) за один период. В системе при резонансе созданы наиболее благоприятные условия для реализации свойственных системе свободных незатухающих колебаний, и поэтому амплитуда колебаний резко возрастает.

Рассмотрим некоторые примеры проявления резонанса в природе.

Пример 1 . Солдаты проходят по мосту строевым шагом, частота ударов ног о поверхность моста может совпасть с собственной частотой колебаний моста как колебательной системы, наступает явление резонанса, при котором амплитуда колебаний моста постепенно нарастает и при больших числовых значениях может привести к его разрушению.

Пример 2 . Вентилятор плохо прикреплен к потолку и при своем вращении он создает толчки на потолок, частота которых может совпасть с собственной частотой колебаний комнаты (потолка) как колебательной системы, амплитуда колебаний потолка нарастает и может привести к его обрушению.

Пример 3 . Приборы на кораблях максимально утяжеляют (делают тяжелыми подставки) и подвешивают на мягких пружинах (коэффициент жесткости для них будет малым). В этом случае частота качки корабля будет больше собственной частоты колебаний (
) приборов на пружинах и поэтому резонанса не наступает.

Пример 4 . В радиоприемниках на основе явления резонанса можно выделить нужный сигнал из большого числа сигналов разных радиостанций, поступающих на его приемную антенну (рис. 5.23,а). Пусть на вход радиоприемника поступают сигналы малой амплитуды с различной несущей частотой

Для выделения сигнала с несущей частотой , необходимо добиться равенства частотысобственных свободных незатухающих колебаний приемного контура и частоты(=). Тогда за счет явления резонанса амплитуда сигнала с частотойна выходе конденсатора резко возрастает, а амплитуды остальных сигналов останутся прежними (рис. 5.23,б показана сплошной линией резонансная кривая, максимум которой приходится на частоту)

и тем самым происходит выделение сигнала с несущей частотой . Изменяя электроемкость конденсатора, можно настроить приемный контур антенны на несущую частоту(на рис. 5.22,б пик резонансной кривой смещается на частоту).

1. Нелинейные системы. Автоколебания

1. Нелинейные системы . Под нелинейными системами понимают такие колебательные системы, свойства которых зависят от происходящих в них процессов. В таких системах существуют нелинейные связи, например, между: 1) силой упругости и смещениемгруза относительно положения равновесия. Это приводит к нарушению закона Гука и к зависимости коэффициента к жесткости системы от смещения , что изменяет собственную частотуколебаний системы; 2) электрическими зарядами конденсатора и создаваемой ими напряженностью поля (сегнетоэлектрик между пластинами конденсатора под действием электрического поля изменяет свою диэлектрическую проницаемость и тем самым приводит к изменению электроемкости конденсатора в зависимости от подаваемого в контур напряжения, т.е. к изменению собственной частоты колебаний контура) и т.д.

Все физические системы являются нелинейными системами. При малых амплитудах колебаний (при малых отклонениях от положения равновесия) физические системы можно считать линейными, колебания в них описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, что и позволяет построить общую теорию колебаний.

Нелинейные эффекты в физических системах обычно проявляются при увеличении амплитуды колебаний – это приводит к тому, что собственные колебания системы (осциллятора) уже не будут гармоническими, а их частота будет зависеть от амплитуды колебаний. Уравнения движения для них являются нелинейными, а такие системы называют ангармоническими осцилляторами(см. § 5.5).

Действительно, например, для малых отклонений потенциального поля от параболического вида () дифференциальное уравнение колебаний будет иметь вид

,

Из записанного дифференциального уравнения видно, что коэффициент жесткости зависит от амплитуды колебаний, что приводит к зависимости угловой частоты свободных незатухающих колебаний системы от амплитуды колебаний
.

Для больших отклонений от линейного поведения зависимость
усложняется, и поэтому усложняются уравнения описывающие колебания в системе.

Для нелинейных систем, в отличие от линейных, нарушается принцип суперпозиции , согласно которому результирующий эффект от сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности, при условии, что последние взаимно не влияют друг на друга.

Изменение в нелинейных системах формы гармонического внешнего воздействия и нарушение принципа суперпозиции позволяют осуществлять с помощью таких систем генерирование и преобразование частоты электромагнитных колебаний – выпрямление, умножение частоты, модуляцию колебаний и т.д.

Резонанс в такой нелинейной системе будет отличаться тем, что в ходе раскачки осциллятора внешней силой величина расстройки (
) будет изменяться, так как частота будет зависеть от амплитуды колебаний.

2.Автоколебательные системы . Рассмотрим подробнее один из примеров нелинейных систем — автоколебательные системы.

Преимуществом использования резонансных явлений является их экономичность и большая амплитуда колебаний. Недостатком является нестабильность работы системы, связанная с необходимостью с большой степенью точности поддерживать условие резонанса (
), так как любые отклонения частоты внешнего воздействия от резонансной частоты при узкой резонансной кривой резко изменяют амплитуду колебаний в системе (рис. 5.17,а, б).

Для того чтобы избежать таких нежелательных явлений, можно заставить саму систему поддерживать это резонансное условие, такая система является автоколебательной системой. Автоколебательная система относится к группе нелинейных колебательных систем, в которых происходит компенсация диссипативных потерь за счет притока энергии от внешнего постоянного источника. При этом система сама регулирует подвод энергии в систему, подавая ее в нужный момент времени в нужном количестве.

Автоколебательная система состоит из колебательной системы, источника энергии и клапана — устройства, которое регулирует подвод энергии в систему. Работой клапана управляет сама система с помощью обратной связи (рис.5.24,а)

В качестве примера автоколебательной системы можно привести систему, состоящую из груза, прикрепленного к двум пружинам и совершающего колебания на металлическом стержне (рис. 5.24,б). Источник постоянного тока с помощью электромагнита за каждый период колебаний совершает работу по увеличению кинетической энергии груза, восполняя потери энергии колебаний на преодоление сил сопротивления.

Это происходит следующим образом. При своем движении металлическая пластина, прикрепленная к грузу, касается контакта-прерывателя (он играет роль клапана), электрическая цепь замыкается и электромагнит притягивает к себе пластину, сообщая при этом дополнительную скорость грузу. Таким образом, в системе возникают незатухающие колебания на частоте
с большой амплитудой, которую можно регулировать, меняя положение контакта прерывателя.

Примерами автоколебательных систем могут служить духовые и смычковые инструменты, колебания голосовых связок при разговоре, механические часы. Примером автоколебательной системы в природе является ядерный реактор, который проработал в течение 500 тысяч лет на урановом руднике в Африке 2,5 миллиарда лет тому назад. Для его работы необходимы были достаточное количество урана-235, который делится под действием медленных нейтронов, и замедлитель нейтронов – вода. В определенный момент времени вода скопилась в достаточном количестве и реактор заработал. Его работу поддерживала цепочка процессов, указанных на рис. 5.25:

Такая автоколебательная система работала до тех пор, пока не выгорело ядерное топливо. Здесь источником энергии является деление ядер U-235, клапаном служит изменение температуры воды, а колебательной системой является вода, уровень которой совершает колебания.

Жизнь в мире резонансов

Полвека назад итальянский физик-теоретик Уго Фано опубликовал работу, в которой описал тип резонанса с характерным асимметричным профилем, возникающим в результате интерференции двух волновых процессов. Спустя годы исследование Фано стало одной из самых цитируемых физических работ по итогам XX столетия. Сегодня фундаментальный результат, полученный десятилетия назад, до сих пор остается источником прорывных концепций для теоретиков, экспериментаторов и технологов и лежит в основе множества разработок, уже появившихся и только создающихся учеными по всему миру. Как идеи Уго Фано влияют на современную фотонику, что нужно для создания сверхчувствительных сенсоров и можно ли сделать объект полностью невидимым, об этом и многом другом рассказывают ученые Университета ИТМО, ФТИ имени Иоффе и Австралийского национального университета в обзоре, опубликованном в престижном журнале Nature Photonics. Масштабный обзор содержит не только подробный анализ последних достижений, связанных с резонансом Фано, эта работа помогает существенно расширить кругозор читателя благодаря сравнительному анализу основных типов резонансных явлений, которые наблюдаются в фотонике. Подробнее о работе, перспективах и возможностях использования различных резонансов, а также о том, почему физика не так сложна, как может показаться, ITMO.NEWS рассказал один из авторов работы, заведующий базовой магистерской кафедры фотоники диэлектриков и полупроводников Университета ИТМО Михаил Лимонов.

1 сентября 2017 года: тройной резонанс

Обзор «Резонанс Фано в фотонике» ученых физико-технического факультета Университета ИТМО опубликован в журнале Nature Photonics 1 сентября. Это дата является знаковой для авторов и по другим причинам. Созданный в январе 2017 года, новый физико-технический факультет принял первых студентов, 1 сентября студенты впервые начнут занятия и на новой базовой магистерской кафедре фотоники диэлектриков и полупроводников Университета ИТМО в Физико-техническом институте. Эту кафедру возглавляет один из авторов обзора — ведущий научный сотрудник лаборатории «Метаматериалы» Университета ИТМО, главный научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе Михаил Лимонов.

Как отмечает ученый, основная задача новой кафедры — объединить все те преимущества, которые предоставляют Университет ИТМО и ФТИ имени Иоффе — с одной стороны, активное развитие и хорошую инфраструктуру, которой обладает Университет ИТМО, с другой — мощнейшую экспериментальную базу по физике и опытных специалистов и ученых с мировым именем, работающих в ФТИ имени Иоффе. Обучение будет вестись на базе Физико-технического института, однако студенты получат возможность участвовать во всех научных мероприятиях, которые проводятся на базе и при поддержке Университета ИТМО. Например, участвовать в международной конференции по нанофотонике и метаматериалам «Метанано», которая ежегодно проводится в России кафедрой нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

Преподавать на кафедре фотоники диэлектриков и полупроводников будут известные ученые, работающие как в фундаментальной науке, так и в прикладном направлении — например, квантовую механику будет читать Никита Аверкиев, заведующий теоретическим сектором в Физтехе, солнечную энергетику — Евгений Теруков, заместитель генерального директора по науке НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ имени Иоффе, где сегодня отрабатываются технологии изготовления солнечных батарей для реального производства. Кроме того, новый физико-технический факультет Университета ИТМО объединил и двух единственных в Петербурге обладателей премии президента РФ по физике для молодых ученых — Павла Белова, который возглавляет факультет, и Александру Калашникову, доцента кафедры фотоники диэлектриков и полупроводников.

Студенты Физико-технический факультета Университета ИТМО

За два года обучения в магистратуре студенты новой кафедры смогут создать серьезный научный задел для успешного обучения в аспирантуре ФТИ имени Иоффе, Университета ИТМО, а также других академических и университетских центров как в России, так и за рубежом, отмечает Михаил Лимонов. Преподаватели кафедры имеют тесные научные связи, а также совместные гранты и опыт обмена студентами, аспирантами и сотрудниками с научными центрами Германии, Англии, Голландии, США, Мексики, Израиля, Австралии, Финляндии. Помимо науки, выпускники кафедры смогут применить свои знания в прикладных областях, связанных с разработкой новых типов солнечных батарей, наногетероструктур, новых систем памяти и во многих других научных направлениях бурно развивающейся фотонной индустрии.

Как резонансы меняют нашу жизнь, делают предметы невидимыми и позволяет создавать сверхчувствительные сенсоры

Что общего между маятником часов, струнами гитары, звуком голоса, радиоприемником или лазером? В основе всех этих устройств и явлений лежит один и тот же физический принцип. «Мы живем в мире резонансов» — так начинают обзорную статью «Fano resonances in photonics» ее авторы, ученые ФТИ имени Иоффе, Университета ИТМО и Австралийского национального университета Михаил Лимонов, Михаил Рыбин, Александр Поддубный и Юрий Кившарь. И действительно, резонансы окружают нас повсюду: с одной стороны, именно они позволяют нам слышать музыку, переключаясь на нужную частоту, получить лазерную генерацию, настроив длину резонатора, с другой — выступают причиной разрушений и катастроф, рассказывает заведующий базовой магистерской кафедры фотоники диэлектриков и полупроводников Университета ИТМО Михаил Лимонов.

Резонанс — это совпадение частоты одного колебания с частотой другого, которое приводит к резкому возрастанию интенсивности колебаний. Неслучайно, даже в школьных учебниках по физике одним из примеров резонанса часто выступает случай, произошедший в Петербурге в 1905 году, добавляет он. Именно в этот день во время передислокации эскадрона конно-егерского полка обрушился знаменитый Египетский мост. Одним из объяснений катастрофы служит совпадение частоты марша кавалерии с одной из собственных частот моста, что и привело к его обрушению.

Длина струны музыкальных инструментов определяет резонансную частоту и позволяет нам получать разнообразие звуков. Сталкиваемся с резонансом мы и в том случае, когда переключаем каналы телевизора или станции в радиоприемнике. Радиоприборы, оптические устройства, современное медицинское оборудование — явление резонанса без преувеличения сопровождает нас в течение всей жизни. Но это ли все, на что «способны» резонансы?

