Про резонансную частоту, часть 1
Попробуем разобраться с ключевыми параметрами динамиков. Начнем с одного из самых основных параметров — с резонансной частоты(fs). Писал очень долго и муторно, сотни раз переделывал и переписывал, и получилось многабукафф:) Поэтому разбил на две части. Во второй части будет о том, как фс ведет себя при различных оформлениях и резонанс применительно к высокочастотникам.
От вас жду дополнений и исправлений! Попробуем вместе создать действительно хорошие тексты, доступно разъясняющие основы и физику звука. Надеюсь, не только мне хочется от и до во всем разобраться:) Текст не самый легкий, поэтому включаем думалку, и вперед:) Поехали!
Итак, резонансная частота. Разумеется, этот параметр не самодостаточный и для построения сколь угодно качественной системы знания одного его будет мало.
Динамик, как и любая колебательная система, имеет свою резонансную частоту. Это не незыблемая величина, она может довольно сильно меняться в зависимости от разных факторов. Например, температура упала => подвесы задубели – резонанс возрос. Закинули динамик в ЗЯ – резонанс возрос. Накидали на колпак сортирки с ПВА – резонанс упал.
В документации к солидным динамикам всегда указывают эту величину, обозначается она Fs. Представляет собой некое значение частоты в герцах, при которой у динамика в свободном поле наблюдается резонанс. При замере динамик находится не в коробе (в идеале – на солидном удалении от любых отражающих поверхностей), он размят и замер делается при нормальной температуре. Легче всего этот резонанс определить по пику на графике зависимости сопротивления динамика от подаваемой на него частоты. Выглядит этот график примерно так:
Завал начинается как раз на частоте резонанса. А после резонанса играет относительно ровненько до тех пор, пока ему позволяет его конструкция.
Проверил это утверждение на практике. Взял три динамика и снял АЧХ (микрофон в паре см от диффа) и их Т/С параметры. Выглядят динамики так:
The Conversation: неужели сознание – это резонанс?
Почему мое сознание здесь, а ваше – у вас? Почему вселенная разделена на две части для каждого из нас, на субъект и бесконечность объектов? Почему каждый из нас — личный центр опыта, получающий информацию об остальном мире? Почему некоторые существа обладают сознанием, а другие, по-видимому, нет? Крыса обладает сознанием? Комната? Бактерия?
Все эти вопросы являются аспектами древней «проблемы разума и тела», которая, по сути, задается весьма сложным вопросом: какова связь между разумом и материей? И ответа на него нет уже тысячелетия.
За последние два десятка лет эта проблематика пережила серьезный ребрендинг. Теперь её называют «трудной проблемой» сознания после того, как философ Дэвид Чалмерс придумал этот термин в уже ставшей классической статье и более подробно исследовал его в своей книге «Сознание: в поисках фундаментальной теории» 1996 года.
Чалмерс считал, что проблему разума и тела следует считать «трудной», по сравнению с «легким» вопросом нейробиологии: как нейроны и мозг работают на физическом уровне? Конечно, на самом деле этот вопрос также весьма сложен. Но, по мнению Чалмерса, он относительно ничтожен по сравнению с действительно сложной проблемой объяснения того, как сознание связано с материей.
За последнее десятилетие мой коллега из Калифорнийского университета, профессор психологии Санта-Барбары Джонатан Шулер и я разработали то, что мы называем «резонансной теорией сознания». Мы предполагаем, что резонанс – термин для обозначения синхронизированных вибраций — лежит в основе не только человеческого сознания, но и сознания животных и физической реальности в целом. Звучит как выражение хиппи — это все вибрации, чувак! — но погодите ударяться в скепсис.
Вибрации и всё что с ними связано
Все вещи в нашей вселенной постоянно находятся в движении, вибрируют. Даже объекты, которые кажутся неподвижными, на самом деле вибрируют, колеблются, резонируют на разных частотах. Резонанс — тип движения, характеризующийся колебаниями между двумя состояниями. И в конечном итоге вся материя — вибрации различных базовых полей. Таким образом, в любом масштабе вся природа это резонанс, вибрации.
