webdonsk.ruСтоячая волна своими руками
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 31.08.2024
Итак, в этом посте пойдет речь о стоячих волнах. Стоячие волны — это колебания, возникающие в результате наложения на прямую волну другой отраженной идущей в обратном направлении. Чтобы чуть проще было понять, я скажу, что при столкновении прямой волны и волны отраженной от стены они усиливают друг друга. Если такое столкновение происходит все время в одном и том же месте, то исчезает горизонтальное перемещение волн. Вследствие чего появляются резонансы, возникающие на определенных частотах.
Это выявляет явное усиление каких-либо частот или небольших групп частот. В стандартных комнатных — это очень часто происходит в районе 100 — 200 Гц. В итоге все это дело выражается в виде неприятного гула в районе низких частот. Причем часто можно заметить, что воспринимаемый уровень громкости этих резонансов меняется в зависимости от нашего местонахождения в комнате. Также сама частота резонанса зависит от таких факторов, как объем помещения и расположение громкоговорителей.
Чтобы не загружать вас научно-теоретическими байками, я просто для большей наглядности продемонстрирую вам стоячую волну на простейшей схеме. На рисунке ниже простейшая иллюстрация, которая демонстрирует действие стоячей волны.
Здесь изображен громкоговоритель (1) и из него исходит волна (2). Предположим, что эта волна является определенной частотой (не важна какая), которая ударяется о стену (3). Соответственно волна отражается от нее в том же самом направлении (4) в каком столкнулась с ней. За счет этого волны (2) (4) усиливаются и частота (5), как говорят музыканты, начинает торчать. То есть она явно выделяется в сравнении со всеми остальными частотами спектра. Таким образом, нарушается амплитудно-частотная характеристика, которую мы воспринимаем и слышим.
Увы, но стоячие волны — это довольно серьезная проблема, с которой непременно следует бороться. Главным образом, стоячие волны, искажая частотную характеристику, мешают адекватному мониторингу и таким образом не позволяют получить на выходе хороший, сбалансированный и качественный продукт. Я не буду больше вдаваться в теоретические подробности и вплотную рассматривать такую не простую проблему стоячих волн, поэтому просто дам вам один единственный, но очень важный совет о том, как избежать их на данном этапе акустической подготовки домашней студии.
Избегайте любых возможных параллельных поверхностей в студии! Конечно, полностью избежать их вряд ли удастся, но сократить количество до минимума вполне возможно. На этом этапе акустического оформления домашней студии звукозаписи постарайтесь избежать параллельных поверхностей. Например, с помощью соответствующей расстановки мебели. Главное, не бойтесь экспериментировать!
Исследования возможности создания стоячих ультразвуковых волн
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В начале 1930-х годов шведский авиаинженер Хенри Кьельсон наблюдал в Тибете, как монахи возводили храм на скале высотой 400 метров. Камень - диаметром примерно полтора метра - дотягивался яком до небольшой горизонтальной площадки, расположенной на 100 метровом расстоянии от скалы. Потом камень сваливали в яму, соответствующую размерам камня и глубиной 15 сантиметров. В 63 метрах от ямы (инженер точно замерил все расстояния) стояли 19 музыкантов, а за ними 200 монахов, располагавшихся по радиальным линиям - по нескольку человек на каждой. Угол между линиями составлял пять градусов. Камень лежал в центре. У музыкантов было 13 больших барабанов, подвешенных на деревянных перекладинах и обращенных звучащей поверхностью к яме с камнем. Между барабанами в разных местах размещались шесть больших металлических труб, тоже направленных к яме. Около каждой трубы стояло по два музыканта, дующих в нее по очереди. По специальной команде весь этот оркестр принимался громко играть, а хор монахов - петь. И вот, как рассказывал очевидец, через четыре минуты, когда звук достигал своего максимума, валун в яме сам собой начинал раскачиваться и вдруг улетал по параболе прямо на вершину скалы. Таким способом, согласно рассказу Хенри, монахи возносили к строящемуся храму пять-шесть огромных валунов каждый час. Физики, в общем, возможность существования управляемой акустической левитации допускали давно. Мало того, ученые освоили технологию управления ею сначала в одной, а затем и в двух плоскостях. А специалистам из Токийского университета удалось заставить с помощью звуковых волн парить в пространстве небольшие предметы разной формы и массы. Звуковые волны воздействуют на предметы любой формы, исполненные из любых материалов. Единственное ограничение акустической левитации заключается в том, что диаметр объекта не должен превышать половину длины волны звуковых колебаний. Заинтересовавшись подобными явлениями, мы выдвинули рабочую гипотезу о возможности создания в лабораторных условиях установки, позволяющей проводить эксперименты со стоячей ультразвуковой волной. Актуальность этого вопроса заключается в исследовании новой области применения звуковых волн. Объектом исследования, в данном случае, являются свойства стоячей ультразвуковой волны, а предметом исследования способы её создания.