В 1935 году Ганс Бойтлер наблюдал в спектрах поглощения благородных газов линии с ярко выраженной асимметрией профиля. В том же году молодой ученик Энрико Ферми Уго Фано предложил объяснение этого эффекта на основе квантовомеханического принципа суперпозиции. Эту идею ученый развил в знаменитой работе 1961 года, ставшей одной из наиболее цитируемых статей второй половины XX века. Механизм, описанный Фано, лежит в основе разнообразных явлений, он нашел применение в целом ряде современных разработок в области фотоники и продолжает вдохновлять ученых на новые открытия, отмечают авторы обзора в Nature Photonics. Почему?

Резонанс Фано наблюдается в случае когерентного взаимодействия двух колебательных процессов, один из которых описывается узкой спектральной полосой, а другой — широкой. В зависимости от того, как они взаимодействуют, узкий контур может обладать самой разнообразной формой — и симметричной (так называемый контур Лоренца), и асимметричной (контур Фано). Эта вариантность узкой спектральной линии и определяет удивительное разнообразие наблюдаемых явлений. Именно поэтому резонанс Фано находит применение в совершенно различных областях — в акустике, механике, магнитных явлениях, фотонике и многих других, объясняет Михаил Лимонов.

К примеру, можно ли сделать предметы невидимыми? Да, говорят ученые, в определенном спектральном интервале — можно. И поможет в этом именно резонанс Фано.

Михаил Лимонов

«Как выясняется, резонанс Фано может обеспечить такое широко обсуждаемое сейчас явление, как невидимость объектов. Каким образом? При резонансе Фано контур линии таков, что на определенной частоте он в точности достигает нуля. Это значит, что в этом диапазоне частот нет рассеяния, либо оно крайне мало, то есть электромагнитная волна проходит сквозь объект, не замечая его. А если на объекте нет рассеяния, его невозможно увидеть со стороны. Конечно, это происходит не во всем спектральном диапазоне, объект становится невидимым именно в определенном диапазоне частот. Кроме того, чтобы это произошло, мы должны подобрать однородный объект, рассеяние на котором описывается формулой Фано, — например, цилиндр либо сферу. Но, что очень важно, невидимость таких объектов возникает без дополнительных маскирующих элементов, над созданием которых работают многие ученые», — рассказывает Михаил Лимонов.

Обычно считается, что для маскировки объекта его надо чем-то окружать, создавать «плащ-невидимку». В большинстве случаев «плащ» приводит к тому, что электромагнитные волны огибают объект и встречаются уже за ним, при этом сам он становится невидимым. Эту идею в 2006 году сформулировал сотрудник Имперского колледжа Лондона, профессор Джон Пендри (подробнее о невидимости читайте здесь). Но при наличии резонанса Фано все происходит без дополнительных усилий: волна проходит прямо через объект и попросту его не «видит».

«В этом случае взаимодействуют два вида рассеяния: широкое рассеяние — рассеяние нерезонансное от шарика или цилиндра, и узкое — так называемое резонансное рассеяние Ми (теория Ми описывает рассеяние на сфере, цилиндре и ряде других объектов). Взаимодействие узкого резонанса Ми с широким нерезонансным рассеянием описывается теорией Фано. И при этом оказывается, что какая-то область обладает нулевым рассеянием. Это один из ярких примеров, который демонстрирует нам удивительные возможности применения резонанса Фано», — продолжает исследователь.

ФТИ им.А.Ф. Иоффе

Безусловно, все мечтают о полной невидимости объектов — иными словами, во всем спектральном диапазоне, но возможность скрыть предмет даже на одной частоте уже открывает огромные возможности, рассказывает Михаил Лимонов. Простой пример: как известно, перископ подводных лодок регулярно сканируются радарами «противника», которые обычно работают на определенной частоте. При условии, что подводникам удалось определить эту сканирующую частоту и подстроить под нее параметры перископа, можно полностью скрыть его от «глаз» противника.

Еще один пример использования резонанса Фано в фотонике — принцип, который позволяет создавать сверхчувствительные сенсоры для различных применений. Дело в том, что форма линии контура Фано определяется не только самой структурой, но и ее окружением. Поэтому, если меняется окружение (например, в атмосфере появляется опасный газ), меняется и форма контура Фано, которая с высокой точностью регистрируется при пропускании электромагнитной волны через сенсор.

«Настроив прибор на определенную частоту (а у всех газов очень хорошо известен спектр), вы можете зафиксировать трансформацию спектра пропускания и в результате получить сенсоры для различных задач», — уточняет Михаил Лимонов.

Детальный обзор этих и других перспективных разработок, основанных на принципах резонанса Фано и появившихся в современной науке за последние годы, авторы работы в Nature Photonics готовили более года. Эта работа стала уже шестой публикацией сотрудников базовой магистерской кафедры фотоники диэлектриков и полупроводников в самых престижных журналах семейства Nature: на данный момент одна работа опубликована в Nature, две — в Nature Photonics и три — в Nature Communications.

Михаил Рыбин и Михаил Лимонов

В отличие от традиционных обзоров, формально перечисляющих, как правило, уже существующие идеи и результаты, в своей работе ученые Университета ИТМО, ФТИ имени Иоффе и Австралийского национального университета предлагают собственный оригинальный анализ. В статье дается не только детальное описание резонанса Фано, но и приводится сравнительный анализ других видов резонансов, что, как отмечают авторы, поможет читателям глубже познакомиться с предметом.

«В течение рецензирования обзора в редакции Nature Photonics мы прошли четыре раунда “замечания рецензентов — наши ответы”. Это связано с уровнем журнала, который сейчас является абсолютным лидером по импакт-фактору (IF=37.8) среди журналов по фотонике, а также среди журналов, публикующих обзоры по физике. Кроме того, по тематике резонанса Фано уже был опубликован целый ряд обзоров в ведущих физических журналах, что лишний раз подтверждает, что резонанс Фано — это действительно hot topic. Поэтому, чтобы опубликовать еще один обзор по резонансу Фано в престижном журнале, нам необходимо было перейти на новый уровень изложения, осветить проблемы и достижения так, как это не делал еще никто. И мы надеемся, что у нас получилось. Мы акцентировали свое внимание на месте и роли резонанса Фано среди других многочисленных резонансных явлений в фотонике. Мы включили в обзор собственный анализ и оригинальные результаты, которые представили на “фазовой диаграмме”, отражающей области существования различных резонансных явлений в зависимости от параметров двух взаимодействующих осцилляторов. Что интересно, с этой идеей был связан нехарактерный для рецензирования момент, надолго задержавший публикацию обзора. Один из рецензентов (а в журнале Nature Photonics это могут быть только ученые с высокой репутацией) написал в своей первой рецензии, что обзор не должен содержать новые факты и давать оригинальный анализ. При этом он сослался на статью в “Википедии” об обзорах. Мы впервые в своей научной практике столкнулись с тем, что рецензент апеллирует не к научному рецензируемому изданию, а к Википедии, которая, как известно, является свободно наполняемой нерецензируемой энциклопедией. Лишь в течение долгой и напряженной работы с этим рецензентом и редакцией Nature Photonics нам в итоге удалось отстоять свою точку зрения», — рассказывает Михаил Лимонов.

Диаграмма фаз различных резонансов в фотонике. Иллюстрация из обзора «Резонанс Фано в фотонике». Источник: http://www.nature.com/nphoton/journal/v11/n9/full/nphoton.2017.142.html?foxtrotcallback=true

В итоге в обзоре появилась фазовая диаграмма, позволяющая всем, кто занимается этой тематикой, наглядно сравнить разные типы резонансов и, например, узнать, что общего у резонанса Фано и резонанса Керкера и почему последний никогда не пересечется с резонансом Бормана.

«Наша основная идея — показать на примере двух осцилляторов с разной шириной собственных резонансов все многообразие физических эффектов, заложенных в эту очень простую модель. Ведь по большому счету физика не так сложна, если ее глубоко понимать и доходчиво объяснять на самых простых примерах. Она основывается на определенных фундаментальных понятиях, которые, как нам кажется, мы смогли успешно отразить в нашем обзоре», — резюмирует Михаил Лимонов.

Перейти к содержанию

10 неожиданных изобретений времен Первой мировой

• Стивен Эванс,
• Би-би-си, Берлин

15 апреля 2014

Обновлено 16 апреля 2014

Автор фото, Reuters

Подпись к фото,

За последние сто лет наручные часы претерпели заметную эволюцию

Первая мировая война подарила человечеству ряд неожиданных изобретений, никак не связанных с военной промышленностью. Сегодня мы вспоминаем лишь некоторые из них, прочно вошедшие в обиход и радикально изменившие наш стиль жизни.

1. Гигиенические прокладки

История этого ставшего давно привычным для женщин предмета обихода связана с появлением целлюкотона или целлюлозной ваты — материала с очень высокой степенью впитывания. А производить его начали еще до начала Первой Мировой войны специалисты небольшой в то время американской компании Kimberly-Clark.

Глава исследовательского отдела Эрнст Малер, а также вице-президент компании Джеймс Кимберли объезжали в 1914 году целлюлозно-бумажные заводы в Германии, Австрии и скандинавских странах. Там они и приметили материал, который впитывал влагу в пять раз быстрее и обходился производителям в два раза дешевле, чем хлопок.

Кимберли и Малер захватили с собой образцы целлюлозной ваты в Америку, где зарегистрировали новую торговую марку. Когда в 1917 году США вступили в Первую Мировую войну, Kimberly-Clark начала производить перевязочные материалы со скоростью 100-150 метров в минуту.

Однако медсестры Красного Креста, перевязывавшие раненых и оценившие новый перевязочный материал по достоинству, стали применять его в другом качестве. Это нецелевое использование целлюкотона и стало основой процветания фирмы.

«После окончания войны в 1918 году производство перевязочных материалов пришлось приостановить, так как основные потребители – армия и Красный Крест — больше в них не нуждались», — рассказывают нынешние представители компании.

Почти 100 лет назад предприимчивые бизнесмены Kimberly-Clark скупили остатки целлюлозной ваты у военных и создали новый товар и новый рынок.

После двух лет интенсивных исследований, экспериментов и маркетинга, компания произвела гигиеническую прокладку из 40 тончайших слоев целлюлозной ваты, обернутых в марлю.

В 1920 году в маленьком деревянном сарае в местечке Нина, штат Висконсин, было запущено массовое производство прокладок, которые изготовлялись женщинами-работницами предприятия вручную.

Новый продукт окрестили Kotex (сокращенное от cotton texture/хлопковая текстура). На прилавки он поступил в октябре 1920 года, спустя около двух лет после подписания соглашения о перемирии.

2. … и бумажные носовые платки

Рекламировать гигиенические прокладки оказалось не так просто, ведь говорить вслух о менструальном цикле тогда было просто неприлично, к тому же женщины стеснялись покупать их у продавцов-мужчин.

Компания договорилась с аптеками, в которых продавались прокладки этой марки, выставлять у кассы две коробочки. Из одной женщина брала упаковку с прокладками, в другую клала 50 центов, если же у кассы этих коробочек не наблюдалось, то можно было просто сказать слово «Котекс». Оно звучало как пароль, и продавец сразу понимал, что нужно.

Постепенно новый продукт набирал популярность, но не так быстро, как хотелось бы Kimberly-Clark. Нужно было искать новое применение замечательному материалу.

В начале 1920 годов у одного из сотрудников компании – Берта Фернесса – возникла идея облагородить целлюлозу под горячим утюгом, что делало ее поверхность гладкой и мягкой. В 1924 году после ряда экспериментов на свет появились салфетки для лица, которые назвали Kleenex.

3. Кварцевая лампа

Зимой 1918 года около половины всех детей в Берлине страдали рахитом, одним из симптомов которого являются костные деформации.

В то время причины этой болезни были неизвестны. Предполагали, что это как-то связано с бедностью.

Автор фото, Getty

Подпись к фото,

Оздоровительный эффект ультрафиолетовых ванн — открытие доктора Гульдчинского

Берлинский врач Курт Гульдчинский заметил, что многие его пациенты, страдавшие рахитом, были очень бледными, без всякого загара. Он решил провести эксперимент на четырех больных, включая трехлетнего мальчика. Все, что сейчас известно об этом ребенке, это то, что звали его Артур.

Курт Гульдчинский стал облучать эту группу больных ультрафиолетовыми лучами от ртутно-кварцевых ламп. После нескольких сеансов доктор обнаружил, что костная система у детей стала укрепляться.

В мае 1919 года с наступлением летнего сезона он стал делать детям солнечные ванны. Результаты его экспериментов вызвали большой резонанс.

По всей Германии детей стали сажать перед кварцевыми лампами. Там, где ламп не хватало, как в Дрездене, например, в дело пошли даже лампы, снятые работниками социальных служб с уличных фонарей.

Позже ученые выяснили, что лампы ультрафиолетового излучения способствуют выработке витамина D, который активно участвует в синтезе и усвоении организмом кальция. Кальций, в свою очередь, нужен для развития и укрепления костей, зубов, волос и ногтей.