Когда разные вибрирующие вещи собираются вместе, начинается интересное: через некоторое время они часто начинают вибрировать на одной частоте. Они «синхронизируются» иногда так, что это может показаться загадочным. Это описывается как феномен спонтанной самоорганизации.
Математик Стивен Строгатц приводит различные примеры из физики, биологии, химии и нейробиологии, чтобы проиллюстрировать эту «синхронизацию» — его термин для резонанса — в своей книге 2003 года «Синхронизация: как порядок возникает из хаоса во вселенной, природе и повседневной жизни»:
Изучение резонанса приводит к потенциально глубокому пониманию природы сознания и вселенной в целом.
Синхронизация вибраций в вашей голове
Нейробиологи также дали своё определение синхронизации в своих исследованиях. Крупномасштабное срабатывание нейронов происходит в человеческом мозге с измеримыми частотами, и считается, что сознание млекопитающих обычно связано с различными видами нейрональной синхронизации.
Например, немецкий нейрофизиолог Паскаль Фрис исследовал способы синхронизации различных электрических паттернов в мозге для изучения различных типов человеческого сознания.
Фрис фокусировался на гамма, бета и тета-волнах. Эти метки относятся к скорости электрических колебаний в головном мозге, измеряемой электродами, расположенными снаружи черепа. Группы нейронов производят эти колебания, поскольку они используют электрохимические импульсы, чтобы общаться друг с другом. Именно скорость и напряжение этих сигналов при усреднении генерируют волны ЭЭГ, которые можно измерять с сигнатурными циклами в секунду.
Гамма-волны связаны с крупномасштабными скоординированными действиями, такими как восприятие, медитация или сфокусированное сознание; бета — с максимальной активностью мозга или возбуждением; тета — с расслаблением, снами или фантазиями. По словам Фриса, эти три волновых типа работают вместе, чтобы произвести или, по крайней мере, обеспечить работу различных типов человеческого сознания. Но точная связь между электрическими мозговыми волнами и сознанием все еще остается предметом споров.
Фрис называет свою концепцию «общение через связность». Для него всё сводится к нейронной синхронизации. Синхронизация с точки зрения общих скоростей электрических колебаний обеспечивает плавную связь между нейронами и группами нейронов. Без этого вида синхронизированной когерентности входные сигналы поступают в случайные фазы цикла возбудимости нейронов и являются неэффективными или, по меньшей мере, намного менее эффективными при обмене данными.
Резонансная теория сознания
Наша теория резонанса основана на работе Фриса и многих других, с более широким подходом, который может помочь объяснить не только сознание человека и млекопитающих, но и сознание в более широком смысле.
Основываясь на наблюдаемом поведении сущностей, которые нас окружают, от электронов до атомов, молекул, бактерий, мышей, летучих мышей, крыс и т. д., мы предполагаем, что все вещи можно рассматривать как хотя бы немного сознательные. На первый взгляд это звучит странно, но «панпсихизм» — представление о том, что вся материя имеет какое-то связанное сознание — является все более общепринятой позицией в отношении природы сознания.
Панпсихизм утверждает, что сознание не возникло в какой-то момент эволюции. Скорее, оно всегда связано с материей и наоборот — это две стороны одной медали. Но подавляющее большинство сознания, связанного с различными типами материи в нашей вселенной, чрезвычайно элементарно. Например, электрон или атом обладают лишь небольшим его количеством. Но поскольку материя становится более взаимосвязанной и сложной, то, согласно теории, усложняется и сознание.
Биологические организмы могут быстро обмениваться информацией по различным биофизическим путям — как электрическим, так и электрохимическим. Небиологические структуры могут обмениваться информацией только используя тепловые /температурные пути — гораздо медленнее и гораздо менее эффективно. Живые существа используют свои более быстрые информационные потоки по сравнению с тем, что происходит, например, в вещах вроде валунов или груды песка. В биологических структурах намного больше внутренней связи и, следовательно, гораздо больше всего «происходит», чем в валуне или куче песка.
В соответствии с нашим подходом валуны и груды песка являются «простыми агрегатами», просто коллекциями очень элементарных сознательных сущностей на атомном или молекулярном уровне. Это противоречит тому, что происходит в биологических формах жизни, где комбинации этих микросознательных сущностей вместе создают макросознательную сущность более высокого уровня. Для нас этот процесс объединения является отличительной чертой биологической жизни.
Главный тезис нашего подхода заключается в следующем: особые связи, которые обеспечивают крупномасштабное сознание являются результатом общего резонанса между многими меньшими составляющими. Скорость присутствующих резонансных волн является ограничивающим фактором, который определяет размер каждой сознательной сущности в каждый момент.
По мере того, как особый общий резонанс распространяется на все больше и больше составляющих, новая сознательная сущность, которая возникает в результате этого резонанса и комбинации, становится все больше и сложнее. Так, например, общий резонанс в человеческом мозге, который достигает гамма-синхронизации, включает в себя гораздо большее количество нейронов и нейронных связей, чем в случае только бета или тета-ритмов.
Как насчет большего резонанса между организмами, такого как облако светлячков с их маленькими мигающими огнями? Исследователи считают, что их биолюминесцентный резонанс возникает из-за внутренних биологических осцилляторов, которые автоматически приводят к синхронизации каждого светлячка со своими соседями.
Но неужели эта группа светлячков имеет более высокий уровень группового сознания? Вероятно, нет, так как мы можем объяснить это явление, не прибегая к терминам изучения сознания. Но в биологических структурах с правильным видом информационных путей и вычислительной скоростью эти тенденции к самоорганизации могут и часто приводят к появлению более крупных сознательных сущностей.
Наша резонансная теория сознания пытается создать единую структуру, которая учитывает нейробиологию, а также более фундаментальные вопросы нейробиологии и биофизики, природу разума.
Что такое резонанс напряжений?
Резонансные явления наблюдаются в колебательных системах, когда частота собственных колебаний элементов системы совпадает с частотой внешних (вынужденных) колебательных процессов. Данное утверждение справедливо и для цепей с циркулирующим переменным током. В таких электрических цепях при наличии определённых условий возникает резонанс напряжений, что влияет на параметры тока. Явление резонанса в электротехнике может быть полезным или вредным, в зависимости от ситуации, в которой происходит процесс.
Описание явления
Если в некой электрической цепи (см. рис. 1) имеются ёмкостные и индуктивные элементы, которые обладают собственными резонансными частотами, то при совпадении этих частот амплитуда колебаний резко возрастёт. То есть происходит резкий всплеск напряжений на этих элементах. Это может вызвать разрушение элементов электрической цепи.
Рис. 1. Резонанс в электрической цепи
Давайте рассмотрим на этом примере, какие явления будут происходить при подключении генератора переменного тока к контактам схемы. Заметим, что катушки и конденсаторы обладают свойствами, которые можно сравнить с аналогом реактивного резистора. В частности, дроссель в электрической цепи создаёт индуктивное сопротивление. Конденсатор является причиной ёмкостного сопротивления.
Индуктивный элемент вызывает сдвиг фаз, характеризующийся отставанием тока от напряжения на ¼ периода. Под действием конденсатора ток, наоборот, на ¼ периода опережает напряжение.
Другими словами, действие индуктивности противоположно действию на сдвиг фаз ёмкостного сопротивления. То есть катушки индуктивности и ёмкостные элементы по-разному воздействуют на генератор и по-своему корректируют фазовые соотношения между электрическим током и напряжением.
Формула
На рисунке 2 изображены графики зависимости полного сопротивления цепи и связанной с ним силы тока, от реактивного сопротивления индуктивного элемента. Обратите внимание на то, как падает полное сопротивление при уменьшении реактивной сопротивляемости RL (график б) и как при этом возрастает ток (график в).
Рис. 2. Графики зависимости параметров тока от падения реактивного сопротивления
Электрические цепи, состоящие из последовательно соединённых конденсаторов, пассивный резисторов и катушек индуктивности называют последовательными резонансными (колебательными) контурами (см. рис. 2). Существуют также параллельные контуры, в которых R, L, C элементы подключены параллельно (рис. 3).
Рис. 3. Последовательный колебательный контур 
Рис. 4. Параллельный колебательный контур
В режиме резонанса мощность источника питания будет рассеиваться только на активных сопротивлениях (в том числе на активном сопротивлении катушки). Для резонансных контуров характерны потери только активной мощности, которая израсходуется на поддержание колебательного процесса. Реактивная мощность на L C — элементах при этом не расходуется. Ток в резонансном режиме принимает максимальное значение:
Величину Q принято называть термином «Добротность контура». Данный параметр показывает, во сколько раз напряжение, возникшее на контактах реактивных элементов, превышает входное напряжение U электрической сети. Для описания соотношения выходного и входного напряжений часто применяют коэффициент K. При резонансе:
Формулировка
На основании вышеописанных явлений, сформулируем определение резонансного напряжения: «Если общее падение напряжения на ёмкостно-индуктивных элементах равно нулю, а амплитуда тока – максимальна, то такое особое состояние системы называется резонансом напряжений». Для лучшего понимания явления, немного перефразируем определение: резонансом напряжений является состояние, когда напряжение на CL — цепочке больше чем на входе электрической цепи.
Описанное явление довольно распространено в электротехнике. Иногда с ним борются, а иногда специально создают условия для образования резонанса. Основными характеристиками всякого резонансного контура являются параметры добротности и частоты [ 1 ].
Если ω = ω0 – возникает резонанс напряжений. Частоты совпадают в том случае, когда индуктивное сопротивление сравняется с ёмкостным сопротивлением конденсатора. В таких случаях в цепи будет действовать только активное сопротивление R. Наличие реактивных элементов в схеме приводит к увеличению полного сопротивления цепи (Z):
где R – общее активное сопротивление.
Учитывая, что по закону Ома U = I/Z, можно утверждать, что общее напряжение в цепи зависит, в том числе, и от слагаемых индуктивного и ёмкостного сопротивлений.
Если бы в рассматриваемой схеме (рис. 1) отсутствовало активное сопротивление R, то значение полного сопротивления Z стремилось бы к 0. Следовательно, напряжение на реактивных элементах при этом возрастает до критического уровня.
Поскольку XL и Xc зависят от частоты входного напряжения, то для возникновения резонанса следует подобрать соответствующую частоту сети, или изменять параметры катушки, либо конденсатора до тех пор, пока резонансные частоты не совпадут. Любое нарушение условий резонанса немедленно приводит к выходу системы из резонансного режима с последующим падением напряжения.
Условия наступления
Резонансные явления наступают только при наличии следующих условий:
При резонансе в контуре напряжения на его элементах могут повышаться на порядок и больше.
Примеры применения на практике
Классическим примером применения резонанса колебательных контуров является настройка радиоприёмника на частоту соответствующей радиостанции. В качестве рабочего элемента настроечного узла используется конденсатор с регулируемой ёмкостью. Вращение ручки настройки изменяет ёмкость конденсатора, а значит и резонансную частоту контура.
В момент совпадения резонансной частоты с рабочей частотой какой-либо радиостанции возникает резонанс напряжений, в результате которого резко возрастает амплитуда колебаний принятой радиоприёмником частоты. Специальные фильтры отделяют эти колебания от несущих радиочастот, а усилители усиливают полученные сигналы. В динамике появляются звуки, генерируемые передатчиком радиостанции.
Колебательные контуры, построенные на принципе последовательного соединения LC-элементов, применяются в цепях питания высокоомных нагрузок, потребляющих токи повышенного напряжения. Такие же устройства применяют в полосовых фильтрах.