Цель и задачи работы.
Целью работы является – разработка и создание ультразвуковой установки, способной генерировать стоячую ультразвуковую волну и изучение возможностей левитации небольших предметов в этой волне.
Цель работы предполагала решение следующих задач.
Изучение литературных и интернет – источников по вопросам получения ультразвуковых колебаний, свойствам ультразвуковых колебаний, возможностям их применения.
Изучение литературных и интернет – источников объясняющих принцип создания стоячей ультразвуковой волны и её свойства.
Разработка и создание мощного ультразвукового генератора с системой излучателей для проведения дальнейших исследований свойств, стоячей ультразвуковой волны.
Экспериментальные исследования по возможности левитации небольших предметов в ультразвуковой волне.
Обобщение экспериментальных данных, полученных при проведении исследований по возможности ультразвуковой левитации.
Звуковая волна и её свойства.
где, Т – период колебаний, промежуток времени, за который совершается одно полное колебание. Чем больше период, тем меньше частота, и наоборот. Единица измерения частоты в международной системе измерений СИ – герц (Гц). 1 Гц – это одно колебание в секунду. Длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими точками гармонической волны, находящимися в одинаковой фазе, например, между двумя областями сжатия либо разряжения. Обозначается как ( ?). За время, равное одному периоду, волна проходит расстояние, равное её длине. Скорость распространения волны:
v = ? / T, так как T = 1/f, то v = ?•f
Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения. Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд и откачал из него воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда. От частоты колебаний зависит высота тона. Чем выше частота, тем выше тон звука. Человеческое ухо способно воспринимать не все звуковые волны, а только лишь те, которые имеют частоту от 16 до 20 000 Гц. Именно эти волны и считаются звуковыми. Волны, частота которых ниже 16 Гц, называют инфразвуковыми, а свыше 20 000 Гц – ультразвуковыми (Приложение лист II, рис. 3). Человек не воспринимает ни инфразвуковые, ни ультразвуковые волны. Но животные и птицы способны слышать ультразвук. Например, обыкновенная бабочка различает звуки, имеющие частоту от 8 000 до 160 000 Гц. Диапазон, воспринимаемый дельфинами, ещё шире, он колеблется от 40 до 200 тысяч Гц.
Ультразвук это вид упругих механических волн высоких частот, не воспринимаемых человеческим ухом, но встречающийся в природе. Это упругие волны с частотами от 20 кГц до 1 ГГц, их подразделяют на три диапазона: ультразвук низких частот (1,5·104-105 Гц), ультразвук средних частот (1,5·105 – 107) Гц, ультразвук высоких частот (1,5·107 – 109) Гц. Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приема, распространения и применения. Длина волны ультразвука высокой частоты в воздухе составляет (3,4•10-5 - 3,4•10-7 м), что значительно меньше длины волны звуковых волн (Приложение лист II, рис. 4). Из-за малых длин волн ультразвук, как и свет, может распространяться в виде строго направленных пучков большой интенсивности. Ультразвук в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой хорошие проводники ультразвука, затухание в них значительно меньше.
Генерируют ультразвук механическими и электромеханическими устройствами. Ультразвук широко применяется в промышленности, биологии и медицине. С помощью ультразвуковых приборов измеряют размеры изделий (ультразвуковые толщиномеры), определяют уровни жидкостей в емкостях, недоступных для прямого измерения. Преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние в световые, оказывается возможным увидеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде (медицинская ультразвуковая диагностика), кроме того ультразвук применяют в ультразвуковой хирургии, микромассаже тканей, диагностике.
Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн (Приложение лист II - III, рис. 5-6). Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны. Необходимым условием образования стоячих волн является наличие границ, отражающих падающие на них волны. Явления такого рода встречаются довольно часто. Так, каждый тон звучания любого музыкального инструмента возбуждается стоячей волной. Эта волна образуется либо в струне (струнные инструменты), либо в столбе воздуха (духовые инструменты). Отражающими границами в этих случаях являются точки закрепления струны и поверхности внутренних полостей духовых инструментов. Каждая стоячая волна обладает определенными свойствами. Вся область пространства, в которой возбуждена волна, может быть разбита на ячейки таким образом, что на границах ячеек колебания полностью отсутствуют. Точки, расположенные на этих границах, называются узлами стоячей волны. Фазы колебаний во внутренних точках каждой ячейки одинаковы. Колебания в соседних ячейках совершаются навстречу друг другу, то есть в противофазе. В пределах одной ячейки амплитуда колебаний изменяется в пространстве и в каком-то месте достигает максимального значения. Точки, в которых это наблюдается, называются пучностями стоячей волны (Приложение лист III, рис. 7). И ещё, характерным свойством стоячих волн является дискретность спектра их частот. В стоячей волне колебания могут совершаться только со строго определенными частотами, и переход от одной из них к другой происходит скачком. Стоячая волна не переносит энергию. Дважды за период происходит превращение энергии стоячей волны то полностью в потенциальную энергию, сосредоточенную в основном вблизи узлов волны, то полностью в кинетическую энергию, сосредоточенную в основном вблизи пучностей (области повышенного и пониженного давления) волны. В результате происходит переход энергии от каждого узла к соседним пучностям и обратно. Средний по времени поток энергии в любом сечении волны равен нулю. Максимально плотная зона может выступать движущей силой акустической левитации (Приложение лист III, рис. 8).
Генератор ультразвуковой стоячей волны.
Для создания устройства левитации в стоячей звуковой волне необходимы: преобразователь, который создает звуковое давление и рефлектор или отражатель. Обе части оснащаются изогнутым профилем (ультразвуковая линза) для лучшей акустики. Рефлектор распространяет волну продольно, параллельно направлению преобразователя. Когда волна отражается от предмета, ее угол равен углу падения, это второе свойство устройства. Если рефлектор разместить на необходимом расстоянии с преобразователем, образуются именно стоячие волны. Если направление звукового давления будет параллельным гравитационной линии, создастся область уплотнения.
1. Аппаратная часть установки.
Эксперименты по получению стоячей звуковой волны.
В наиболее простой конфигурации акустический левитатор состоит из пары компонентов, излучателя и отражателя. Обычно рефлектор помещают вертикально над излучателем, согласовав расстояние с частотой звука, чтобы порождалась стоячая волна. В нашем случае, применяются два излучателя, смонтированные в акустические линзы (Приложение лист VIII – IX, рис. 20-23). Если звук, отражаемый направленными друг на друга акустическими линзами, оказывается, согласован с сигналами излучателя, то в интерференционной картине могут порождаться стоячие волны. Как и в случае поперечных волн, стоячие звуковые волны имеют узлы, или области минимального давления, и антиузлы, иначе именуемые пучностями, соответствующие областям максимального давления. Именно благодаря узлам стоячей волны и возможен феномен акустической левитации. Распространение звуковых волн в такой установке идет параллельно направлению силе тяжести. И в разных участках стоячей волны силы давления действуют либо постоянно вниз, либо постоянно вверх, либо уравновешивают друг друга в узлах. Эти уравновешивающие силы и зоны давления можно визуально наблюдать с помощью тонкой полоски бумаги. Если её конец помещать в зону действия установки, то в определённых областях он будет отклонятся (вверх или вниз), а в других случаях будет оставаться неподвижным (слегка подрагивая). На основании этого опыта, замеряя расстояния в зоне излучателей, можно построить полную интерференционную картину всей области между излучателями (Приложение лист IX, рис. 24).
Условия создания стоячей ультразвуковой волны. Для создания максимально возможного уровня сигнала, сигнал генератора должен иметь частоту, равную или близкую к резонансной частоте преобразователя (40 кГц). Схема потребляет больше тока, когда генерирует частоту, близкую к резонансной частоте преобразователя. При настройке установки, резонансную частоту можно проверить по потребляемому току (примерно 1 А). Поскольку, в нашей установке , частота генератора заложена в программе, при меньшем потреблении тока необходима корректировка программы.