Так что лечение детей, страдавших в годы войны от недоедания, привело к весьма полезному открытию о пользе ультрафиолетовых лучей.

4. Летнее время

Идея перевода стрелок на час вперед весной и на час назад осенью существовала и до начала Первой мировой войны.

Бенджамин Франклин изложил ее в письме в «Парижский журнал» еще в 1784 году. «Так как люди не ложатся спать с заходом солнца, приходится впустую изводить свечи, — писал политик. — Зато утром впустую пропадает солнечный свет, так как люди просыпаются позже, чем встает солнце».

Подобные предложения были сделаны в Новой Зеландии в 1895 году и в Великобритании в 1909 году. Однако они ни к чему не привели.

Первая мировая война внесла свою лепту в реализацию этой идеи.

В Германии не хватало угля. 30 апреля 1916 года власти этой страны выпустили указ, согласно которому стрелки часов переводились с 23:00 вечера на 24:00. На следующее утро все должны были проснуться, таким образом, на час раньше, экономя час светового дня.

Опыт Германии довольно быстро перекочевал в другие страны. В Британии на летнее время перешли 21 мая 1916 года, за ней последовали другие европейские страны. 19 марта 1918 года Конгресс США учредил несколько часовых поясов и ввел летнее время с 31 марта до окончания Первой мировой войны.

После заключения перемирия летнее время отменили, но идея экономии светового дня осталась ждать лучших времен, и, как мы знаем, эти времена в конце концов наступили.

5. Чайные пакетики

Чайный пакетик не обязан своим происхождением проблемам военного времени. Считается, что впервые чай, расфасованный в маленькие пакетики, стал рассылать своим клиентам американский торговец чаем в 1908 году.

Автор фото, PA

Подпись к фото,

Чай в пакетике солдаты Первой Мировой называли «чайной бомбой»

Кто-то из поклонников этого напитка уронил либо окунул такой пакетик в чашку с кипятком, положив начало очень удобному и быстрому способу заварки чая. Так, по крайней мере, говорят представители чайного бизнеса.

В годы Первой мировой немецкая компания Teekanne вспомнила про эту идею и начала поставлять чайные пакетики войскам. Солдаты называли их «чайными бомбами».

6. Наручные часы

Это неправда, что наручные часы изобрели специально для военнослужащих в годы Первой мировой войны. Однако достоверно то, что в эти годы число мужчин, которые носили наручные часы, возросло во много раз.

Уже после войны наручные часы стали привычным атрибутом, по которому сверяли время.

Однако в конце XIX и начале XX веков любой живший в достатке мужчина делал это с помощью карманных часов на цепочке.

Женщины в этом отношении были первопроходцами — королева Елизавета I, например, имела маленькие часики, которые она в случае надобности могла носить на запястье.

Но для участников Первой Мировой определение времени становилось все более важной проблемой, особенно когда нужно было синхронизировать массовые выступления или артиллерийские обстрелы.

Появились часы, которые оставляли обе руки солдата свободными, то есть наручные часы. Они были удобны и для авиаторов. Так что карманные часы на солидной цепочке, можно сказать, канули в лету.

В годы англо-бурских войн компания Mappin and Webb произвела наручные часы с ушками, через которые можно было продевать ремешок. Позже эта фирма не без гордости заявляла, что ее продукция оказалась очень полезной в ходе битвы при Омдурмане — генерального сражения Второй англо-суданской войны.

Но именно Первая Мировая война сделала наручные часы каждодневной необходимостью. Особенно важно было координировать действия разных подразделений во время создания огневой артиллерийской завесы — то есть огня наземной артиллерии перед выступлением пехоты. Ошибка в несколько минут могла стоить многих жизней собственных солдат.

Расстояния между различными позициями были слишком большими, чтобы использовать сигналы, времени на их передачу было слишком мало, да и делать это на виду противника было бы неразумно. Так что наручные часы были прекрасным выходом из ситуации.

Компания H. Williamson, выпускавшая так называемые траншейные часы в Ковентри, в своем отчете за 1916 года сообщала: «Известно, что уже каждый четвертый солдат имеет наручные часы, а оставшиеся трое приобретут их при первой же возможности».

Некоторые марки наручных часов, ставшие символом роскоши и престижа, ведут свое начало со времен Первой Мировой войны. Модель Tank фирмы Cartier были представлены в 1917 году французским мастером Луи Картье, который cоздал эти часы, вдохновившись формой новых танков Renault.

7. Вегетарианские сосиски

Если вы думаете, что соевые сосиски появились на свет где-то в середине 1960-х в Калифорнии благодаря каким-нибудь хиппи, то вы ошибаетесь.

Соевые сосиски изобрел Конрад Аденауэр, первый канцлер послевоенной Германии. Этот продукт питания стал символом выдержки и добросовестности — сказать, что вкусовые качества сосисок оставляли желать лучшего, было бы слишком жестоко.

Во время Первой мировой войны Аденауэр был мэром Кельна, жители которого голодали из-за британской блокады.

Обладавший живым умом и талантом изобретателя Аденауэр стал искать продукты, которые бы могли заменить в рационе горожан хлеб и мясо.

Он начал с рецепта хлебных булок, где вместо пшеничной муки использовались ячмень, рисовая и кукурузная мука. Получалось вполне съедобно, пока Румыния не вступила в войну и поставкам кукурузной муки не пришел конец.

От экспериментального хлеба мэр города перешел к экспериментальным сосискам. Он предложил использовать вместо мяса сою. Его произведение стали называть «сосисками мира» либо «кельнской сосиской». Аденауэр решил запатентовать свой рецепт, однако Имперское управление по патентам отказало ему.

Оказывается, когда речь шла о сосисках и колбасах, правила Германии были очень строги – чтобы называться таковыми, эти продукты должны были содержать мясо. Короче, нету мяса — нет сосисок.

Это может показаться странным, но Аденауэру больше повезло в этом плане с противником Германии: британский король Георг V даровал ему патент на соевую сосиску 26 июня 1918 года.

Позже Аденауэр изобрел «электрическую щетку-грабли для уничтожения гусениц», устройство для устранения пыли, создаваемой автомобилем, лампу для тостера и многое другое. Однако ни одна из этих разработок не была запущена в производство.

Зато запатентованная «кельнская сосиска» с соевым содержимым вошла в историю.

Вегетарианцы всего мира должны поднять бокал с био-вином за скромного министра финансов Германии, который создал для них такое незаменимое блюдо.

8. Застежка-молния

Начиная с середины XIX века многие люди пытались создать приспособление, которое бы помогло бы соединять детали одежды и обуви наиболее быстрым и удобным способом.

Однако удача улыбнулась американскому инженеру Гидеону Сундбеку, который эмигрировал в Америку из Швеции.

Он стал главным дизайнером компании Universal Fastener Company, где и изобрел Hookless Fastener (застежку без крючков): бегунок-слайдер соединял зубцы, закрепленные на двух текстильных лентах. Cундбек получил патент на свой вариант «молнии» в 1913 году.

Американские военные стали использовать эти молнии в военной форме и обуви, особенно на военно-морском флоте. После Первой Мировой войны застежки-молнии перекочевали в гражданскую одежду, где они и продолжают здравствовать и по сей день.

9. Нержавеющая сталь

За сталь, которая не ржавеет и не поддается коррозии, мы должны благодарить Гарри Бреарли из английского города Шеффилда.

Как повествуют документы из городского архива, «в 1913 году Бреарли разработал то, что считается первым образцом «нержавеющей» или «чистой» стали — продукта, который революционизировал металлургическую индустрию и стал основным компонентом инфраструктуры современного мира».

Британские военные как раз ломали голову над тем, из какого металла лучше всего производить оружие.

Автор фото, Reuters

Подпись к фото,

Нержавеющая сталь нашла себе массу применений в ХХ веке

Проблема была в том, что оружейные стволы под воздействием высоких температур и трения начинали деформироваться. Металлурга Бреарли попросили создать такой сплав, который мог бы выдержать воздействие высоких температур, химических элементов и так далее.

Бреарли стал проводить эксперименты, проверяя свойства различных сплавов, в том числе с высоким содержанием хрома.

Согласно легенде, многие из опытов, по его мнению, заканчивались неудачей, и забракованные слитки оказывались в куче металлолома. Однако позже Бреарли заметил, что некоторые из них не поддавались ржавчине.

Таким образом в 1913 году Бреарли открыл секрет нержавеющей стали.

В годы Первой мировой войны из нее изготовляли новые авиадвигатели, однако позже из нержавейки стали делать ложки, ножи и вилки, а также бесчисленное количество хирургических инструментов, без которых не обходится сейчас ни одна больница в мире.

10. Система связи для пилотов

До Первой мировой войны авиатор оказывался в воздухе один на один с самолетом. Он не мог переговариваться ни с другими летчиками, ни с наземными службами.

В начале войны связь между армейскими подразделениями осуществлялась в основном с помощью телеграфных линий. Однако зачастую артобстрелы или танки выводили их из строя.

Немцы также сумели подобрать ключ к британским телеграфным шифровкам. В то время использовались другие способы связи — курьеры, флаги, голубиная почта, световые сигналы или верховые посыльные, но у каждой из них были свои недостатки.

Автор фото, PA

Подпись к фото,

Современный летчик в полете связан с авиадиспетчером

Авиаторам приходилось обходиться криками и жестами. Это уже никуда не годилось. Нужно было что-то предпринимать. Выходом стала беспроволочная связь.

Радиотехнологии были тогда в зачаточном состоянии. В годы Первой Мировой войны соответствующие исследования велись в Брукленде и Биггин Хилле, к концу 1916 года были достигнуты серьезные успехи.

«Первые попытки установить радиотелефоны на самолеты закончились неудачей, так как шум мотора создавал множество помех», — пишет историк Кит Троуэр в одной из своих книг о развитии радио в Британии.

По его словам, позже эту проблему решили, создав шлем со встроенными микрофоном и наушниками. Благодаря этому гражданская авиация в послевоенные годы «взлетела» на новую высоту, а жесты и крики, с помощью которых авиаторам приходилось выходить на связь, ушли в прошлое.

Парамагнитный резонанс: восходящая звезда в методах исследования аккумуляторов

www.instrument.com.cn: Г-н Ху, прежде всего, представьте, пожалуйста, ваше текущее направление исследований и причины выбора этого направления.

Hu Bingwen: В настоящее время основным направлением исследований нашей исследовательской группы является применение ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в области аккумуляторных батарей, в том числе литий-ионных аккумуляторов и натрий-ионных аккумуляторов.

Во время учебы в докторантуре. степень во Франции, я специализировался в разработке методологии ЯМР. Вернувшись в Китай, я вначале не менял направления своих исследований и разработал множество методов, таких как SHANGHAI и SHA +. Но постепенно я осознал проблему в своей работе: аспирантам сложно освоить методологию ЯМР и сделать какие-то научные достижения в короткие сроки. После расследования я обнаружил, что исследования «аккумуляторного ЯМР» относительно немногочисленны в Китае, поэтому я начал изучать и проводить некоторые исследования аккумуляторов, от электролитов до отрицательных электродов, а затем и до положительных электродов.

Мой наставник, JP, любит болтать и имеет широкое поле зрения. Он много раз говорил мне, что все направления исследований пяти национальных исследовательских центров ЯМР во Франции имеют свои уникальные приоритеты. Однако в Китае, который имеет большую территорию, имеется относительно меньше национальных исследовательских центров ЯМР, и большинство из них сосредоточено на областях катализа и биологии. В возрасте 40 лет JP кардинально изменил свою карьеру. Он также побуждал меня кардинально изменить свою карьеру, чтобы следовать уникальному и целенаправленному новому направлению.

Обратившись на некоторое время к области аккумуляторных батарей, я обнаружил, что технологии ЯМР далеко не достаточно для исследований в этой области, которые также нуждаются в поддержке результатов технологии парамагнитного резонанса. Поэтому наша исследовательская группа подала заявку на демонстрационный прибор от Bruker в 2016 году, а затем приобрела спектрометр непрерывного / импульсного электронного парамагнитного резонанса Bruker E580 для изучения преимуществ парамагнитного резонанса. Постоянно изучая и исследуя применение технологии парамагнитного резонанса в исследованиях аккумуляторных систем, мы, наконец, сформировали смешанное направление исследований ЯМР, парамагнитного резонанса и аккумуляторов.

www.instrument.com.cn: Когда технология магнитного резонанса была применена к полю батареи? Каковы характеристики магнитно-резонансной техники по сравнению с другими аналитическими приборами?

Hu Bingwen: В настоящее время в Китае не так много исследовательских групп, применяющих технологию магнитного резонанса в области аккумуляторных батарей. Насколько мне известно, таких исследовательских групп около трех-пяти. Однако на международном уровне ЯМР начал заниматься исследованиями батарей примерно в 2000 году.Вернувшись в Китай в 2010 году, я начал проводить исследования в этой области. Применение технологии парамагнитного резонанса в области аккумуляторных батарей долгое время игнорировалось и давало спорадические результаты. Фактический старт — примерно в 2015 году, что относительно поздно по сравнению с применением технологии ЯМР. Наша исследовательская группа начала работать в этой области в 2016 году, в основном идя в ногу с международными исследовательскими группами.
По сравнению с другими аналитическими приборами, ЯМР и парамагнитный резонанс обладают многими уникальными особенностями при исследовании батарей.

ЯМР — это макроскопический научный инструмент, который может получить более полную информацию об элементах, в то время как другие инструменты, такие как ТЕМ, могут получить только информацию о локальных элементах, не имея понимания общей ситуации. ЯМР в основном изучает Li, Na и O, и его способность различать эти элементы также сильнее, чем у других аналитических технологий. Например, при определении положения иона лития в аккумуляторе NaLiMnO ₂ ЯМР может самым непосредственным образом определить, находится ли ион лития в слое натрия или других слоях.

Парамагнитный резонанс очень хорошо распознает валентные состояния элементов. Синхротронное излучение — это наиболее широко используемая технология при тестировании V-систем. Он, очевидно, может наблюдать изменения V ⁴⁺ и V ⁵⁺ , но едва ли может различить незначительные изменения V ³⁺ . Однако в спектре парамагнитного резонанса вы можете четко идентифицировать V ³⁺ , что в точности соответствует «силе» парамагнитного резонанса .

www.instrument.com.cn: Что вы думаете о перспективах применения магнитно-резонансной технологии в области энергии батарей?

Hu Bingwen: Мы должны сказать, что магнитно-резонансная технология имеет очень хорошие перспективы применения в области аккумуляторных батарей. Технологии ЯМР и парамагнитного резонанса могут предоставить дополнительную информацию, которая может предоставить полную информацию о материале батареи.

Фактически, аккумулятор имеет уникальное поведение, называемое «частичной аморфизацией».В материалах катионных батарей есть неупорядоченные места, и эту неупорядоченную структуру нельзя хорошо объяснить с помощью большинства других технологий. Однако ЯМР и парамагнитный резонанс вполне могут объяснить это явление. Кроме того, внутренняя и внешняя конструкции батарей очень разные. Итак, с точки зрения фазового перехода или разупорядочения технология магнитного резонанса незаменима. Стоит отметить, что использование МРТ не исключает использования синхротронного излучения, ПЭМ и других технологий, потому что мы можем получить некоторую дополнительную информацию, используя различные технологии.
Непрерывное исследование EPR для увеличения потенциала.

www.instrument.com.cn: Сколько приборов магнитного резонанса имеется в вашей лаборатории в настоящее время? Когда вы их приобрели и какой инструмент сейчас в основном используется для ваших научных исследований?

Hu Bingwen: Ядерные магнитные приборы в нашей лаборатории — это твердотельные ядерные магнитные спектрометры, включая один спектрометр 300 МГц, один спектрометр 400 МГц и два спектрометра 600 МГц, которые были приобретены примерно в 2010-2014 годах.Спектрометр парамагнитного резонанса был приобретен в 2018 году и в настоящее время является основным прибором в нашей лаборатории.

www.instrument.com.cn: Какие исследования вы провели с помощью спектрометра парамагнитного резонанса Bruker E580 и какие замечательные результаты вы получили?

Hu Bingwen: Статья, которую мы только что опубликовали на JPCL, посвящена уникальному применению парамагнитного резонанса в системе NaCrO ₂ .Используя парамагнитную технологию, мы можем наблюдать ионы Cr ⁵⁺ , которые трудно наблюдать другими технологиями. Используя оборудование для зарядки и разрядки, мы можем узнать, что стабильность батареи очень хорошая, когда напряжение ниже 3,7 В; когда напряжение выше 3,7 В, сигнал скоро исчезнет. Фактически, как только напряжение превышает 3,7 В, Cr ³⁺ преобразуется в Cr ⁵⁺ , а Cr ⁵⁺ растворяется в электролите, что приводит к резкому снижению производительности аккумулятора.И если вы хотите получить эту информацию, самый прямой и эффективный инструмент — парамагнитный резонанс . С помощью инструмента визуализации парамагнитного резонанса мы можем видеть, что ионы Cr расположены на мембране в электролите, что напрямую демонстрирует большой потенциал технологии визуализации парамагнитного резонанса .

Генерация и применение высокодобротного резонанса на полностью диэлектрических метаповерхностях

Метаповерхности, поддерживающие BIC, могут достигать резонанса с высокой добротностью.Q-фактором можно управлять, изменяя размер введенного дефекта, и в дальнейшем это соотношение можно регулировать с помощью предлагаемой конструкции (внизу слева). Оптимизируя размеры структур, можно легко достичь резонанса с высокой добротностью и значительно улучшить сигнал THG. Предоставлено: Compuscript Ltd.

В новой публикации Opto-Electronic Advances исследователи во главе с профессором Лю Яном из Университета Сидянь, Китай и профессором Гань Сюэтао из Северо-Западного политехнического университета, Китай, рассматривают создание и применение высокодобротного резонанса в полностью диэлектрических метаповерхностях. .

Метаматериалы — это искусственные композитные электромагнитные структуры, состоящие из субволновых блоков, которые могут осуществлять эффективное и гибкое управление электромагнитными волнами. Метаматериалы — новая область исследований в оптоэлектронике, физике, химии и материалах благодаря их новым физическим свойствам и потенциальным применениям.

С развитием производства наноструктур полностью диэлектрические метаповерхности привлекли большое внимание исследователей из-за их высокой эффективности и низких потерь.Однако метаповерхности на основе традиционных оптических материалов (таких как кремний) могут поддерживать только резонансы с относительно низкой добротностью, что ограничивает их применение в лазерной генерации, зондировании и нелинейной оптике. Недавно появившаяся концепция связанных состояний в континууме (BIC) предоставляет новое решение для преодоления этой проблемы. Концепция BIC была впервые введена в квантовой механике. Он представляет собой волновое явление мод, энергия которых лежит в делокализованных состояниях внутри континуума. Метаповерхности, поддерживающие BIC, могут достигать управляемого резонанса с высокой добротностью, что может расширить их применимость к устройствам, требующим четких спектральных характеристик.

Авторы данной статьи предлагают метаповерхность Si на основе блоков с нарушенной симметрией, позволяющую достичь высокодобротного резонанса. Наночастицы, изготовленные из обычных материалов, могут поддерживать только относительно низкий коэффициент качества. Концепция BIC предлагает новое решение этой проблемы. Эта концепция впервые появляется в квантовой механике, где настоящий BIC — это математическая абстракция с бесконечным Q-фактором. В этой работе нарушение симметрии вводится в симметричную периодическую структуру, и идеальные БИК переходят в режим утечки с высокой добротностью.В то же время добротность резонанса можно регулировать, варьируя размер вносимых дефектов. Кроме того, изменив проектное предложение, можно также отрегулировать соотношение между коэффициентом добротности и размером дефекта. Таким образом может быть легко реализован высокодобротный резонанс, и нелинейно-оптический эффект структуры может быть явно усилен в резонансе.

Исследование, представленное в этой статье, открывает путь к манипулированию BIC и реализации высокодобротных динамических резонансов, что представляет собой значительный шаг в развитии высокодобротных резонансных фотонных приложений.инновационные и передовые оптические технологии.

---

Взгляд на оптические резонансы Фано в новом свете

---

Доп. Информация: Циж Фанг и др., Резонансы High- Q , управляемые квазисвязанными состояниями в континууме в полностью диэлектрических метаповерхностях, Opto-Electronic Advances (2021).DOI: 10.29026 / oea.2021.200030

Предоставлено Compuscript Ltd

Ссылка : Генерация и применение высокодобротного резонанса в полностью диэлектрических метаповерхностях (2021, 23 июля) получено 9 ноября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2021-07-application-high-q -резонанс-все-диэлектрики-metasurfaces.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

обеспечивает беспроводную передачу энергии к мобильным объектам с высокой эффективностью — также может использоваться для вращающихся частей, таких как рука робота | TDK Developing Technologies | Техническая библиотека

Как одна из технологий «Привлечение завтрашнего дня», TDK работает над разработкой технологии беспроводной передачи энергии.Подобно тому, как технология беспроводной связи и технология ИКТ вызвали революцию в области электросвязи, распространение беспроводной передачи энергии также приведет к радикальным инновациям в промышленности и социальной инфраструктуре, а также в образе жизни.

Беспроводная передача энергии (WPT) посредством передачи беспроводной / бесконтактной энергии не только используется для зарядки аккумуляторов в мобильных устройствах, таких как смартфоны, и в электромобилях, но также все чаще используется в полевых условиях. промышленного применения.В дополнение к типу беспроводной передачи энергии с электромагнитной индукцией, соответствующей стандартам Qi и PMA, TDK также была одной из первых компаний, работающих над технической разработкой метода магнитного резонанса, который в последнее время привлекает внимание.

В этой статье представлена ​​технология беспроводной передачи энергии с использованием одной из технологий магнитного резонанса, которые были недавно разработаны TDK для различных промышленных приложений, включая роботов. TDK собрал три силовые платформы мощностью 1 кВт, 200 Вт и 50 Вт, которые позволяют гибкую конструкцию системы для удовлетворения требований приложений, таких как передача мощности на движущиеся части транспортных средств с автоматическим управлением (AGV) и лифтов, передача мощности на вращающиеся части, такие как роботизированное оружие и камеры наблюдения и т. д.Беспроводная передача энергии для промышленных приложений: устраняет необходимость в кабелях питания, обеспечивает безопасную и надежную автоматическую зарядку, улучшает рабочую среду, повышает эффективность производства, потенциально снижает затраты, а также позволяет передавать мощность в суровых условиях, недоступных для людей.

Достоинства технологии беспроводной передачи энергии от TDK для промышленного оборудования

• Беспроводная система передачи энергии, использующая магнитный резонанс для гибкости в выравнивании, близости, ориентации и размере между двумя катушками.
• Миниатюризация и высокая эффективность были достигнуты с использованием самых современных технологий магнитных диэлектрических материалов.
• Встроенные резонансные конденсаторы для согласованной резонансной настройки.
• Оптимизированные решения для энергосистем на платформах мощностью 1 кВт, 200 Вт и 50 Вт.

Преимущества использования технологий беспроводной передачи энергии

• В дополнение к системам мощностью 1 кВт и 200 Вт для грузовых автомобилей, лифтов и мобильных роботов, системы мощностью 50 Вт идеально подходят для вращающихся манипуляторов роботов и камер наблюдения.
• Повышенное удобство / сокращение затрат на обслуживание: частая замена батареи не требуется, а автоматическая зарядка сокращает объем технического обслуживания.
• Повышенная надежность: отсутствие открытых соединений устраняет такие дефекты, как деградация, загрязнение и износ электродов. Поскольку нет соединительных электродов, конструктивная конструкция для защиты от пыли и гидроизоляции становится легкой. Кроме того, беспроводная передача энергии возможна как через стекло, так и под водой.
• Повышенная безопасность: теперь зарядка возможна на автозаправочных станциях и площадках бурения нефтяных скважин, где до сих пор не разрешалось использование розеток. Благодаря отсутствию прямых электрических контактов беспроводная передача энергии устраняет опасения возгорания.

Предпосылки: Различные технологии беспроводной передачи энергии

Идея беспроводной передачи энергии существует уже давно. Никола Тесла и другие пионеры проводили эксперименты по беспроводной передаче энергии с использованием электромагнитных волн еще в 1880-х годах.В таблице 1 показаны некоторые типичные системы беспроводной передачи энергии.

Таблица 1 Типичные системы беспроводной передачи энергии

Принцип / метод			Передача дистанция
Безызлучательный тип Эффективность ○ Расстояние ×	Муфта электрического поля	Резонанс электрического поля	До нескольких см
	Магнитная муфта	Электромагнитная индукция	До нескольких см	Применяется во многих областях с 1990-х годов.TDK активно использует эту технологию.
		Магнитный резонанс	До нескольких 10 см	Этот метод, зародившийся благодаря исследовательским работам, представленным в Массачусетском технологическом институте в 2006 г., находился в разработке с начала 90-х годов и сейчас развивается во всем мире. TDK глубоко вовлечен в эту технологию (представленную в этой статье).
Тип излучения КПД × Расстояние ○	Микроволновая печь		До нескольких метров
	Лазер		До нескольких метров

1) Другие технологии БПЭ включают технологии на основе радиочастот и ультразвука.2) Расстояния передачи основаны на примерах общих систем.

Беспроводную передачу энергии можно в общих чертах классифицировать на излучающий тип, при котором энергия передается с помощью радиоволн (микроволнового излучения) или лазера, и на безызлучательный тип, при котором энергия передается с использованием электрического поля или магнитного поля. Излучательный тип имеет то преимущество, что он может передаваться на большие расстояния, но потери энергии из-за условий окружающей среды и т. Д. Велики, и поэтому передача не столь эффективна.По сравнению с этим, безызлучательный тип в основном предназначен для максимального уменьшения потерь энергии и, следовательно, дает лучшую эффективность передачи, чем излучательный тип, но его слабость заключается в том, что расстояние передачи ограничено.

Существует два типа безызлучательных беспроводных систем передачи энергии, а именно, тип связи по магнитному полю и тип связи по электрическому полю. Из них метод электромагнитной индукции беспроводной передачи энергии с магнитным полем широко используется с 1990-х годов для зарядки батарей беспроводных телефонов, электробритв, электрических зубных щеток и т. Д.Уже реализованы электрические автобусы, которые работают с использованием метода электромагнитной индукции для беспроводной зарядки своих аккумуляторов. Кроме того, коммерчески доступны различные типы зарядных устройств и зарядных стоек, в которых используется метод электромагнитной индукции (например, стандарты Qi и PMA) для зарядки аккумуляторов мобильных устройств, таких как смартфоны.

В отношении метода магнитного резонанса большой интерес вызвал исследовательские работы, представленные в 2006 и 2007 годах в Массачусетском технологическом институте (Массачусетский технологический институт).Благодаря такому повышенному вниманию начались экспериментальные испытания концепции, которые в настоящее время приводят к разработке продуктов во всем мире. TDK — один из первых, кто применяет технологии электромагнитной индукции и магнитного резонанса.

От метода электромагнитной индукции к методу магнитного резонанса

Принцип / метод			Дальность передачи
Безызлучательный тип Эффективность ○ Расстояние ×	Магнитная муфта	Электромагнитная индукция	До нескольких см	Состоит из блока усилителя, катушки передачи энергии, катушки приема энергии, блока приема энергии и т. Д. Низкая стоимость Эффективность передачи резко падает, когда расстояние между катушкой передачи энергии и катушкой приема энергии увеличивается Особое внимание уделяется коэффициенту связи системы
		Магнитный резонанс	До нескольких 10 см	Конденсатор вставлен в сторону передачи энергии, а также сторону приема энергии, чтобы сформировать LC-резонансный контур. Мощность передается путем согласования резонансной частоты стороны передачи энергии и стороны приема энергии Минимальное падение эффективности передачи из-за расстояния Упор на катушки Фактор качества (Q)

Различия между методом электромагнитной индукции и методом магнитного резонанса объясняются на основе принципа трансформатора, используемого в импульсном источнике питания (Рисунок 1).Трансформатор представляет собой устройство со структурой, в которой первичная обмотка и вторичная обмотка намотаны вокруг магнитопровода. Первичная обмотка и вторичная обмотка электрически изолированы, но изменение магнитного потока, создаваемое током, протекающим через первичную обмотку (ток возбуждения), передается во вторичную обмотку через магнитный сердечник, и электродвижущая сила создается из-за электромагнитной индукции. эффект, заставляющий ток течь во вторичную обмотку (индуцированный ток).

Метод электромагнитной индукции

Метод электромагнитной индукции беспроводной передачи энергии использует систему, которая состоит из блока усилителя, катушки передачи энергии, катушки приема энергии и блока приема энергии. Блок катушки передачи энергии и блок катушки приема энергии подобны конструкции, в которой сердечник трансформатора разделен для создания пустого пространства или «воздушного зазора». Электромагнитный метод беспроводной передачи энергии имеет то достоинство, что он может быть реализован с низкими затратами, поскольку система проста, но по мере увеличения расстояния между катушкой, передающей энергию, и катушкой приема энергии, эффективность передачи резко падает из-за уменьшения магнитной связи.По мере увеличения расстояния между катушками часть магнитного потока становится потоком рассеяния, который затем ослабляет магнитную связь между катушками.

Рисунок 1 Базовый принцип трансформаторной и беспроводной системы передачи энергии с использованием метода связи магнитного поля

Магнитно-резонансный метод

Магнитно-резонансный метод беспроводной передачи энергии — это метод, который появился для преодоления проблемы падения эффективности из-за расстояния между катушкой, передающей энергию, и катушкой приема энергии.Магнитный резонанс — это особый случай магнитной индуктивности.
Степень магнитной связи между стороной передачи энергии и стороной приема энергии выражается величиной, известной как коэффициент связи. Если индуктивность катушки передачи энергии и катушки приема энергии равна L1 и L2 соответственно, а взаимная индуктивность равна M, коэффициент (или коэффициент) связи k выражается следующей формулой.

Коэффициент связи представляет собой значение в диапазоне 0 k ≦ 1, и в идеале он равен 1 (= 100% эффективность передачи) при отсутствии потока утечки.Но по мере увеличения расстояния между катушками и увеличения расстояния между центрами катушек поток утечки увеличивается, в результате чего коэффициент связи падает.
В методе магнитного резонанса конденсатор вставляется на стороне передачи энергии, а также на стороне приема энергии, чтобы сформировать LC (индуктор и конденсатор) резонансный контур, и мощность передается путем согласования резонансной частоты с обеих сторон. Его достоинство в том, что высокая эффективность передачи может быть получена даже при низком коэффициенте связи, обычно 0.5 (рисунок 2).

Рисунок 2 Основной принцип магнитно-резонансного метода беспроводной передачи энергии

Магнитно-резонансный метод, при котором эффективность переноса нелегко падает из-за расстояния

Зависимость расстояния между катушкой, передающей энергию, и катушкой приема энергии, и эффективностью передачи, как для метода электромагнитной индукции, так и для метода магнитного резонанса, показаны на рисунке 3. Это сравнительный пример двух катушек 40 x 40 см. которые обращены друг к другу, и их относительное положение затем изменяется. По мере того, как расстояние между катушками (по оси Z) постепенно увеличивается, в методе электромагнитной индукции эффективность передачи падает примерно до 40% на расстоянии примерно в половину диаметра катушки, но в методе магнитного резонанса передача КПД поддерживается на уровне 90% и более.
И, если расстояние между катушками поддерживается равным 10 см и выравнивание между ними изменяется (по оси X), , когда расстояние несовпадения между центром катушек составляет 20 см, эффективность передачи падает до 40% в метод электромагнитной индукции, но в методе магнитного резонанса эффективность передачи сохраняется на уровне 90%.

Рисунок 3 Сравнение расстояния между катушками и эффективности передачи в методе электромагнитной индукции и методе магнитного резонанса

Как метод электромагнитной индукции, так и метод магнитного резонанса представляют собой системы беспроводной передачи энергии, в которых используется магнитная связь, и передача энергии с использованием высокочастотного источника питания для передачи изменения высокочастотного магнитного поля от катушки передачи энергии к приемнику энергии. катушка.Несмотря на то, что это изменение высокочастотного магнитного поля, это не электромагнитная волна. Изменения магнитного поля высвобождаются в виде электромагнитных волн в дальней области поля, которая представляет собой расстояние 1 / 2π (примерно 1/6) от источника, в то время как оно ведет себя как магнитное поле в ближней области поля, которая ближе к источник, а его интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния. Вот почему расстояние передачи энергии в методе электромагнитной индукции невелико.

Благодаря нововведениям в схеме в методе магнитного резонанса, даже когда расстояние между катушками составляет половину диаметра катушки или более, мощность может передаваться с высокой эффективностью. И, , поскольку метод магнитного резонанса поддерживает передачу в широком диапазоне мощности, от уровней ниже 1 Вт до высокого уровня мощности более 10 кВт, есть большие ожидания, что он станет одним из основных методов беспроводной передачи энергии в промышленных приложениях. .

Технические проблемы с методом магнитного резонанса

Максимальная эффективность передачи в методе магнитного резонанса выражается как функция произведения коэффициента связи (k) и коэффициента качества (Q) катушки (произведение kQ). Даже если коэффициент связи низкий, высокая эффективность передачи может быть получена за счет увеличения добротности катушек. Это его наибольшее отличие от метода магнитной индукции. Но, , необходимо преодолеть несколько проблем, чтобы реализовать метод магнитного резонанса беспроводной передачи энергии.

Q-значение катушки выражается как Q = 2πfL / R (где f — резонансная частота, L — индуктивность катушки, а R — составляющая сопротивления катушки переменному току). По этой формуле, если индуктивность увеличивается за счет увеличения диаметра катушки или увеличения числа витков катушки, теоретически Q будет увеличиваться. Однако, поскольку в этом случае также увеличивается составляющая сопротивления, необходимо оптимизировать форму и размер катушек во время проектирования катушек, чтобы сбалансировать обе.

Еще одно требование — он должен поддерживать изменения резонансной частоты . В методе магнитного резонанса максимальная эффективность передачи может быть получена, когда катушка передачи энергии и катушка приема энергии расположены на оптимальном расстоянии друг от друга. В отличие от метода электромагнитной индукции, уменьшение этого расстояния может привести к падению эффективности передачи вместо увеличения. Это связано с тем, что при отклонении от оптимального расстояния взаимная индуктивность M изменяется, вызывая изменение коэффициента связи и резонансной частоты.Кроме того, паразитная емкость от объектов вокруг катушек также влияет на резонансную частоту, что приводит к ненастроенной, неоптимизированной системе.

Следовательно, в методе магнитного резонанса обычно требуется специальная схема для автоматического отслеживания и настройки схемы для достижения максимальной эффективности, что делает систему более сложной, чем метод электромагнитной индукции. Существуют различные методы компенсации этих колебаний резонансной частоты, но это наиболее важный технический аспект в методе магнитного резонанса, наряду с технологией конструкции катушки.

Портфолио разработок беспроводных систем передачи энергии для промышленного оборудования от TDK

TDK фокусируется на беспроводной передаче энергии для трех основных рынков, а именно, ИКТ, автомобилестроения, промышленного оборудования и энергетики, и активно продолжает разработку систем беспроводной передачи энергии для мобильных устройств и электромобилей, а также промышленного оборудования, такого как автоматическое оборудование. управляемые транспортные средства, логистические роботы, мобильные роботы и т. д. Ниже представлен портфель разработок беспроводных систем передачи энергии от TDK.

Рисунок 4 Портфолио разработок беспроводных систем передачи энергии от TDK

Установка систем беспроводной передачи энергии в промышленном оборудовании имеет следующие достоинства.

• ● Повышенное удобство: замена аккумулятора не требуется, а автоматическая зарядка снижает трудозатраты.
• ● Повышенная безопасность и надежность: поскольку нет соединительных электродов, устранены такие дефекты, как деградация и износ электродов.Беспроводная передача энергии возможна как через стекло, так и под водой.
• ● Разнообразие конструкции: поскольку нет соединительных электродов, конструктивное проектирование для защиты от пыли и гидроизоляции становится простым.

TDK недавно разработал 3 платформы для беспроводной системы передачи энергии для промышленного оборудования, использующей метод магнитного резонанса, с выходной мощностью 1 кВт, 200 Вт и 50 Вт соответственно. Конфигурация системы и достоинства каждого из них описаны ниже.

Система мощностью 1 кВт, оптимальная для транспортных средств с автоматическим управлением и логистических систем

Примеры применения	Решения
Автомобиль с автоматическим управлением (AGV)	Сокращение трудозатрат и времени на замену, а также стоимости замены аккумуляторной батареи Последовательная зарядка с использованием короткого времени остановки при загрузке груза Расстояние переноса 20-40 мм, допуск ± 30 мм

На автоматизированных производственных линиях и складах для транспортировки товаров широко используются автомобили с автоматическим управлением (AGV) с компьютерным управлением.Существуют различные типы, такие как тележка и подъемный тип, но, поскольку все они работают от батареи, необходима частая замена (или зарядка) батареи.

Автомобиль с автоматическим управлением, несущий нагрузку 100 кг, может непрерывно эксплуатироваться в течение 8 часов. Помимо трудозатрат и времени, необходимых для замены батарей, также необходимо нести расходы на организацию замены батарей. Кроме того, ручная замена батареи в чистой комнате может отрицательно сказаться на ее чистоте.

Решением этих проблем является использование беспроводной передачи энергии с автоматической зарядкой, что также дает дополнительные преимущества в виде экономии труда и времени. А за счет последовательной зарядки, когда AGV неподвижен для загрузки или разгрузки груза, можно установить аккумулятор с относительно небольшой емкостью, что приведет к значительному снижению стоимости.

Базовая конфигурация системы мощностью 1 кВт от TDK для транспортных средств с автоматическим управлением и логистических роботов показана на рисунке 5. Система передачи мощности состоит из блока усилителя и блока катушки Tx, а система приема энергии состоит из блока катушки Rx и блока питания. приемный блок.Расстояние передачи между катушкой Tx и катушкой Rx, которые обращены друг к другу, составляет 20-40 мм с допуском ± 30 мм, в результате чего может быть достигнута высокоэффективная беспроводная передача энергии. Особенностью системы приема энергии является то, что она чрезвычайно компактна и идеально подходит для небольших транспортных средств с автоматическим управлением.

Рисунок 5 Базовая конфигурация беспроводной системы передачи мощности (1 кВт) для промышленного оборудования от TDK

Система мощностью 200 Вт, оптимальная для мобильных роботов

Примеры применения	Решения
Промышленные роботы	Устранение напольной разводки (и повреждения кабеля) Увеличение дистанции движения Расстояние передачи энергии 10-30 мм, допуск ± 10 мм, КПД системы 88%

Система мощностью 200 Вт была разработана для таких приложений, как промышленный робот, который работает во время движения.Для этого типа промышленных роботов проложенный на полу силовой кабель портит рабочую среду, а также приводит к дополнительной проблеме повреждения кабеля. Кроме того, использование силовых кабелей также ограничивает расстояние перемещения.

Система TDK мощностью 200 Вт объединяет усилитель и катушку в компактный блок, и, следовательно, ее можно использовать в различных мобильных роботах, как колесных, так и гусеничных. Система TDK 200 Вт обеспечивает расстояние передачи мощности 10–30 мм с допуском ± 10 мм и КПД системы 88%.(Рисунок 6).

Рисунок 6 Базовая конфигурация системы беспроводной передачи энергии (200Вт) для промышленного оборудования от TDK

Мобильные роботы с беспроводной передачей энергии подходят для инспекции и мониторинга объектов, а также для работы в суровых условиях. Конкурс роботов, известный как «ARGOS CHALLENGE», проводился Французским национальным исследовательским агентством (ANR) с 2014 по 2017 год. Целью этого конкурса было поощрение разработки автономных роботов, которые будут способствовать разведке нефти и газа и другой добыче. деятельность в суровых климатических условиях, таких как холодные полярные регионы или бесплодные пустыни.Было отобрано пять команд со всего мира, одной из которых был робот, известный как Team Air-K из Японии, который использовал систему беспроводной передачи энергии 200 Вт от TDK (рис. 7).

Рис. 7 Беспроводная система передачи энергии от TDK, используемая в роботе «ARGOS CHALLENGE»
(фото любезно предоставлено Mobile Robot Research Co. LTD.)

Система мощностью 50 Вт для вращающихся деталей, таких как рука робота

Примеры применения	Решения
Рука робота Камера наблюдения Различные вращающиеся части	Исключает перекручивание и отсоединение кабеля Без ограничений по углу поворота Нет деградации и износа контактов Не производит вихревых токов, даже когда находится рядом с металлами, и не приводит к снижению эффективности, так как не выделяется тепло Блок змеевика интегрирован, чтобы сделать его простым и компактным

Система 50 Вт — это беспроводная система передачи энергии, разработанная для приложений, имеющих вращающиеся части, такие как манипулятор робота и камера наблюдения .
Как показано на рис. 8, при подключении с использованием кабеля питания существует риск перекручивания кабеля или его запутывания с валом, что может привести к разъединению. Также были ограничения по углу поворота. Эти проблемы могут быть решены с помощью контактного кольца, но это приводит к проблеме деградации и износа контактов щетки, используемой для передачи энергии на коллекторное кольцо вращающейся части.

Рисунок 8 Проблемы с обычным типом системы передачи энергии к вращающейся части

Одним из решений этих проблем является беспроводная передача энергии на вращающуюся часть, но традиционный метод (рис. 8 справа) приводит к другим проблемам.Поскольку мощность передается с использованием высокочастотного магнитного поля, если вал металлический, возникает вихревой ток и выделяется тепло, что приводит к снижению эффективности. Система беспроводной передачи энергии TDK 50 Вт для вращающихся частей была разработана для решения множества таких проблем (рис. 9).

Рисунок 9 Беспроводная система передачи энергии 50 Вт для вращающихся частей от TDK

Его внутренняя структура показана на рисунке 10. Конструкция состоит из блока катушек, передающих энергию, который размещен в цилиндрическом корпусе, и он заключен в цилиндрический корпус большего размера, в котором находится блок катушек приема энергии.Катушка передачи энергии и катушка приема энергии размещены на внутренней стенке соответствующих корпусов. Следовательно, беспроводная передача мощности возможна к вращающимся частям без обертывания кабеля вокруг них, и, как следствие, нет ограничений на угол поворота.

Кроме того, ферритовые листы устанавливаются на внутренней стороне корпуса стороны передачи энергии, а также снаружи корпуса стороны приема энергии, чтобы сдерживать магнитный поток катушки. Магнитный поток, генерируемый катушками, не выходит наружу, потому что он циркулирует в замкнутой магнитной цепи внутри ферритового листа.Следовательно, даже если вал металлический или поблизости есть металлические предметы, они не вызывают таких проблем, как выделение тепла или снижение эффективности из-за вихревых токов. Кроме того, конструкция печатной платы проста и компактна (внешний диаметр 75 мм, высота 45 мм), поскольку она встроена в катушку. Таким образом, это оптимальная система беспроводной передачи энергии для вращающихся частей, таких как рука робота и камера наблюдения.

Рисунок 10 Внутренняя структура беспроводной системы передачи мощности 50 Вт для вращающейся части

Собственная разработка TDK

технологий беспроводной передачи энергии

Использование запатентованного феррита с низкими потерями в сердечнике

В обоих методах беспроводной передачи энергии с использованием электромагнитной индукции и магнитного резонанса эффективность передачи в значительной степени зависит от характеристик материала, используемого в сердечнике катушки передачи энергии и катушки приема энергии.Это связано с тем, что часть магнитного потока, создаваемого катушками, приводит к потерям в сердечнике, которые выделяются в виде тепла. Основные технологии TDK основаны на ферритовой технологии, которая также широко используется в системах беспроводной передачи энергии.

Как показано на Рисунке 11, ферриты Mn-Zn, которые активно используются в сердечнике трансформатора импульсного источника питания, обычно имеют долинные потери в сердечнике — температурные характеристики. Для потребительских приложений выбираются ферритовые материалы, которые лучше всего подходят для довольно ограниченного диапазона.Однако в случае роботов и промышленного оборудования необходимо учитывать их использование в суровых условиях окружающей среды, таких как низкие температуры и палящая жара. Ферритовый материал Mn-Zn PC95 был выбран как идеальный выбор среди нескольких запатентованных материалов TDK. Этот материал также используется в сердечнике трансформатора DC-DC преобразователей в электромобилях и HEV.
PC95 был произведен как чрезвычайно однородный и высокоплотный спеченный материал благодаря оптимальному дизайну материалов и строгому контролю температуры спекания и окружающей среды.Это феррит, который имеет чрезвычайно плоские характеристики с низкими потерями в сердечнике в широком диапазоне температур. Это не только делает систему беспроводной передачи энергии для промышленного оборудования более компактной, но и способствует снижению энергопотребления.

Рисунок 11 Потери в сердечнике — температурные характеристики ферритового материала Mn-Zn PC95 (@ 100 кГц, 200 мТл)

Разработка оптимальных конденсаторов для использования в качестве резонансных конденсаторов

В магнитно-резонансном методе беспроводной передачи энергии резонансный конденсатор также играет важную роль вместе с катушками.Обычно пленочные конденсаторы используются в качестве резонансных конденсаторов. Это связано с тем, что пленочные конденсаторы имеют хороший баланс характеристик выдерживаемого напряжения и относительно высокой емкости, а также выгодны с точки зрения цены. Существуют разные типы пленочных конденсаторов, основанные на различиях в диэлектрических материалах, но для резонанса особенно подходит тип с диэлектрическим материалом PP (полипропилен), поскольку он имеет низкий tanδ (касательная дельта: коэффициент диэлектрического рассеяния). , а также может выдерживать большие токи (таблица 2).

Tanδ — это показатель рабочих характеристик конденсатора, а обратная величина — добротность конденсатора (коэффициент качества). Разность фаз тока напряжения, приложенного к конденсаторам, обычно составляет 90 °, но из-за диэлектрических потерь и в зависимости от компонентов индуктора в электродах запаздывание может составлять более 90 °. Угол δ этого запаздывания известен как угол потерь, а когда он выражается с помощью тригонометрической функции tan, он известен как tanδ. Чем меньше это значение, тем меньше потери (выделяемое тепло), что является показателем качества конденсатора.Достоинством ПП является то, что tanδ для PP на одну цифру ниже, чем tanδ для ПЭТ (полиэтилентерефталата), который составляет 0,3–1%, и он также стабилен по отношению к изменению температуры.

Таблица 2 Сравнение пленочных конденсаторов по диэлектрическому материалу

Диэлектрический материал		Тепло сопротивление	Емкость температура характеристика	tanδ	АС пробой напряжение	Миниатюризация	Цена
ПЭТ	Полиэтилен терефталат	○	△	△	△	◎	◎
PP	Полипропилен	△	○	◎	◎	△	○
ППС	Полифенилен сульфид	◎	◎	○	△	○	△
РУЧКА	Полиэтилен нафталат	◎	△	△	○	◎	○

◎: Отлично ○: Хорошо △: Скорее плохо

Чем ниже значение tanδ (коэффициент диэлектрического рассеяния), тем меньше потери (тепловыделение), что означает, что конденсатор отличный.
Достоинством ПП является то, что tanδ для PP является точкой ниже, чем tanδ для ПЭТ, который составляет от 0,3 до 1%, и он также стабилен с точки зрения изменения температуры.

Динамика температурных характеристик tanδ

С точки зрения миниатюризации, MLCC (многослойные керамические конденсаторы микросхемы) также являются возможным выбором в качестве резонансных конденсаторов . MLCC делятся на две основные категории в зависимости от типа используемого диэлектрического материала, а именно на тип 1 (тип температурной компенсации) и тип 2 (тип с высокой диэлектрической проницаемостью).Поскольку скорость изменения емкости и потерь на гистерезис из-за температуры для MLCC типа 1 мала, а также они имеют отличные частотные характеристики, они используются в схемах, требующих высокой точности, таких как резонансные схемы, схемы температурной компенсации и т. Д.

Однако в последние годы были разработаны даже MLCC типа 1 с характеристиками, приближающимися к характеристикам пленочных конденсаторов, и растет потребность в их использовании для замены пленочных конденсаторов в автомобильных устройствах и промышленном оборудовании.Из них MLCC с температурными характеристиками C0G особенно подходят для использования в качестве резонансных конденсаторов из-за их чрезвычайно строгих стандартов в диапазоне температур от -55 до + 125 ° C, где температурный коэффициент = 0 ppm / ° C и допуск = ± 30 частей на миллион / ° C. Они также поддерживают установку полимерных электродов и металлических клемм (под названием MEGACAP), которые обладают отличным сопротивлением кривизне платы.

Базовые технологии и продукты, поддерживающие беспроводную передачу энергии для промышленного оборудования

Различные базовые технологии, основанные на технологиях материалов, технологических процессах, технологиях оценки и моделирования, которые разрабатывались TDK на протяжении многих лет, были максимально использованы в системах беспроводной передачи энергии .Различные электронные компоненты и устройства TDK широко используются в системах беспроводной передачи энергии. Помимо ферритов и конденсаторов, к ним относятся защитные элементы, такие как варисторы и термисторы, а также датчики тока, литий-полимерные ионные батареи и т. Д. (Рисунок 12).

Рисунок 12 Основные технологии и различные продукты, поддерживающие системы беспроводной передачи энергии TDK

Сводка

Ожидается, что внедрение систем беспроводной передачи энергии приведет к повышению удобства, безопасности и надежности, а также к экономии труда и снижению затрат за счет автоматической зарядки, даже в области промышленного оборудования, такого как транспортные средства с автоматическим управлением и роботы.В TDK мы недавно разработали 3 платформы (на 1 кВт, 200 Вт и 50 Вт для вращающихся частей), которые можно использовать для создания современных систем беспроводной передачи энергии для различных приложений.

Сильные стороны

TDK проистекают из нашей обширной технической компетенции, которая позволяет нам предлагать различные системы беспроводной передачи энергии, от малых до больших объемов мощности, для любого применения, а также оптимальные электронные компоненты и устройства, которые следует использовать.В TDK мы продолжаем прилагать усилия для расширения возможностей метода магнитного резонанса для беспроводной передачи энергии. Если у вас есть проекты, в которых могут быть использованы технологии и продукты TDK, представленные в этой статье, свяжитесь с нами.

Для справок и запросов документов

Мы оперативно ответим на ваш запрос.

Мы оперативно ответим на любые вопросы и пожелания.
Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам, используя контактную информацию, указанную ниже.

Накопление энергии при механическом резонансе и ее использование в системах привода ударных машин

Основным элементом резонансного пресса (рис. 6) является резонансный блок, установленный на линейной подшипниковой системе, закрепленной на корпусе устройства. Резонансный блок также связан с корпусом комплектом пружин. Колебания основного элемента могут быть вызваны инерционными силами, вызванными вращающейся массой или действием гидравлического, пневматического или электрического привода.Энергия, накопленная в резонансном блоке, может быть подана на штамповочный инструмент путем активации системы управления муфтой, которая срабатывает при заданной амплитуде колебаний. После выполнения штамповки муфта автоматически отключается, чтобы увеличить амплитуду вибрации до необходимых значений и периодически повторять процесс штамповки. Энергия, подводимая к резонансному блоку, будет использоваться для покрытия потерь, вызванных силами трения. Время, необходимое для восстановления амплитуды колебаний и накопления максимальной энергии, зависит в основном от амплитуды возбуждающей силы и демпфирования системы.

Рис. 6

a Прототип резонансного штамповочного пресса: a 3D-модель: 1 — пробивное устройство, 2 — вращательная масса, 3 — переключатель включения муфты, 4 — спусковые механизмы муфты пробойника, 5 — комплект пружин , 6 — электродвигатель, 7 — редуктор, 8 — корпус, 9 — резонансный блок и 10 — конические шестерни; b фотография машины [20]

Сильное уменьшение амплитуды колебаний резонансного блока может значительно увеличить время, необходимое для восстановления достаточных колебаний, аналогично тому, как в случае крутящего момента маховика в эксцентриковых машинах, уменьшение не должно достигать более чем 10%.

В большинстве ударных машин периодический прием энергии происходит во время рабочих процессов, например операций прессования или пробивки отверстий в листовом металле. В эксцентриковых прессах энергия, необходимая для выполнения процесса штамповки, хранится в маховике. Механический резонанс также можно использовать в других машинах, таких как штамповочные машины, ударные ковочные молотки и сверла.

На рис. 6а показаны трехмерная модель и прототип резонансного пресса. Колебания резонансного блока (9) вызываются вращающейся массой (2).Входная мощность подается электродвигателем (6) через редуктор (7). Процедура штамповки активируется при резонансе блока, когда кинетическая энергия достигает максимальных значений. Пуансон соединен с резонансным блоком через управляемую муфту (3), которая включается только во время процесса штамповки. Включение и выключение сцепления (3) происходит при заданной амплитуде колебаний, управляемой механическими спусковыми механизмами (4).

Динамическая модель резонансного пресса в программе Adams представлена ​​на рис.7. На основе данной модели выбраны основные параметры прототипа резонансного пресса.

Рис. 7

Модель резонансного пресса по Адамсу

Усилие, необходимое для пробивки отверстия диаметром d ₁ в листе стали толщиной t ₁ , можно рассчитать по [20 ]:

$$ F _ {\ text {s}} = A \ tau _ {\ text {u}} = \ pi d_ {1} t_ {1} \ tau _ {\ text {u}} = 9.420 \; {\ text {kN}} $$

(16)

, где A — площадь среза; d ₁ = 10 мм — диаметр пробиваемого отверстия; т ₁ = 1 мм — толщина листового металла; τ _u = 300 МПа — предельное напряжение сдвига.{\ prime} = \ frac {E} {{t_ {1}}} = 22,2 \; {\ text {kN}}. $$

(17)

Значение примерно в 2 раза выше, чем требуется для пробивки отверстия (9420 Н). Важно, чтобы амплитуда колебаний резонансного блока после рабочего цикла не уменьшалась ниже определенного значения, для которого восстановление максимальной амплитуды колебаний занимает более длительный период времени. Аналогичное правило действует и в случае эксцентриковых прессов с маховиком, где коэффициент колебаний скорости маховика должен быть ниже 10% [22].{2}. $$

(18)

Уравнения (18) и (9) показывают, что энергия осциллятора и маховика равна, когда \ (r = A_ {max} \); и маховик, и осциллятор имеют равные массы, а угловые скорости элементов возбуждения одинаковы для обоих случаев. Средняя энергия, подаваемая на осциллятор в условиях установившегося резонанса, равна рассеиваемой энергии и в несколько раз ниже энергии, накопленной в осцилляторе, как показано на рис.8. Энергия, приложенная к маховику, определяется как кинетическая энергия маховика.

Рис. 8

Сравнение энергии: осциллятор по сравнению с маховиком, t ₀ — момент времени с равной энергией [21]

На рисунке 8 представлено сравнение увеличения энергии маховика и осциллятора во времени. Видно, что энергия осциллятора растет быстрее и имеет более высокие значения, чем маховик, до момента времени \ (t_ {0} \).

Анализ рис. 8 также может привести к наблюдению, что средняя энергия, подаваемая на осциллятор, во много раз меньше, чем энергия, запасенная в осцилляторе.

В резонансе силы инерции осциллятора уравновешиваются силами, создаваемыми на пружинах, поэтому электродвигатель используется в основном для компенсации сил трения в подшипниковом узле. В случае маховика процедура штамповки требуется для преодоления технологических сил, сил инерции маховика и трения в подшипниках маховика.

Мощность, подаваемая на прототип резонансного пресса (рис. 6), была сопоставлена ​​с мощностью, подаваемой на обычный эксцентриковый пресс (рис.9) предназначены для аналогичных целей штамповки и рабочих параметров.

Рис. 9

Обычный эксцентриковый пресс [20]

Маховик в приводе эксцентрикового пресса (рис. 9) состоит из электродвигателя и ременной передачи. Механическая энергия, генерируемая электродвигателем, передается на маховик, установленный на эксцентриковом валу, который приводит в движение кривошип, соединенный с комплектом плунжера, установленным на ползуне. {2} = 0.{2} = 22.2 \; {\ text {J}}. \\ \ end {align} $$

Мощность двигателя постоянного тока, используемая в резонансном прессе, была определена как среднеквадратичные значения тока и напряжения, измеренные на клеммах двигателя:

$$ P = U_ {rms} \ cdot I_ {rms} $$

(19)

где U _{действующее значение} — действующее значение напряжения; I _rms — действующее значение тока.

Мощность, подаваемая на двигатель переменного тока, приводящий в действие эксцентриковый пресс, измерялась трехфазным ваттметром.В таблице 2 представлена ​​потребляемая мощность для каждого пресса. Видно, что потребляемая мощность у резонансного пресса в 2,86 раза меньше, чем у эксцентрикового пресса. К этому удивительно высокому результату следует относиться осторожно; Необходимы дополнительные исследования и дополнительные испытания, поскольку двигатель, используемый в эксцентриковом прессе, не был оптимизирован с точки зрения минимального энергопотребления.

Таблица 2 Параметры эксцентрикового и резонансного пресса

Потери энергии в эксцентриковом прессе больше из-за преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение маховика в приводной цепи пуансона.Сравнение потерь мощности в обоих прессах показано на Рис. 10.

Рис. 10

Сравнение потерь энергии: a эксцентриковый пресс и b резонансный пресс

Сравнение показывает, что случай эксцентрикового пресса имеет больше потенциальных мест, где происходят потери энергии. Конструктивная сложность эксцентрикового пресса определенно намного выше, чем у резонансного пресса.

Что такое резонансная зарядка? — Определение от WhatIs.com

Резонансная зарядка — это метод беспроводной зарядки предметов, требующих большого количества энергии, например электромобилей, роботов, пылесосов или портативных компьютеров. Метод работает на небольших расстояниях (3-5 метров).

На протяжении веков ученые знали, что резонанс заставляет объекты отражаться, когда применяется энергия определенной частоты или высоты тона. При резонансной зарядке используются две медные катушки. Одна катушка, подключенная к источнику питания, является передающим блоком. Другая катушка, прикрепленная к заряжаемому устройству, является приемником.Обе катушки настроены на одну и ту же электромагнитную частоту. Когда объекты с одинаковой резонансной частотой расположены близко друг к другу, произведенная энергия может передаваться от одного к другому. Исследователи изучали потенциал «неизлучающих» объектов с помощью того, что они называют «долгоживущим резонансом». Когда между этими объектами активируется электромагнитное поле, произведенная энергия остается фиксированной в этих объектах, а не рассеивается в пространстве.

Рассмотрена идея использования лазеров для беспроводной зарядки объектов.Однако это не очень практично, поскольку лазеры требуют беспрепятственной прямой видимости и также могут быть опасными. Энергия, производимая между объектами с долгоживущими резонансами, практически не влияет на окружающую среду или биологические организмы, что делает этот метод зарядки намного более безопасным.

Вот пример резонансной зарядки, используемой для подачи энергии на аккумулятор электромобиля: гараж и автомобиль будут оборудованы медными катушками. В гараже будет передатчик, а в машине — приемник.Передатчик снабжает комнату нерадиоактивным магнитным полем. Это поле будет регулировать передачу мощности, создавая сильную корреляцию между передающим и принимающим блоками и, как следствие, обеспечивая заряд аккумуляторной батареи автомобиля.

Передача энергии между передающим и принимающим блоками может быть эффективно достигнута независимо от геометрии помещения или от того, размещены ли другие объекты в середине катушек. Другая электроника в непосредственной близости от передающего и принимающего блоков не будет воспринимать передачу энергии, пока они не настроены на одну и ту же электромагнитную частоту.

Resonance также можно использовать для беспроводной зарядки, а не для беспроводной зарядки. Например, портативный компьютер, оборудованный приемным блоком и находящийся в той же комнате, что и передающий блок, может получать автоматическую зарядку в виде постоянного потока энергии и не требовать использования собственной батареи.

Прогресс исследований технологии поверхностного плазмонного резонанса в открытии лекарств

[1] Zhou, M .; Li, Q .; Ван, R.X. Современные экспериментальные методы для характеристики белок-белковых взаимодействий. ChemMedChem. 2016 , 11 , 738-756. [2] Renaud, J.P .; Chung, C.W .; Helena Danielson, U .; Egner, U .; Hennig, M .; Hubbard, R.E .; Нар, Х. Биофизика в открытии лекарств: влияние, проблемы и возможности. Нац. Rev. Drug Discov. 2016 , 15 , 679. [3] Ma, W.N .; Ян, Л .; Он, L.C. Обзор методов обнаружения равновесной константы диссоциации KD взаимодействия лекарственное средство-рецептор. Дж.Pharm. Анальный. 2018 , 8 , 147-152. [4] Фармакопея США. Фармакопейная конвенция США. 2016 , USP39 , 1272-1288. [5] Японская фармакопея. Японское научное общество по регулированию фармацевтических и медицинских устройств. 2016 , JP17 , 2474-2478. [6] Китайская фармакопея. China Medical Science and Technology Press. 2020 , 3429 , 339-340. [7] Макдоннелл, Дж. М. Поверхностный плазмонный резонанс: к пониманию механизмов биологического распознавания молекул. Curr. Opin. Chem. Биол. 2001 , 5 , 572-577. [8] Chavanieu, A .; Пуньер, М. Разработки в области скрининга фрагментов SPR. Эксперт. Opin. Drug Discov. 2016 , 11 , 489-499. [9] Патчинг, С.G. Спектроскопия поверхностного плазмонного резонанса для характеристики взаимодействий мембранный белок-лиганд и ее потенциала для открытия лекарств. Biochim. Биофиз. Acta. 2014 , 1838 , 43-55. [10] Миура, К. Обзор современных методов подтверждения межбелковых взаимодействий. Белковый пепт. Lett. 2018 , 25 , 728-733. [11] Willander, M .; Аль-Хилли, С. Анализ биомолекул с помощью поверхностных плазмонов. Micro Nano Technol. Биоанал. 2009 , 544 , 201-229. [12] Cai, S.D .; Yan, J.H .; Xiong, H.J .; Liu, Y.F .; Peng, D.M .; Лю, З.Б. Исследования границы раздела аптамеров нуклеиновых кислот и мишеней связывания. Анал. 2018 , 143 , 5317-5338. [13] Genick, C.C .; Райт, С. Биофизика: для проверки попаданий HTS, оптимизации химических свинцов и не только. Эксперт. Opin. Drug Discov. 2017 , 12 , 897-907. [14] Pang, Y .; Gou, M .; Ян, К .; Lu, J.L .; Han, Y.L .; Teng, H.M .; Li, C.Z .; Wang, H.N .; Liu, C.G .; Zhang, K.J .; Yang, Y.L .; Ли, К.В. Кристаллическая структура цитоцидного белка миноги и механизм его действия при селективном уничтожении раковых клеток. Cell Commun. Сигнал. 2019 , 17 , 54. [15] Chan, J.F.W .; Yuan, S.F .; Kok, K.H .; To, K.K.W .; Chu, H .; Yang, J .; Xing, F.F .; Liu, J.L .; Yip, C.C.Y .; Пун, R.W.S .; Цой, Х.W .; Lo, S.K.F .; Chan, K.H .; Пун, В.К.М .; Chan, W.M .; Ip, J.D .; Cai, J.P .; Cheng, V.C.C .; Chen, H.L .; Hui, C.K.M .; Юэнь, К. Семейный кластер пневмонии, связанный с новым коронавирусом 2019 года, указывающий на передачу от человека к человеку: исследование семейного кластера. Ланцет. 2020 , 395 , 514-523. [16] Wrapp, D .; Wang, N.S .; Corbett, K.S .; Goldsmith, J.A .; Hsieh, C.L .; Abiona, O .; Graham, B.S .; Маклеллан, Дж. Крио-ЭМ структура спайка 2019-нКоВ в конформации до слияния. BioRxiv. 2020 , DOI: 10.1101 / 2020.02.11.944462. [17] Zhou, P .; Ян, X.L .; Wang, X.G .; Центр.; Zhang, L .; Zhang, W .; Si, H.R .; Zhu, Y .; Li, B .; Huang, C.L .; Chen, H.D .; Chen, J .; Luo, Y .; Guo, H .; Jiang, R.D .; Liu, M.Q .; Chen, Y .; Shen, X.R .; Ван, X .; Чжэн, X.S .; Чжао, К .; Chen, Q.J .; Дэн, Ф .; Liu, L.L .; Ян, Б .; Zhan, F.X .; Wang, Y.Y .; Xiao, G.F .; Ши, З.Л. Вспышка пневмонии, связанная с новым коронавирусом, вероятно, происхождения летучих мышей. Природа. 2020 , 579 , 270. [18] Lan, J .; Ge, J.W .; Yu, J.F .; Shan, S.S .; Чжоу, H .; Fan, S.L .; Zhang, Q .; Ши, X.L .; Wang, Q.S .; Zhang, L.Q .; Ван, X.Q. Структура спайк-связывающего домена SARS-CoV-2, связанного с рецептором ACE2. Природа. 2020 , 581 , 215-220. [19] Choi, Y .; Nam, J .; Whitcomb, D.J .; Песня, Ю.С. Kim, D .; Jeon, S .; Um, J.W .; Lee, S.G .; Ву, Дж .; Kwon, S.K .; Li, Y .; Mah, W.; Kim, H.M .; Ko, J .; Чо, К .; Kim, E. SALM5 транс-синаптически взаимодействует с LAR-RPTPs зависимым от сплайсинга образом, чтобы регулировать развитие синапсов. Sci. Респ. 2016 , 6 , 26676. [20] Lin, Z.H .; Liu, J.M .; Ding, H.D .; Сюй, Ф .; Лю, Х.Л. Структурные основы SALM5-индуцированной димеризации PTPδ для синаптической дифференцировки. Нац. Commun. 2018 , 9 , 268. [21] Jiao, Q.S .; Wang, R.F .; Цзян, Ю.Y .; Лю Б. Исследование взаимодействия активных компонентов традиционной китайской медицины и белков плазмы. Chem. Central J. 2018 , 12 , 1-20. [22] Cao, Y .; Li, Y.H .; Lv, D.Y .; Chen, X.F .; Chen, L.D .; Zhu, Z.Y .; Chai, Y.F .; Чжан, Дж. П. Идентификация лиганда рецептора фактора некроза опухоли из китайских трав с помощью комбинации биосенсора поверхностного плазмонного резонанса и UPLC-MS. Анал. Биоанал. Chem. 2016 , 408 , 5359-5367. [23] Xiao, S.L .; Si, L.L .; Tian, ​​Z.Y .; Jiao, P.X .; Fan, Z.B .; Meng, K .; Чжоу, X.S .; Wang, H .; Xu, R.Y .; Хан, X .; Fu, G .; Zhang, Y.M .; Zhang, L.H .; Чжоу, Д. Пентациклические тритерпены, привитые на ядра CD, чтобы препятствовать проникновению вируса гриппа: впечатляющий поливалентный эффект. Биоматериалы. 2016 , 78 , 74-85. [24] Löfås, S. Оптимизация процесса от попадания к ведущему с помощью анализа SPR. Assay Drug Dev. Technol. 2004 , 2 , 407-415. [25] Gorgulla, C .; Boeszoermenyi, A .; Wang, Z.F .; Фишер, П.Д .; Coote, P.W .; Padmanabha Das, K.M .; Малец Ю.С. Радченко, Д.С .; Мороз Ю.С.; Scott, D.A .; Fackeldey, K .; Hoffmann, M .; Явнюк, И .; Вагнер, Г .; Артанари, Х. Платформа для открытия лекарств с открытым исходным кодом позволяет использовать сверхбольшие виртуальные экраны. Природа. 2020 , 580 , 663. [26] Andersson, K .; Karlsson, R .; Löfås, S .; Франклин, G .; Хямяляйнен, доктор медицины.Данные о кинетическом связывании без этикеток как решающий элемент в открытии лекарств. Эксперт. Opin. Drug Discov. 2006 , 1 , 439-446. [27] Markgren, P.O .; Schaal, W .; Hämäläinen, M .; Карлен, А .; Hallberg, A .; Samuelsson, B .; Дэниэлсон, У. Связь между структурой и кинетикой взаимодействия для ингибиторов протеазы ВИЧ-1. J. Med. Chem. 2002 , 45 , 5430-5439. [28] Zhang, X.S .; Chen, J.H .; Weng, Z.B .; Li, Q.R .; Zhao, L .; Ю, Н .; Deng, L .; Xu, W .; Ян, Й .; Чжу, З.П.; Хуанг, Х. Новое антитело против HER2, которое усиливает противоопухолевую эффективность трастузумаба и пертузумаба с особым механизмом действия. Мол. Иммунол. 2020 , 119 , 48-58. [29] Ditto, N.T .; Брукс, Б. Растущая роль биннинга и картирования эпитопов на основе биосенсоров в открытии лекарств на основе антител. Эксперт. Opin. Drug Discov. 2016 , 11 , 925-937. [30] Jung, S.K .; Лук-порей.ЧАС.; Jeon, J.W .; Lee, J.W .; Kwon, B.O .; Kim, Y.J .; Bae, J.S .; Kim, D.I .; Lee, S.Y .; Чанг, С.Дж. Физико-химическая характеристика Ремсима. мАб. 2014 , 6 , 1163-1177. [31] Chen, L.X .; Wang, L .; Shion, H .; Yu, C.F .; Yu, Y.Q .; Zhu, L .; Li, M .; Chen, W.B .; Гао, К. Углубленная структурная характеристика Кадсила® (адотрастузумаб эмтанзин) и его биоподобного кандидата. мАб. 2016 , 8 , 1210-1223. [32] Данхо, В.; Swistok, J .; Хан, В .; Чу, X.J .; Cheung, A .; Фрай, Д .; Sun, H .; Курилко, Г .; Руменник, Л .; Cefalu, J .; Cefalu, G .; Нанн, П. Возможности и проблемы разработки пептидных препаратов в фармацевтической промышленности. Adv. Exp. Med. Биол. 2009 , 611 , 467-469. [33] Diao, L .; Мейбом, Б. Фармакокинетика и фармакокинетико-фармакодинамические корреляции терапевтических пептидов. Clin. Фармакокинет. 2013 , 52 , 855-868. [34] Pan, H.C .; Xie, Y.N .; Лу, W.Y .; Chen, Y .; Lu, Z .; Zhen, J .; Wang, W.W .; Шан, А. Разработка улучшенного аналога GLP-1 на основе тромбина с длительным снижением уровня глюкозы и эффективным снижением веса. RSC Adv. 2019 , 9 , 30707-30714. [35] Yang, G.R .; Zhao, X.L .; Jin, F .; Shi, L.H .; Ян, Дж. Фармакокинетика и фармакодинамика агониста рецептора GLP, конъюгированного с полиэтиленгликолем (ПЭГ), один раз в неделю у китайских пациентов с диабетом 2 типа. J. Clin. Pharmacol. 2015 , 55 , 152-158. [36] Kroenke, M.A .; Weeraratne, D.K .; Deng, H.J .; Sloey, B .; Subramanian, R .; Wu, B .; Серенко, М .; Хок, М. Клиническая иммуногенность этелкальцетида, терапевтического пептида d-аминокислоты: проблемы разработки метода и оценка клинического воздействия антител к лекарственным средствам. J. Immunol. Методы. 2017 , 445 , 37-44. [37] Shibata, H .; Нисимура, К.; Miyama, C .; Тада, М .; Сузуки, Т .; Saito, Y .; Ishii-Watabe, A. Сравнение различных методов иммуноанализа для обнаружения человеческих антител к лекарственным средствам с использованием эталонной панели ВОЗ по антителам к эритропоэтину для аналитов. J. Immunol. Методы. 2018 , 452 , 73-77. [38] Gassner, C .; Lipsmeier, F .; Metzger, P .; Beck, H .; Schnueriger, A .; Регула, J.T .; Moelleken, J. Разработка и проверка нового принципа анализа биспецифических молекул на основе SPR. J. Pharm. Биомед. Анальный. 2015 , 102 , 144-149. [39] Ma, G.Z .; Syu, G.D .; Шань, X.N .; Henson, B .; Wang, S.P .; Desai, P.J .; Zhu, H .; Тао, Нью-Джерси.Измерение кинетики связывания лиганда с мембранными белками с помощью вирионных нано-осцилляторов. J. Am. Chem. Soc. 2018 , 140 , 11495-11501. [40] Zhao, S .; Ян, М .; Zhou, W.F .; Zhang, B.C .; Cheng, Z.Q .; Huang, J.X .; Чжан, М .; Wang, Z.Y .; Wang, R .; Чен, З.L .; Zhu, J.S .; Ли, Х. Кинетическое и высокопроизводительное профилирование эпигенетических взаимодействий с помощью технологии визуализации поверхностного плазмонного резонанса на основе 3D-карбеновых чипов. Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 2017 , 114 , E7245-E7254.

Как резонанс влияет на экранирование EMI ​​/ RFI?

Электронные устройства и управляющие ими платы становятся все меньше и быстрее. Высокоскоростные приложения работают на увеличивающихся частотах в радио- и микроволновом диапазонах электромагнитного (ЭМ) спектра.В результате получается качественная бытовая и промышленная электроника, но задача разработчиков заключается в том, чтобы контролировать выбросы электромагнитного излучения и их влияние на производительность.

Защита цепей с экранированием EMI / RFI

ЭМ-излучение может влиять на сигналы от тех же или других устройств при перемещении между цепями или устройствами, нарушая сигналы или делая отправленные или полученные данные неполными или неверными. Эти помехи влияют на производительность и работу цепей и, в свою очередь, на такие компоненты, как датчики, приемники сигналов и передатчики в транспортных средствах, бытовых приборах, медицинских устройствах и т. Д.

Металлические экраны могут управлять помехами, отражая или поглощая электромагнитные волны. Экраны используются для создания физического барьера между цепью и ее соседями. Большинство из них монтируются на плате, то есть прикрепляются непосредственно к печатной плате (PCB). Они могут быть простыми пятисторонними прямоугольными коробками или могут содержать дополнительные внутренние перегородки для разделения критически важных компонентов.

Резонанс полости

Одна вещь, которая может повлиять на эффективность экранирования (SE), — это объемный резонанс.Это явление происходит, когда длины волн окружающих электромагнитных частот (от других устройств или цепей) соответствуют размерам экрана.

При проектировании экрана важно знать минимальную частоту, при которой экран (т.е. полость) резонирует. Вообще говоря, когда размеры экрана приближаются к 1/2 длины волны заданной частоты, полость будет резонировать. Эта формула используется для расчета самой низкой частоты (в МГц), на которой прямоугольный экран будет резонировать:

см. Уравнение 2 на этой странице: https: // www.edn.com/shields-are-your-friend-except-when

Чтобы избежать этого эффекта, разработчикам необходимо знать наибольшую длину волны в диапазоне резонансных частот и соответственно планировать размеры экрана.

Резонанс полости и эффективность экранирования

Когда волна с минимальной резонансной частотой или выше входит в полость, как объясняет Эрик Богатин, «каждый раз, когда волна отражается от переднего конца [полости], новые отражения совпадают со старыми волнами и добавляются к ним.Чистая волна будет нарастать до все большей и большей амплитуды, ограниченной утечкой энергии в полость и потерями сигнала во время нахождения в полости ».

Резонанс создает сильное магнитное поле внутри экрана, которое может вызвать утечку излучения через любые отверстия (например, отверстия или зазоры). Это может мешать работе других цепей и создавать или увеличивать утечки электромагнитного излучения. Резонанс также может создавать вторичный путь связи между цепями. Общий результат — это больше «шума» внутри устройства, который может повлиять на передачу или прием данных между цепями и потенциально вызвать сбой или сбой устройств.

Фактором, который может усилить эффект резонанса полости, является добротность или «добротность» экрана. Высокая добротность замедляет потерю энергии в экране и дольше заставляет его вибрировать (то есть резонировать). Добротность можно снизить, добавив поглотитель внутри металлического экрана. Эти материалы, включая пенопласт и листы эластомера, обладают эффектом демпфирования резонанса полости, ускоряя потерю энергии и замедляя вибрации. Размер и расположение поглотителя внутри экрана уникальны для каждого приложения.

Уменьшение размеров экранирующей коробки или добавление перегородок для дальнейшего разделения цепей — еще один способ уменьшить объемный резонанс; однако «уменьшение размеров экранирующей коробки не является неограниченным вариантом… поскольку экранный интерфейс на печатной плате занимает область печатной платы, где он должен быть припаян. Таким образом, добавление все большего количества стен, чтобы сделать секции экрана все меньше и меньше, в конечном итоге приводит к большой печатной плате, на которой все пространство занимает экранирующие дорожки без места для схем », — говорит автор Стив Хагеман.

Все это указывает на важность индивидуального металлического экранирования в зависимости от приложения и окружающей среды — спроектируйте экран для своего приложения, чтобы наилучшим образом сбалансировать скорость, производительность и контроль выбросов. В CEP Technologies мы сотрудничаем с вами, чтобы получить оптимальные компоненты, каждый раз прогрессивно штампованные в соответствии со спецификациями.