Последовательный резонанс применяют при пониженных напряжениях сети. В этом случае используют реактивную энергию обмоток трансформатора, соединённых последовательно.
Конденсаторы и различные катушки индуктивности (рис. 5) входят в конструкцию практически всех аналоговых устройств. Они используются для настройки фильтров или для управления токами в отдельных узлах.
Катушки индуктивности
Важно знать, что резонансные контуры не увеличивают количество электрической энергии в цепях. Они лишь могут повышать напряжения, иногда до опасных значений. Постоянный ток не причиной резонансных явлений.
Наряду с полезными свойствами резонансных явлений, в практической электротехнике часто возникают ситуации, когда резонанс напряжений приносит вред. В основном это связано с нежелательным повышением параметров тока на участках цепей. Примером могут служить опасное резонансные явления в кабельных линиях без нагрузки, что может привести к пробоям изоляции. Чтобы этого не случилось, на концевых участках таких линий устанавливают балластные нагрузочные элементы.
Явление резонанса: примеры, польза и вред от его воздействия в жизни, методы борьбы с откликом
Определение понятия резонанса (отклика) в физике возлагается на специальных техников, которые обладают графиками статистики, часто сталкивающихся с этим явлением. На сегодняшний день резонанс представляет собой частотно-избирательный отклик, где вибрационная система или резкое возрастание внешней силы вынуждает другую систему осциллировать с большей амплитудой на определенных частотах.
Принцип действия
Это явление наблюдается, когда система способна хранить и легко переносить энергию между двумя или более разными режимами хранения, такими как кинетическая и потенциальная энергия. Однако есть некоторые потери от цикла к циклу, называемые затуханием. Когда затухание незначительно, резонансная частота приблизительно равна собственной частоте системы, которая представляет собой частоту невынужденных колебаний.
Эти явления происходят со всеми типами колебаний или волн: механические, акустические, электромагнитные, ядерные магнитные (ЯМР), электронные спиновые (ЭПР) и резонанс квантовых волновых функций. Такие системы могут использоваться для генерации вибраций определенной частоты (например, музыкальных инструментов).
Термин «резонанс» (от латинской resonantia, «эхо») происходит от поля акустики, особенно наблюдаемого в музыкальных инструментах, например, когда струны начинают вибрировать и воспроизводить звук без прямого воздействия игроком.
Примеры резонанса в жизни
Толчок человека на качелях является распространенным примером этого явления. Загруженные качели, маятник имеют собственную частоту колебаний и резонансную частоту, которая сопротивляется толканию быстрее или медленнее.
Примером является колебание снарядов на детской площадке, которое действует как маятник. Нажатие человека во время качания с естественным интервалом колебания приводит к тому, что качели идут все выше и выше (максимальная амплитуда), в то время как попытки делать качание с более быстрым или медленным темпом создают меньшие дуги. Это связано с тем, что энергия, поглощаемая колебаниями, увеличивается, когда толчки соответствуют естественным колебаниям.
Отклик широко встречается в природе и используется во многих искусственных устройствах. Это механизм, посредством которого генерируются практически все синусоидальные волны и вибрации. Многие звуки, которые мы слышим, например, когда ударяются жесткие предметы из металла, стекла или дерева, вызваны короткими колебаниями в объекте. Легкое и другое коротковолновое электромагнитное излучение создается резонансом в атомном масштабе, таким как электроны в атомах. Другие условия, в которых могут применяться полезные свойства этого явления:
Материальные резонансы в атомном масштабе являются основой нескольких спектроскопических методов, которые используются в физике конденсированных сред, например:
Типы явления
В описании резонанса Г. Галилей как раз обратил внимание на самое существенное — на способность механической колебательной системы (тяжелого маятника) накапливать энергию, которая подводится от внешнего источника с определенной частотой. Проявления резонанса имеют определенные особенности в различных системах и поэтому выделяют разные его типы.
Механический и акустический
Механический резонанс — это тенденция механической системы поглощать больше энергии, когда частота ее колебаний соответствует собственной частоте вибрации системы. Это может привести к сильным колебаниям движения и даже катастрофическому провалу в недостроенных конструкциях, включая мосты, здания, поезда и самолеты. При проектировании объектов инженеры должны обеспечить безопасность, чтобы механические резонансные частоты составных частей не соответствовали колебательным частотам двигателей или других осциллирующих частей во избежание явлений, известных как резонансное бедствие.
Электрический резонанс
Возникает в электрической цепи на определенной резонансной частоте, когда импеданс схемы минимален в последовательной цепи или максимум в параллельном контуре. Резонанс в схемах используется для передачи и приема беспроводной связи, такой как телевидение, сотовая или радиосвязь.
Оптический резонанс
Оптическая полость, также называемая оптическим резонатором, представляет собой особое расположение зеркал, которое образует резонатор стоячей волны для световых волн. Оптические полости являются основным компонентом лазеров, окружающих среду усиления и обеспечивающих обратную связь лазерного излучения. Они также используются в оптических параметрических генераторах и некоторых интерферометрах.
Свет, ограниченный в полости, многократно воспроизводит стоячие волны для определенных резонансных частот. Полученные паттерны стоячей волны называются «режимами». Продольные моды отличаются только частотой, в то время как поперечные различаются для разных частот и имеют разные рисунки интенсивности поперек сечения пучка. Кольцевые резонаторы и шепчущие галереи являются примерами оптических резонаторов, которые не образуют стоячих волн.
Орбитальные колебания
В космической механике возникает орбитальный отклик, когда два орбитальных тела оказывают регулярное, периодическое гравитационное влияние друг на друга. Обычно это происходит из-за того, что их орбитальные периоды связаны отношением двух небольших целых чисел. Орбитальные резонансы значительно усиливают взаимное гравитационное влияние тел. В большинстве случаев это приводит к нестабильному взаимодействию, в котором тела обмениваются импульсом и смещением, пока резонанс больше не существует.
При некоторых обстоятельствах резонансная система может быть устойчивой и самокорректирующей, чтобы тела оставались в резонансе. Примерами является резонанс 1: 2: 4 лун Юпитера Ганимед, Европа и Ио и резонанс 2: 3 между Плутоном и Нептуном. Неустойчивые резонансы с внутренними лунами Сатурна порождают щели в кольцах Сатурна. Частный случай резонанса 1: 1 (между телами с аналогичными орбитальными радиусами) заставляет крупные тела Солнечной системы очищать окрестности вокруг своих орбит, выталкивая почти все остальное вокруг них.
Атомный, частичный и молекулярный
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — это имя, определяемое физическим резонансным явлением, связанным с наблюдением конкретных квантовомеханических магнитных свойств атомного ядра, если присутствует внешнее магнитное поле. Многие научные методы используют ЯМР-феномены для изучения молекулярной физики, кристаллов и некристаллических материалов. ЯМР также обычно используется в современных медицинских методах визуализации, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ).
Польза и вред резонанса
Для того чтобы сделать некий вывод о плюсах и минусах резонанса, необходимо рассмотреть, в каких случаях он может проявляться наиболее активно и заметно для человеческой деятельности.
Положительный эффект
Явление отклика широко используется в науке и технике. Например, работа многих радиотехнических схем и устройств основывается на этом явлении.
Отрицательное воздействие
Однако не всегда явление полезно. Часто можно встретить ссылки на случаи, когда навесные мосты ломались при прохождении по ним солдат «в ногу». При этом ссылаются на проявление резонансного эффекта воздействия резонанса, и борьба с ним приобретает масштабный характер.
Борьба с резонансом
Но несмотря на иногда губительные последствия эффекта отклика с ним вполне можно и нужно бороться. Чтобы избежать нежелательного возникновения этого явления, обычно используют два способа одновременного применения резонанса и борьбы с ним: