การสั่นพ้องเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ทางกายภาพที่พบบ่อยที่สุดในธรรมชาติ ปรากฏการณ์ของการสั่นพ้องสามารถสังเกตได้ในระบบเครื่องกล ไฟฟ้า และแม้กระทั่งความร้อน หากปราศจากเสียงสะท้อน เราจะไม่มีวิทยุ โทรทัศน์ เพลง และแม้แต่ชิงช้าในสนามเด็กเล่น ไม่ต้องพูดถึงระบบการวินิจฉัยที่มีประสิทธิภาพสูงสุดที่ใช้ในการแพทย์แผนปัจจุบัน การสั่นพ้องประเภทหนึ่งที่น่าสนใจและมีประโยชน์มากที่สุดในวงจรไฟฟ้าคือเรโซแนนซ์แรงดันไฟฟ้า
องค์ประกอบของวงจรเรโซแนนซ์
ปรากฏการณ์การสั่นพ้องสามารถเกิดขึ้นได้ในวงจร RLC ที่เรียกว่าซึ่งมีส่วนประกอบดังต่อไปนี้:
- R - ตัวต้านทาน อุปกรณ์เหล่านี้ที่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบที่เรียกว่าวงจรไฟฟ้า แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อน กล่าวอีกนัยหนึ่ง พวกมันเอาพลังงานออกจากวงจรและแปลงเป็นความร้อน
- L - ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเหนี่ยวนำในวงจรไฟฟ้า - อะนาล็อกของมวลหรือความเฉื่อยในระบบเครื่องกล ส่วนประกอบนี้จะไม่สังเกตเห็นได้ชัดเจนในวงจรไฟฟ้าจนกว่าคุณจะพยายามทำการเปลี่ยนแปลงบางอย่าง ในกลศาสตร์ การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นการเปลี่ยนแปลงความเร็ว ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ถ้ามันเกิดขึ้นด้วยเหตุผลใดก็ตาม การเหนี่ยวนำจะต้านการเปลี่ยนแปลงนี้ในโหมดวงจร
- C คือการกำหนดสำหรับตัวเก็บประจุ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่เก็บพลังงานไฟฟ้าในลักษณะเดียวกับที่สปริงเก็บพลังงานกล ตัวเหนี่ยวนำรวบรวมและเก็บพลังงานแม่เหล็ก ในขณะที่ตัวเก็บประจุจะรวมประจุและด้วยเหตุนี้จึงเก็บพลังงานไฟฟ้า
แนวคิดของวงจรเรโซแนนซ์
องค์ประกอบหลักของวงจรเรโซแนนซ์คือความเหนี่ยวนำ (L) และความจุ (C) ตัวต้านทานมีแนวโน้มที่จะรองรับการสั่น ดังนั้นจึงเอาพลังงานออกจากวงจร เมื่อพิจารณากระบวนการที่เกิดขึ้นในวงจรออสซิลเลเตอร์ เราจะเพิกเฉยชั่วคราว แต่ต้องจำไว้ว่า เช่นเดียวกับแรงเสียดทานในระบบเครื่องกล ความต้านทานไฟฟ้าในวงจรไม่สามารถขจัดออกไปได้
เรโซแนนซ์แรงดันและกระแสเรโซแนนซ์
วงจรเรโซแนนท์สามารถเป็นอนุกรมและขนานกันได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบหลักที่เชื่อมต่อกัน เมื่อต่อวงจรออสซิลเลเตอร์แบบอนุกรมกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟที่มีความถี่ของสัญญาณสอดคล้องกับความถี่ธรรมชาติ ภายใต้เงื่อนไขบางประการ แรงดันไฟเรโซแนนซ์จะเกิดขึ้น เรโซแนนซ์ในวงจรไฟฟ้าที่ต่อแบบขนานองค์ประกอบปฏิกิริยาเรียกว่าเสียงสะท้อนในปัจจุบัน
ความถี่ธรรมชาติของวงจรเรโซแนนซ์
เราสามารถทำให้ระบบสั่นที่ความถี่ธรรมชาติของมันได้ ในการทำเช่นนี้ ก่อนอื่นคุณต้องชาร์จตัวเก็บประจุดังแสดงในรูปด้านบนทางด้านซ้าย เมื่อเสร็จแล้ว คีย์จะถูกย้ายไปยังตำแหน่งที่แสดงในรูปเดียวกันทางด้านขวา
ณ เวลา "0" พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดจะถูกเก็บไว้ในตัวเก็บประจุ และกระแสไฟฟ้าในวงจรเป็นศูนย์ (ดังรูปด้านล่าง) โปรดทราบว่าแผ่นด้านบนของตัวเก็บประจุมีประจุบวกในขณะที่แผ่นด้านล่างมีประจุลบ เรามองไม่เห็นการสั่นของอิเล็กตรอนในวงจร แต่เราสามารถวัดกระแสด้วยแอมมิเตอร์ และใช้ออสซิลโลสโคปเพื่อติดตามธรรมชาติของกระแสกับเวลา โปรดทราบว่า T บนกราฟของเราคือเวลาที่ต้องใช้ในการสั่นหนึ่งครั้ง ซึ่งในทางวิศวกรรมไฟฟ้าเรียกว่า "ระยะเวลาการแกว่ง"
กระแสน้ำไหลตามเข็มนาฬิกา (ภาพด้านล่าง) พลังงานถูกถ่ายโอนจากตัวเก็บประจุไปยังตัวเหนี่ยวนำ เมื่อมองแวบแรก อาจดูแปลกที่การเหนี่ยวนำประกอบด้วยพลังงาน แต่สิ่งนี้คล้ายกับพลังงานจลน์ที่มีอยู่ในมวลเคลื่อนที่
การไหลของพลังงานกลับสู่ตัวเก็บประจุ แต่โปรดทราบว่าตอนนี้ขั้วของตัวเก็บประจุกลับด้านแล้ว กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ตอนนี้แผ่นด้านล่างมีประจุบวก และแผ่นบนมีประจุลบ (รูปที่ด้านล่าง).
ตอนนี้ระบบถูกย้อนกลับโดยสมบูรณ์และพลังงานเริ่มไหลจากตัวเก็บประจุกลับเข้าสู่ตัวเหนี่ยวนำ (รูปด้านล่าง) เป็นผลให้พลังงานกลับสู่จุดเริ่มต้นอย่างสมบูรณ์และพร้อมที่จะเริ่มวงจรอีกครั้ง
ความถี่การแกว่งสามารถประมาณได้ดังนี้:
F=1/2π(LC)0, 5,
ที่ไหน: F - ความถี่ L - ตัวเหนี่ยวนำ C - ความจุ
กระบวนการที่พิจารณาในตัวอย่างนี้สะท้อนถึงแก่นแท้ทางกายภาพของการสะท้อนความเครียด
การศึกษาการสะท้อนความเครียด
ในวงจร LC จริง จะมีความต้านทานอยู่เล็กน้อย ซึ่งจะช่วยลดการเพิ่มขึ้นของแอมพลิจูดปัจจุบันในแต่ละรอบ หลังจากผ่านไปหลายรอบ กระแสจะลดลงเป็นศูนย์ ผลกระทบนี้เรียกว่า "การลดสัญญาณไซน์" อัตราที่กระแสลดลงเป็นศูนย์ขึ้นอยู่กับปริมาณความต้านทานในวงจร อย่างไรก็ตาม ความต้านทานจะไม่เปลี่ยนความถี่การสั่นของวงจรเรโซแนนซ์ ถ้าความต้านทานสูงพอ วงจรจะไม่มีการแกว่งของไซน์เลย
แน่นอนว่าเมื่อมีความถี่การสั่นตามธรรมชาติ ก็มีความเป็นไปได้ที่กระบวนการเรโซแนนซ์จะกระตุ้น เราทำได้โดยการรวมแหล่งจ่ายไฟกระแสสลับ (AC) เป็นอนุกรมดังแสดงในรูปด้านซ้าย คำว่า "ตัวแปร" หมายความว่าแรงดันเอาต์พุตของแหล่งกำเนิดผันผวนด้วยค่าความถี่. หากความถี่ของแหล่งจ่ายไฟตรงกับความถี่ธรรมชาติของวงจร จะเกิดการสั่นพ้องของแรงดันไฟฟ้า
เงื่อนไขการเกิดเหตุ
ตอนนี้เราจะพิจารณาเงื่อนไขสำหรับการสะท้อนของความเครียด ดังที่แสดงในภาพสุดท้าย เราได้คืนตัวต้านทานไปที่ลูปแล้ว ในกรณีที่ไม่มีตัวต้านทานในวงจร กระแสในวงจรเรโซแนนซ์จะเพิ่มขึ้นเป็นค่าสูงสุดที่กำหนดโดยพารามิเตอร์ขององค์ประกอบวงจรและกำลังของแหล่งพลังงาน การเพิ่มความต้านทานของตัวต้านทานในวงจรเรโซแนนซ์จะเพิ่มแนวโน้มที่กระแสในวงจรจะสลายตัว แต่ไม่ส่งผลต่อความถี่ของการสั่นพ้อง ตามกฎแล้ว โหมดเรโซแนนซ์เรโซแนนซ์จะไม่เกิดขึ้นหากความต้านทานของวงจรเรโซแนนซ์เป็นไปตามเงื่อนไข R=2(L/C)0, 5.
ใช้เรโซแนนซ์เรโซแนนซ์เพื่อส่งสัญญาณวิทยุ
ปรากฏการณ์สะท้อนความเครียดไม่ได้เป็นเพียงปรากฏการณ์ทางกายภาพที่น่าสงสัยเท่านั้น มันมีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สาย - วิทยุ, โทรทัศน์, โทรศัพท์เคลื่อนที่ เครื่องส่งสัญญาณที่ใช้ในการส่งข้อมูลแบบไร้สายจำเป็นต้องมีวงจรที่ออกแบบมาเพื่อให้สะท้อนที่ความถี่เฉพาะสำหรับอุปกรณ์แต่ละตัว เรียกว่าความถี่พาหะ ด้วยเสาอากาศส่งสัญญาณที่เชื่อมต่อกับเครื่องส่งสัญญาณ มันจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่พาหะ
เสาอากาศที่ปลายอีกด้านของเส้นทางของตัวรับส่งสัญญาณรับสัญญาณนี้และป้อนไปยังวงจรรับสัญญาณซึ่งออกแบบมาเพื่อให้สะท้อนที่ความถี่พาหะ เห็นได้ชัดว่าเสาอากาศรับสัญญาณได้หลายแบบที่แตกต่างกันความถี่ ไม่ต้องพูดถึงเสียงพื้นหลัง เนื่องจากมีวงจรเรโซแนนท์อยู่ที่อินพุตของอุปกรณ์รับ ซึ่งปรับเป็นความถี่พาหะของวงจรเรโซแนนซ์ ตัวรับจะเลือกความถี่ที่ถูกต้องเท่านั้น ขจัดความถี่ที่ไม่จำเป็นทั้งหมด
หลังจากตรวจพบสัญญาณวิทยุแบบมอดูเลตแอมพลิจูด (AM) สัญญาณความถี่ต่ำ (LF) ที่ดึงออกมาจากสัญญาณนั้นจะถูกขยายและป้อนไปยังอุปกรณ์สร้างเสียง นี่เป็นรูปแบบการส่งสัญญาณวิทยุที่ง่ายที่สุดและไวต่อสัญญาณรบกวนและการรบกวนมาก
เพื่อปรับปรุงคุณภาพของข้อมูลที่ได้รับ เราได้พัฒนาวิธีการส่งสัญญาณวิทยุขั้นสูงอื่น ๆ และใช้งานได้สำเร็จ ซึ่งอิงตามการใช้ระบบเรโซแนนซ์ที่ปรับจูนแล้วด้วย
การมอดูเลตความถี่หรือวิทยุ FM แก้ปัญหาหลายอย่างของการส่งสัญญาณวิทยุ AM แต่สิ่งนี้ทำให้ระบบส่งสัญญาณยุ่งยากขึ้นอย่างมาก ในวิทยุ FM เสียงของระบบในเส้นทางอิเล็กทรอนิกส์จะถูกแปลงเป็นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความถี่พาหะ อุปกรณ์ที่ทำการแปลงนี้เรียกว่า "โมดูเลเตอร์" และใช้กับเครื่องส่งสัญญาณ
ด้วยเหตุนี้จึงต้องเพิ่มตัวแยกสัญญาณเข้ากับเครื่องรับเพื่อแปลงสัญญาณกลับเป็นรูปแบบที่สามารถเล่นผ่านลำโพงได้
ตัวอย่างเพิ่มเติมของการใช้เรโซแนนซ์เรโซแนนซ์
การสั่นพ้องของแรงดันซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานยังฝังอยู่ในวงจรของตัวกรองจำนวนมากที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมไฟฟ้าเพื่อกำจัดสัญญาณที่เป็นอันตรายและไม่จำเป็นระลอกคลื่นเรียบและสร้างสัญญาณไซน์