При работе ультразвуковых излучателя с частотой 40 кГц, длина волны при нормальных условиях составляет 0,87 см. От этого зависит оптимальная регулировка расстояния между излучателями. Это расстояние должно быть кратным половине длины волны. Точную настройку расстояния между излучателями, можно сделать регулировочными гайками, перемещающими верхний излучатель по резьбовым шпилькам. При точной настройке, бумажная полоска в центральной части установки, находится в центральном положении, не отклоняясь в сторону, какого либо излучателя. Акустическая левитация — устойчивое положение весомого объекта в стоячей акустической волне. Это явление известно с 1934 года, когда его теоретически доказал Л. Кингом, позже в 1961 году, выводы о возможности явления сделаны Л.П. Горьковым. Левитация, то есть своеобразная область невесомости, в которую можно поместить материальный объект, появляется в данном случае в связи с чередованием областей высокого и низкого давления. Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, представляют собой потоки молекул. Волны, накладываясь друг на друга, в стоячей акустической волне, за счёт потоков молекул создают разреженные зоны, в которых воздействие гравитации существенно снижается. Именно благодаря этому попадающий в стоячую волну предмет может фактически зависать, то есть терять свой вес. Эти области, можно легко зафиксировать, с помощью той же бумажной полоски. Помещая лёгкие предметы в эти области, мы наблюдаем явление акустической левитации (Приложение лист IX, рис. 22-23). Материал предмета не играет роли. Значение имеет размер – величина предмета должна быть не более величины полуволны. Соответственно предметы, удерживаемые стоячей волной, имеют размеры не более 4 мм. Интересной особенностью нашей модели оказалось наличие не только центральной зоны левитации. В области работы излучателей возникают площадки зон разряжения. Предметы, помещённые на эти площадки, левитируют не только в центральной зоне, но и в боковых зонах (Приложение лист X, рис. 25) . Эта особенность хорошо видна на фотографиях приложения (лист IX, рис. 22-23).
Акустическая левитация является перспективным направлением исследований в практической технологической сфере, так как она почти не зависит от используемых в работе материалов. С другой стороны, пока что не удаётся достигнуть звуковой левитации с предметами существенной массы, вес которых исчисляется килограммами. Для удержания в состоянии невесомости материальных объектов в данном случае требуются сильные звуковые волны. Поэтому акустическая левитация пока что не слишком устойчива - если поместить в стоячую волну достаточно массивный предмет, то для его поддержания потребуются столь мощные звуковые волны, что их интенсивность может просто разрушить объект.
Работа над этой темой позволила.
Выяснить теоретические вопросы по свойствам ультразвуковых волн и принципам получения ультразвуковых колебаний, выяснить особенности звуковых волновых процессов, происходящих в воздушной среде.
Освоить теоретические вопросы построения схемных решений звуковых генераторов и расчёт их частотных характеристик.
Освоить практические методы реализации аппаратной части проекта и основы системного программирования микроконтроллеров.
Проведённые экспериментальные исследования, на созданной установке, доказали возможность получения в лабораторных условиях стоячей ультразвуковой волны, способной осуществлять левитацию небольших предметов.
В ходе экспериментальных исследований, определены области возможной левитации на конкретной лабораторной модели. В ходе проведения экспериментов определены, размерные соотношения левитирующих предметов, в зависимости от длинны волны.
Обобщение экспериментальных данных, полученных при проведении исследований по возможности ультразвуковой левитации в стоячей ультразвуковой волне доказали её полную осуществимость в рамках лабораторного эксперимента.
Список использованной литературы и интернет – источников.
1. Бергман, Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Изд-во иностранная литература, 1967.- 726 с.
2. Клюкин, И. И. Удивительный мир звука. – Л.: Судостроение, 1978.- 168с.
3. Мякишев, Г.Я. Физика. Колебания и волны. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков. - М.: Дрофа, 2010.-288с.
4. Скучик, Е. Основы акустики (пер. с англ. в 2-х томах) - М.: Мир, 1976.
5. Хорбенко, И. Г. Звук. Ультразвук. Инфразвук .- М.: Изд-во Знание, 1986.- 190с.
Рис. 1. Свойства звуковой волны.
Рис. 2. Энергия звуковой волны..
Рис. 3. Диапазоны звуковой волны.
Рис. 4. Специфические особенности ультразвуковой волны.
Рис. 5. Схема образования стоячей ультразвуковой волны.
Рис. 6. Уравнение стоячей звуковой волны.
Рис. 7. Визуализация стоячей звуковой
Рис. 8. Пример акустической волны. левитации.
Рис. 9. Схема ультразвукового генератора.
Рис. 10. Конструкция генератора.
Рис. 11. Настройка генератора в программе Multisim WEWB32.
Рис. 12. Генератор симметричных противофазных импульсов.
Рис. 13. Схема генератора УЗЧ.
Рис. 14. Макетная плата генератора.
byte TP = 0b10101010; //jeder 2. Port bekommt das umgekehrte Signal
DDRC = 0b11111111; //Alle Analogports als Ausgang definieren
// Timer 1 initialisieren
noInterrupts(); // Interrupts deaktivieren
OCR1A = 200; // Compare Match Register setzen (16MHz / 200 = 80kHz Rechteck -> 40kHz Vollwelle )
TCCR1B |= (1 kein prescalling
Старт в науке
Акустическая левитация основана на образовании в воздухе стоячих волн. Авторы создавали их с помощью двух направленных друг против друга ультразвуковых динамиков, излучающих колебания одной частоты. Меняя фазу колебаний, ученые создавали в пространстве между динамиками карманы давления, в которых левитировали капли образцов.
Технология понадобилась авторам для того, чтобы научиться выпаривать растворы биологически активных веществ без использования каких-либо сосудов. Дело в том, что при наличии контакта между жидкостью и стенками сосуда, вещество, находящееся в растворе, имеет тенденцию кристаллизоваться. Это связано с наличием на стенках сосудов неоднородностей, которые выступают в роли центров кристаллизации.
Использование акустической левитации позволяет подавить кристаллизацию и получить сухие вещества в аморфном виде. В такой форме растворимость и биодоступность многих соединений гораздо выше, чем в форме кристаллов. Источник
Квантовый захват:
На первый взгляд, перед нами давным-давно виденные опыты с левитацией предметов, основанные на вытеснении магнитного поля сверхпроводником, то есть на эффекте Мейснера. Но на деле всё сложнее.
Израильтяне создали свои летающие диски из кристаллов сапфира (брались пластинки толщиной 0,5 миллиметра), покрытого слоем сверхпроводящей керамики (оксид иттрия бария меди — YBa2Cu3O7-x) толщиной около 1 микрометра. В сверхпроводящее состояние этот материал переходит при охлаждении ниже минус 185 °C, для чего используется жидкий азот. Весь диск упаковывается в пластик.
Когда этот диск попадает в поле от постоянного магнита, некоторые силовые линии проходят сквозь сверхпроводник – в этих местах возникают потоковые трубки (flux tubes). Внутри каждой такой трубки сверхпроводимость локально разрушается, несмотря на низкую температуру материала.
Формирование потоковых трубок, которые запирают сверхпроводник в том положении относительно магнитов, в котором его оставили (иллюстрация Guy Deutscher, Boaz Almog/ Superconductivity group, Tel Aviv University).
Однако любое движение сверхпроводника относительно силовых линий вызывает и смещение трубок. Чтобы это предотвратить, весь кусок материала остаётся запертым в воздухе – сдвигается вместе с источником удерживающего его поля.
Создавая свои игрушки для музеев и выставок, физики заодно поставили рекорд по подъёму левитирующего тела на основе сверхпроводимости – более четырёх сантиметров (кадр Guy Deutscher, Boaz Almog/ Superconductivity group, Tel Aviv University).
В отличие от простой магнитной подвески (вспомнить хотя бы удивительный Levitron), работающей или на притяжение или на отталкивание в зависимости от полярности магнитов, квантовая левитация безразлична к взаимной ориентации силовых линий от магнита и силы тяжести: как ни крути связку магнит-сверхпроводник, они остаются неразлучными, сохраняют исходное взаимное расположение и заданный зазор.
Изменяем вес объекта вибрацией:
На примерах выше видно, что управляя стоячей волной, мы можем контролировать любой объект и фиксировать его местоположение в пространстве. При достаточной технологии это можно сделать как с шариками воды, так и с целой галактикой. Атомы и молекулы крепятся воедино примерно также, просто волны другой частоты. Все фрактально и все подобно )
При использовании материалов ссылка на первоисточник обязательна. Имейте уважение к чужому труду и своему каналу изобилия
Электрические волны также подвержены поведению, которое мы обычно не связываем с электрическими сигналами. Однако общее отсутствие знакомства с волновой природой электричества не удивительно, потому что во многих схемах эти эффекты незначительны или не существуют. Инженер из цифровой или низкочастотной аналоговой схемотехники может работать в течение многих лет и успешно разрабатывать много схем, не получая глубокого понимания волновых эффектов, которые становятся заметными в высокочастотных схемах.
Как обсуждалось в предыдущей статье, соединение, которое подвержено особому поведению высокочастотного сигнала называется линией передачи. Влияние линии передачи существенно только тогда, когда длина соединения составляет, по меньшей мере, одну четверть длины волны сигнала; таким образом, нам не нужно беспокоиться о свойствах волн, если мы не работаем с высокими частотами или очень длинными соединениями.
Отражение
Отражение, рефракция, дифракция, интерференция – все эти классические волновые поведения применимы к электромагнитному излучению. Но на данный момент мы по-прежнему имеем дело с электрическими сигналами, то есть сигналами, которые еще не были преобразованы антенной в электромагнитное излучение, и, следовательно, нам нужно заняться только двумя из них: отражением и интерференцией.
Волна, движущаяся вдоль струны, испытывает отражение, когда достигает физического барьера
Аналогия с водной волной
Отражения возникают, когда волна сталкивается с неоднородностью. Представьте себе, что буря привела к тому, что большие волны воды распространяются через нормально спокойную гавань. Эти волны в конечном итоге сталкиваются с твердой каменной стеной. Мы интуитивно знаем, что эти волны отразятся от каменной стены и будут распространяться назад в гавань. Тем не менее, мы также интуитивно знаем, что водные волны, разбивающиеся о пляж, редко приводят к значительному отражению энергии, возвращающейся в океан. В чем разница?
Волны переносят энергию. Когда волны воды распространяются через открытую воду, эта энергия просто перемещается. Однако когда волна достигает неоднородности, плавное движение энергии прерывается; в случае пляжа или скальной стены распространение волн уже невозможно. Но что происходит с энергией, передаваемой волной? Она не может исчезнуть; она должна быть либо поглощена, либо отражена. Каменная стена не поглощает энергию волны, поэтому происходит отражение – энергия продолжает распространяться в волновой форме, но в противоположном направлении. Однако пляж позволяет рассеивать энергию волны более постепенным и естественным образом. Пляж поглощает энергию волны, и поэтому происходит минимальное отражение.
От воды к электронам
Электрические схемы также представляют собой неоднородности, которые влияют на распространение волн; в этом контексте критическим параметром является импеданс. Представьте себе электрическую волну, движущуюся по линии передачи; это эквивалентно водной волне в середине океана. Волна и связанная с ней энергия плавно распространяется от источника к нагрузке. В конце концов, электрическая волна достигает своего назначения: антенны, усилителя и т.д.
Неоднородности в электрической схеме
На количество отраженной энергии влияет серьезность рассогласования между импедансами источника и нагрузки. Два наихудших сценария – это разомкнутая цепь и короткое замыкание, соответствующие бесконечному импедансу нагрузки и нулевому импедансу нагрузки соответственно. Эти два случая представляют полную неоднородность; никакая энергия не может быть поглощена, и, следовательно, отражается вся энергия.
Рассогласование импедансов
Важность согласования
Если вы участвовали в радиочастотном проектировании или тестировании, вы знаете, что согласование импеданса является распространенной темой обсуждений. Теперь мы понимаем, что импедансы должны быть согласованы, чтобы предотвратить отражения. Но зачем так сильно беспокоиться об отражениях?
Первая проблема – просто эффективность. Если у нас есть усилитель мощности, подключенный к антенне, мы не хотим, чтобы половина выходной модности отражалась обратно в усилитель. Ведь цель состоит в том, чтобы генерировать электрическую энергию, которая может быть преобразована в электромагнитное излучение. В общем, мы хотим переместить мощность из источника в нагрузку, а это значит, что отражения должны быть минимальны.
Вторая проблема немного более тонкая. Непрерывный сигнал, передаваемый по линии передачи на несогласованный импеданс нагрузки, приведет к непрерывному отраженному сигналу. Эти падающие и отраженные волны проходят друг к другу, идя в противоположных направлениях. Интерференция приводит к появлению стоячей волны, то есть стационарной волновой форме, равной сумме падающей и отраженной волн. Эта стоячая волна на самом деле создает изменения пиковой амплитуды вдоль физической длины кабеля; определенные места имеют более высокую пиковую амплитуду, а в других местах пиковая амплитуда более низкая.
Стоячие волны приводят к напряжениям, которые выше, чем исходное напряжение передаваемого сигнала, и в некоторых случаях этот эффект является достаточно сильным, чтобы нанести физическое повреждение кабелям и компонентам.
Интерференция — физическое явление, в основе которого лежат волновые процессы. Наиболее известно явление интерференции применительно к свету, а так как любой энергии свойственна своя несущая частота, то свойства интерференции могут проявляться и для других видов материи. Например, для жидкостей.
Бегущие волны на поверхности воды (механические) — явление известное, а если организовать встречные бегущие волны с одинаковыми параметрами (когерентные волны), то возможно образование стоячей волны на поверхности воды. Также стоячие волны (СВ) бывают за кормой корабля или ракеты.
Если механические бегущие волны заключить в волновод (трубу), то в волноводе будут распространяться бегущие волны давления, и если организовать встречные когерентные волны давления, то возможно образование стоячих волн давления внутри волновода. А поскольку это также процесс волновой, то и здесь уместно использовать понятие интерференции, на этот раз для волн давления. То есть «стоячая волна в волноводе — это интерференция бегущих волн давления.
Немного определений
Волновод — искусственный или естественный направляющий канал, в котором может распространяться волна. При этом поток энергии, переносимый волной, сосредоточен внутри этого канала.
Бегущей волной называют волну, которая при распространении в среде переносит энергию (в отличие от стоячей волны, которая фиксирует энергию). Это может быть упругая волна в стержне-волноводе, столбе газа или жидкости в волноводе, электромагнитная волна вдоль длинной линии и др.
Узлы — сечения по длине волновода, в которых давление неизменно до и после возникновения СВ и равно давлению покоя.
Пучности — max и min — сечения по длине волновода, в которых величина давления max или min. Чередование значений аналогично синусоиде.
Прежнее определение пучностей и узлов
Интерференция волн — взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Сопровождается чередованием максимумов (пучностей) и минимумов (узлов).
На сегодня нет научной теории этого явления, которая могла бы, в частности, определить факторы, влияющие на КПД процесса. Возможно, по причине отсутствия теории это явление не нашло в настоящее время применения на практике, но если учесть, что гравитация — тоже волны, то эта тема достаточно широка, интересна и способна предложить новую базу для развития технологий.
Далее речь идет о волнах давления. Для получения СВ необходимо внутри волновода в двух разнесенных точках осуществить колебательные движения для генерации встречных бегущих волн давления. При когерентности этих бегущих волн возможно образование неподвижной — СВ давления, в которой амплитуды давления будут распределены по длине волновода ФИКСИРОВАННО и по форме будут совпадать с формой бегущей волны, например синусоиды.
При этом возникают узлы и пучности СВ, т. е. образуются неподвижные амплитуды давления, в том числе макс. и мин. давления, например 30 и 3 атм. Отбор этих давлений можно проводить через отверстия в стенках волновода и использовать для разработки различных технологий, в том числе для движителей надводных судов и подводных лодок (ПЛ) параллельно или вместо гребных винтов. При этом необходимо использовать минимальное давление больше атмосферного для исключения перехода жидкости в пар, что приведет к срыву генерации СВ.
Демонстрация звуковой стоячей волны при помощи трубы Рубенса:
для демонстрации связи между звуковыми волнами и давлением газа воспользуемся трубой Рубенса. На одном из торцов горизонтально расположенной трубы, перфорированной по всей длине, прикреплена мембрана, а ко второму подключен источник горючего газа (например, пропана). В 1904 г. немецкий физик Генрих Рубенс во время эксперимента использовал 4-метровую трубу, в которой насчитывалось 200 отверстий с шагом 2 см.
Устройство трубы Рубенса:
1 — баллон с газом,
2 — клапан,
3 — металлическая труба с отверстиями,
4 — мембрана,
5 — громкоговоритель,
6 — тон-генератор
Предположим, что подводная лодка (ПЛ), у которой в средине корпуса имеется кольцеобразный волновод, и в нем создана стоячая волна с перепадами давления в 3 и 30 атм., находится на глубине в 200 метров, где давление равно 20 атм. Если к сечениям волновода с низким давлением подводить с помощью специального канала забортную воду от носа ПЛ, а от сечений с высоким давлением отводить воду за кормой ПЛ, то это приведет ПЛ в движение.
Возможен реверс потоков. Наиболее высокий перепад давлений можно получить при высоком исходном давлении, например в глубине океана. К примеру, на глубине в 100 м, где давление 10 атм, можно использовать перепад давления в СВ до 20 атм. При глубине в 300 м — рабочий перепад до 60 атм. Также большие рабочие перепады можно получить путем каскадного соединения волноводов, в которых сгенерирована СВ.
Пока нет научной теории этого физического явления, тем не менее практическое использование, а также отработка технологии, возможны для наиболее простых применений — высокой очистке жидкостей или газов от примесей без использования фильтров. Поскольку примеси будут перемещаться из зоны высокого давления в зону с низким давлением, то разделение на чистую и грязную фракции произойдет неизбежно (пример — пузырек воздуха размером в 1 мм поднимается в воде при перепаде 1/10 000 атм. Если в волноводе на 1 м создать перепад в 10 атм, то воздействие на пузырек будет в 100 раз больше). Потребуется только организовать отвод чистой и грязной фракций. Более высокая очистка — при каскадном соединении волноводов.
Цель данной статьи — привлечение внимания к теме для признания ее инновационной, поиск заинтересованных в ее развитии фондов и предприятий для финансирования и организации НИОКР, результаты которых будут полезны и для разработки научной теории явления. В свою очередь, научная теория позволит создать математические модели процессов, которые смогут использоваться для разработки и конструирования более сложного оборудования, такого как насосы, движители надводных и подводных судов и других устройств, а также устройств, использующих немеханические бегущие волны.
Эксперимент В. В. Майера:
вибратор излучателя 1 диаметром 8 мм и длиной 15—20 мм вырезан из ферритового стержня марки М-400 НН, используемого в магнитных антеннах карманных приемников. Вибратор закреплен за ее середину в просверленном в резиновом диске 2 отверстии диаметром 6 мм. Диаметр резинового диска 20–30 мм, а его толщина 2–3 мм. Диск 2 с помощью вырезанной из тонкого текстолита шайбы 3 и четырех болтов с гайками 4 (два из них одновременно являются клеммами, к которым подключены концы обмотки возбуждения) крепится к стойке 7. Подмагничивание вибратора осуществляется стопой из трех-пяти кольцевых керамических магнитов 6, верхний из которых касается нижнего торца вибратора. Обмотка возбуждения 5 излучателя бескаркасная; внутренний диаметр ее равен 9–10 мм. Закреплена она так, чтобы ферритовый вибратор не касался ее. Обмотка возбуждения содержит 15–20 витков провода ПЭЛ 1,0.
Эксперименты, подтверждающие фиксированное распределение давления по длине волновода при возникновении в нем стоячей волны:
1. Эксперимент с трубой Рубенса — для газов.
2.Эксперимент для жидкости В. В. Майера.
Ультразвуковой генератор для эксперимента В. В. Майера:
МИ — обмотка возбуждения магнитострикционного излучателя;
Т — высокочастотный трансформатор, намотан на выполненном из изоляционного материала плоском каркасе длиной 60 мм и сечением окна 4 х 22 мм 2 ;
I — первичная обмотка трансформатора содержит две секции по 100 витков в каждой;
II — вторичная обмотка, намотанная поверх первичной, содержит 20 витков. Обе обмотки выполнены проводом ПЭЛ 1,0.
Внутрь каркаса трансформатора свободно вставляется настроечный плоский ферритовый сердечник (от магнитных антенн) размером 3 х 20 х 100 мм 3 . Перемещением этого сердечника осуществляется регулировка частоты генерируемых прибором колебаний (в пределах от 100 до 190 кгц).
Данные остальных элементов схемы генератора следующие: R1= R2 = 30 ком, С1 = С2 = С3 = 1000 пф, С4 = 0,04 мкф
Если в эксперименте с трубкой Рубенса нулевую линию провести по верхнему краю пламени, то после возникновения СВ заметно, что фиксированное распределение давления принимает форму синусоиды.
Применения СВ
1. Устройства для очистки жидкостей (газов) без использования фильтров.
2. Устройства для распределения добавок в жидкой фазе металлов и пластиков (разработка материалов с новыми свойствами).
3. Насосы без подвижных частей.
4. Реактивная тяга для морских судов на основе СВ.
5. Основная цель — разработка источника энергии на немеханической СВ.
Читайте также: