Резонанс вред и польза: понятное объяснение, примеры, польза и вред

польза и вред от увеличения звуковой мощности в 200 раз / Хабр

В этом году в журнале Американского акустического общества ученые Jiajun Zhao, Likun Zhang и Ying Wu опубликовали статью “Enhancing monochromatic multipole emission by a subwavelength enclosure of degenerate Mie resonances” о своём изобретении, которое увеличивает звуковую мощность волн НЧ диапазона благодаря резонансам. Судя по отчету исследователей, изобретенный ими и изготовленный на 3D принтере пластиковый корпус диаметром 10 см способен увеличить звуковую мощность низкочастотного динамика в 200 раз.

Традиционно для повышения громкости (звукового давления) используют увеличение мощности сигнала, а в случае с низкими частотами и большую площадь излучения. У этих классических способов есть очевидные недостатки — большие габаритные размеры и высокое энергопотребление. В связи с этим повышение звукового давления за счет акустического оформления стало популярной практической проблемой. Разработчиками движет желание максимально увеличить мощность и сохранить небольшой объём. С традиционными АС такого эффекта достигли благодаря фазоинвертору. Теперь пришла очередь портативного аудио. Под катом несколько слов об инновации и вероятных перспективах её развития, а также о ложке дёгтя в бочке радужных перспектив.

Свежий взгляд или хорошо забытое старое

Реализация достаточно смелой идеи продиктована необходимостью. Обилие портативной техники требует решений, в которых акустическое оформление с большим объемом применить невозможно, при этом потребитель хочет “много низа”. Таким образом, решение, предложенное учеными, вероятно будет востребовано для смартфонов, портативных переносных колонок, док-станций.

При этом известно, что разработки такого рода велись с конца 19 столетия (опыты Гельмгольца) до 20-х годов прошлого века, т.е до времени, когда пассивные средства повышения звукового давления могли конкурировать с электроакустическими. Так появилось рупорное акустического оформление.

Об исторической преемственности писали авторы статьи “Emission Enhancement of Sound Emitters using an Acoustic Metamaterial Cavity”, положенной в основу описываемого изобретения. Можно утверждать, что попав в ситуацию, где электрические средства исчерпали ресурс эффективности, разработчики вспомнили о времени, когда рупорное оформление громкоговорителей было лидирующим трендом.

Идея и результат

Идея заключалась в том, чтобы значительно увеличить амплитуду звуковых волн, излучаемых низкочастотным динамиком, при этом отказаться от традиционного повышения мощности усилителя и увеличения размеров излучателя. Дополнительной целью было сохранить диаграмму направленности, т.к. классический рупор её меняет. Для реализации идеи ученые воспользовались резонансными модами, которые формировались с использованием либиринтообразного акустического оформления.

Если говорить просто, то разработчики применили принцип, который можно наблюдать, поместив источник звука (например, смартфон) в кружку.

Звук усиливается, так как кружка становится резонансной камерой.

Тут принцип близок, но вместо единой полости использованы специально рассчитанные лабиринты, позволяющие избирательно усилить НЧ диапазон.

Разработчик Ying Wu в одном из интервью описал принцип действия следующим образом:

“Through the resonance of the air inside the channels, a lot more of the electric power of the source is converted to sound power than would otherwise be the case.”

“Резонанс воздуха в каналах позволяет получить большую звуковую мощность, чем без них (каналов -прим.авт.) при равном расходе электроэнергии”

A realistic structure for emission enhancement

а) Конструкция выполнена из жестких материалов (серая часть), где заполненные воздухом спиральные каналы удлиняют путь звука (красная линия), чтобы уменьшить его эквивалентную скорость в радиальном направлении вдоль жестких стенок каналов (азимутальная анизотропия ρθ→ ∞ρθ→∞).
b) Фазовое распределение звуковых полей, излучаемых из источника монополя, имитирующее на трех резонансных частотах (см.

Фиг.2 (с)].
c) То же, что и b), но для дипольного источника. (d, e) Сравнение направленности дальнего поля с оболочкой и без, моделируемой для самого низкого резонанса в b) и c), соответственно.

Как видно на рисунке, от центра круглого корпуса десятисантиметрового устройства, где размещен динамик, отходят лабиринтные ходы, которые обеспечивают возникновение резонансных мод, и а соответственно пассивно повышают звуковую мощность определённых частот. Важно учесть, шкала дБ является логарифмической, соответственно, двухсоткратное повышение мощности приведет к повышению звукового давления приблизительно на 20 дБ. Один из авторов, писавших на эту тему, сравнил 20 дБ с восемью делениями на шкале громкости айфона.

В результате сравнительных и контрольных измерений оказалось, что применение конструкции действительно позволяет усилить звуковую мощность в НЧ диапазоне в 200 раз. Конструкция также позволяет существенно не изменять диаграмму направленности, что было бы невозможно при использовании классических рупорных систем. Более подробно ознакомиться с результатами эксперимента можно в статье, которая опубликована в открытом доступе.

Очевидно, что полученный результат (в случае удачного развития событий для этой инновации, о которой в следующем разделе) может использоваться при создании портативной беспроводной акустики, мобильных гаджетов, наушников.

Статья теоретически доказывает возможность резонансного повышения мощности в 200 раз, приводит формулы и сравнительные измерения, но, как в старом анекдоте, есть нюанс…

Резонанс как закадычный враг

Усиление НЧ за счет резонансов имеет ряд особенностей, которые затрудняют использование этого метода при создании аппаратуры высокой верности воспроизведения. Многим хорошо известно пагубное влияние этого способа на качество звука по фазоинверторному акустическому оформлению АС. При использовании фазоинвертора усиление низких также достигается благодаря резонансу, разница лишь в том, что при таком форм факторе фазоинвертор менее результативен нежели лабиринт.

Неоднозначность использования резонансов для повышения мощности НЧ подробно описано в статье “Великий низкочастотный обман”, опубликованную журналом Show Master, любезно переведенную www.sound-consulting.net.

Вероятно, многие заметили, что в исследовании проводились сравнительные измерения звуковой мощности в НЧ диапазоне и оценивались изменения диаграммы направленности, уделяли внимание свойствам использованных материалаов. При этом не проводилось стандартных измерений коэффициента гармонических искажений, линейности АЧХ, не исследовалось появления паразитных призвуков и прочих явлений, искажающих звук.

Как писали в упомянутой выше статье, резонансная система не может запускаться и останавливаться мгновенно, а соответственно, возникают задержки. Учитывая количество отражений в представленной лабиринтной резонансной системе, можно предположить, что эти задержки будут выше чем в аналогичной с фазоинвертором или классическим закрытым ящиком.

Таким образом, используя резонансное усиление, мы можем получить значительно больше низа, при этом ухудшаются импульсные характеристики.

Кроме того, не известно вносит ли такая система искажения, шумы и пр. (исследование не содержит сравнения по искажениям до и после использования нового акустического оформления).

Перспективы применения

При исключении всех гипотетически вероятных проблем, инновация сможет изменить многое. Сохранение свойств при уменьшении габаритов позволит применять такое акустическое оформление в смартфонах, что существенно увеличит громкость. Использование с портативными беспроводными колонками позволит снизить энергопотребление, а значит увеличить длительность работы портативных устройств.

Итог

Искренне надеюсь на живую и продуктивную дискуссию относительно перспектив лабиринта. Для собственных выводах о судьбе изобретения мне не хватает информации. Традиционно предлагаю принять участие в опросе и высказать своё мнение относительно изобретения.

Джинса

В нашем каталоге представлен широкий ассортимент акустических систем высокой верности воспроизведения.

примеры, польза и вред от его воздействия в жизни, методы борьбы с откликом • Мир электрики

Мы часто слышим слово резонанс: «общественный резонанс», «событие, вызвавшее резонанс», «резонансная частота». Вполне привычные и обыденные фразы. Но можете ли вы точно сказать, что такое резонанс?

Если ответ отскочил у вас от зубов, мы вами по-настоящему гордимся! Ну а если тема «резонанс в физике» вызывает вопросы, то советуем прочесть нашу статью, где мы подробно, понятно и кратко расскажем о таком явлении как резонанс.

Прежде, чем говорить о резонансе, нужно разобраться с тем, что такое колебания и их частота.

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.

Опыт с камертонами

Акустическая волна подобна качелям: если толкать их как попало, сбиваясь с ритма, то высоко она не взлетит

Важность совпадения частоты (ритма) легко можно увидеть в эксперименте с двумя камертонами. Возьмем те, что имеют одинаковую частоту, и поставим довольно близко друг от друга

Ударим молоточком по ножкам первого — он зазвучит, и очень скоро заставит звучать другой. Почему это произойдет? Второй инструмент будет приведен в движение (раскачан) звуковой волной. Когда первый замолчит, второй будет издавать звук еще некоторое время. Вот как возникает звуковой резонанс. Если проделать опыт на камертонах разной частоты, мы увидим, что они не резонируют.

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:

• Механизмы хронометража современных часов, колесо баланса в механических часах и кварцевый кристалл в часах.
• Приливной отклик залива Фанди.
• Акустические резонансы музыкальных инструментов и человеческого голосового тракта.
• Разрушение хрустального бокала под воздействием музыкального правого тона.
• Фрикционные идиофоны, такие как изготовление стеклянного предмета (стекла, бутылки, вазы), вибрируют, при потирании вокруг его края кончиком пальца.
• Электрический отклик настроенных схем в радиостанциях и телевизорах, которые позволяют избирательно принимать радиочастоты.
• Создание когерентного света оптическим резонансом в лазерной полости.
• Орбитальный отклик, примером которого являются некоторые луны газовых гигантов Солнечной системы.

Материальные резонансы в атомном масштабе являются основой нескольких спектроскопических методов, которые используются в физике конденсированных сред, например:

• Электронный спиновой.
• Эффект Мёссбауэра.
• Ядерный магнитный.

Как используется

Резонансные токи используются сегодня в некоторых фильтрующих системах, радиотехнике, электричестве, радиостанциях, асинхронных двигателях, высокоточных электрических сварных установках, колебательных генераторных электрических контурах и высокочастотных приборах. Нередко, когда они применяются, чтобы снизить генераторную нагрузку.

Обратите внимание! Простейшая цепь, где наблюдаются они, это параллельного вида колебательный контур. Такие контуры используются в современном промышленном индукционном котловом оборудовании и улучшают показатели КПД

Сфера применения

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).

Физическое определение и привязка к объектам

Резонанс, согласно определению, можно понять как достаточно простой процесс:

• существует тело, находящееся в состоянии покоя или колеблющееся с определенной частотой и амплитудой;
• на него действует внешняя сила с собственной частотой;
• в случае, когда частота внешнего воздействия совпадает с собственной частотой рассматриваемого тела, возникает постепенное или резкое возрастание амплитуды колебаний.

Однако, на практике явление рассматривается в виде гораздо более сложной системы. В частности, тело может быть представлено не как единый объект, а сложная структура. Резонанс возникает при совпадении частоты внешней силы с так называемой суммарной эффективной колебательной частотой системы.

Резонанс, если рассматривать его с позиций физического определения, непременно должен приводить к разрушению объекта. Однако, на практике существует понятие добротности колебательной системы. В зависимости от ее значения, резонанс может приводить к различным эффектам:

• при низкой добротности система не способна в большой мере сохранять поступающие извне колебания. Поэтому наблюдается постепенное повышение амплитуды собственных колебаний до того уровня, когда сопротивление материалов или соединений не приводит к стабильному состоянию;
• высокая, близкая к единице добротность — самая опасная среда, в которой резонанс приводит, зачастую, к необратимым последствиям. Среди них может быть как механическое разрушение объектов, так и выделение большого количества тепла на уровнях, которые могут привести к возгоранию.

Также, резонанс возникает не только при действии внешней силы колебательного характера. Степень и характер реакции системы, в большой степени, отвечает за последствия действия направленных извне сил. Поэтому резонанс может возникнуть в самых разных случаях.

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.

• Двухтактный двигатель. Глушитель двухтактного двигателя имеет особую форму, рассчитанную на создание резонансного явления. Оно улучшает работу двигателя засчет снижения потребления и загрязнения. Этот резонанс частично уменьшает несгоревшие газы и увеличивает сжатие в цилиндре.
• Музыкальные инструменты. В случае струнных и духовых инструментов звуковое производство происходит в основном при возбуждении колебательной системы (струны, колонны воздуха) до возникновения явления резонанса.
• Радиоприемники. Каждая радиостанция излучает электромагнитную волну с четко определенной частотой. Для его захвата цепь RLC принудительно подвергается вибрации с помощью антенны, которая захватывает все электромагнитные волны, достигающие ее. Для прослушивания одной станции собственная частота RLC-схемы должна быть настроена на частоту требуемого передатчика, изменяя емкость переменного конденсатора (операция выполняется при нажатии кнопки поиска станции). Все системы радиосвязи, будь то передатчики или приемники, используют резонаторы для «фильтрации» частот сигналов, которые они обрабатывают.
• Магнитно-резонансная томография (МРТ). В 1946 году два американца Феликс Блох и Эдвард Миллс Перселл самостоятельно обнаружили явление ядерного магнитного резонанса, также называемое ЯМР, которое принесло им Нобелевскую премию по физике.

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.

• Автотранспорт. Автомобилисты часто раздражаются шумом, который появляется при определенной скорости движения транспортного средства или в результате работы двигателя. Некоторые слабо закругленные части корпуса вступают в резонанс и излучают звуковые колебания. Сам автомобиль с его системой подвески представляет собой осциллятор, оснащенный эффективными амортизаторами, которые препятствуют возникновению острого резонанса.
• Мосты. Мост может выполнять вертикальные и поперечные колебания. Каждый из этих типов колебаний имеет свой период. Если стропы подвешены, система имеет очень разную резонансную частоту.
• Здания. Высокие здания чувствительны к землетрясениям. Некоторые пассивные устройства позволяют защитить их: они являются осцилляторами, чья собственная частота близка к частоте самого здания. Таким образом, энергия полностью поглощается маятником, препятствующим разрушению здания.

Сам себя организовал

Ряд необычных свойств могут проявлять и так называемые самоорганизующиеся системы

, в которых идет упорядочивание в нано- и микромасштабе.

Особое место среди них занимают ионные жидкости
(ИЖ). В простейшем случае речь идет о расплавах солей, но в целом спектр ИЖ достаточно широк и охватывает многочисленные комбинации из органических и неорганических катионов и анионов. Разнообразен и спектр их удивительных физико-химических свойств (в первую очередь та самая нано- и микрогетерогенность), которые могут найти применение в самых разных сферах науки и промышленности: от катализа до биомедицины.

На сегодня обнаружено, в основном теоретически, множество различных типов наноструктур, формирующихся в ИЖ: ионные пары, подструктуры на основе водородных связей, ионные кластеры, мицеллоподобные наноструктуры, губкоподобные массивы наноструктур микрометрового масштаба. При этом многие из результатов теоретического моделирования достаточно трудно подтвердить экспериментально.

В большинстве случаев ИЖ являются диамагнитными, поэтому в «чистом виде» не могут быть исследованы с помощью метода ЭПР. Для этого в них следует растворить (как правило, в следовых количествах) специальный парамагнитный спиновый зонд.

Такой подход имеет свои преимущества и недостатки. С одной стороны, сами зондовые молекулы, растворенные в чистой ИЖ, могут специфически взаимодействовать с растворителем. С другой стороны, если в ИЖ будут присутствовать даже следовые (десятки миллионных долей!) количества воды, то ее система водородных связей может сильно измениться, что существенно повлияет на физико-химические свойства. Кроме того, всегда возникает вопрос: присущи ли наблюдаемые неоднородности в ИЖ именно ей или они являются следствием пребывания в ней молекулы-гостьи?

Однако поскольку в любом случае большинство приложений ИЖ так или иначе связано с их ролью в качестве растворителя, то взаимодействия в паре «растворитель–​растворенное вещество» вполне естественны. В этом смысле применение спектроскопических методов с использованием молекул-зондов вполне оправданно, а подбирая структуру зонда, можно моделировать реальные взаимодействия ИЖ с конкретными веществами. По этой причине в лаборатории ЭПР-спектроскопии для исследования гетерогенной структуры ИЖ были применены три варианта ЭПР-методик с использованием спиновых зондов.

Методом стационарного ЭПР

анализировались спектры зондов, в роли которых выступали стабильные радикалы. Оказалось, что для серии ИЖ в температурном диапазоне 170—270 К экспериментальному спектру соответствует суперпозиция двух разных фракций молекул спинового зонда с принципиально разной моделью движения. Одна фракция состоит из вращающихся молекул, другая – ​из малоподвижных. Это говорит о том, что размягчение и плавление ИЖ на молекулярном уровне является достаточно плавным процессом.

В методе ЭПР с временным разрешением

в качестве спиновых зондов использовали фотовозбужденные молекулы, такие как порфирины или фуллерены. Их основное состояние является диамагнитным, однако при облучении светом они переходят в долгоживущие
триплетные состояния
*, которые можно обнаружить с помощью ЭПР.

Оказалось, что в ИЖ такие молекулы-зонды находятся в виде нескольких разных фракций с различным микроокружением и, соответственно, физическими свойствами. Можно предположить, что такая гетерогенность связана с формированием в ИЖ наноразмерных полостей, подобных мицеллам. Кроме того, было отмечено существенное увеличение времени жизни спиновой поляризации

(неравновесной заселенности энергетических уровней) в ИЖ по сравнению с традиционными растворителями, что может быть полезно для некоторых приложений.

Импульсный ЭПР

предполагает использование импульсного СВЧ-поля и применяется в разных вариантах, с использованием специфических импульсных последовательностей, часто в комбинации с дополнительным радиочастотным возбуждением образца. В лаборатории этим методом анализировались случайные молекулярные
либрации
(малоугловые «дрожания») стабильных радикалов, используемых в качестве спиновых зондов, – ​такие движения эффективно укорачивают время спиновой релаксации.

В частности, с использованием такого подхода была впервые обнаружена аномалия плотности для стеклообразных ИЖ. Оказалось, что в температурном диапазоне 150—200 К подвижность молекул зонда прогрессивно уменьшается с ростом температуры, что противоречит всем известным тенденциям.

Такое поведение можно описать наноразмерными структурными перестройками, в ходе которых ансамбль радикалов в матрице ИЖ распадается на две подгруппы. Радикалы, расположенные в области пониженной плотности матрицы ИЖ, начинают испытывать диффузионное вращение, которое детектируется с помощью стационарного ЭПР, а локализованные в других областях, с повышенной плотностью, – ​с помощью импульсного ЭПР. И хотя средняя плотность ИЖ при этом остается постоянной, благодаря селективности методик удается обнаружить локальные неоднородности плотности, которые меняются с изменением температуры вплоть до фазового перехода в точке стеклования.

Интересно, что подобные аномалии наблюдаются не только в чистых ИЖ, но и в их смесях с водой, что может быть важно, к примеру, при разработке новых типов криопротекторов.

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:

1. Производится «разобщение» частот, которые в случае совпадения приведут к нежелательным последствиям. Для этого повышают трение различных механизмов или меняют собственную частоту колебаний системы.
2. Увеличивают затухание колебаний, например, ставят двигатель на резиновую подкладку или пружины.

Понимание резонанса необходимо для решения проблем с вибрацией

Ни для кого не секрет, что сильная вибрация может разрушить подшипники, валы и потенциально нарушить производство. Что менее известно, так это то, что резонансные компоненты машин и опорные конструкции могут усилить даже небольшие проблемы с вибрацией, достаточной для повреждения подключенного оборудования или вызвать катастрофический отказ машины. Чтобы быстро решить проблему вибрации и избежать таких нежелательных последствий, важным первым шагом является определение того, является ли источником повышенной вибрации резонанс во вращающемся оборудовании или в несущей конструкции.

Резонансная вибрация в механических конструкциях, таких как насосы, турбины и двигатели, возникает, когда собственная частота равна или близка к частоте воздействия, такой как частота вращения ротора. При наличии этого состояния может возникать сильный уровень вибрации за счет усиления небольших вибрационных сил, возникающих при работе машины. Такие проблемы часто возникают после изменения скорости, например, при дооснащении машины приводом с регулируемой скоростью (ASD) или работе двигателя с частотой 50 Гц при мощности 60 Гц. Решение часто зависит от способности различать структурный резонанс и критическую скорость ротора.

Структурный резонанс: Структурный резонанс относится к чрезмерным вибрациям невращающихся компонентов, обычно деталей машин или опорных конструкций. Из-за сложности этих компонентов это более распространенное резонансное состояние, которое обычно возникает при скорости вращения машины или близкой к ней. Даже незначительные вибрационные силы из-за остаточного дисбаланса и несоосности машины могут возбудить резонансную конструкцию основания, что приведет к сильной вибрации. Хорошим примером этого является вибрация частоты язычка, которая часто возникает с вертикальными турбинными насосами, у которых двигатель установлен на верхней части нагнетательного колена. Компоненты машин также могут быть резонансными; есть много примеров двухполюсных электродвигателей, в которых резонансный концевой кронштейн вызывал очень сильную осевую вибрацию при 1 или 2 об/мин.

Критическая скорость ротора: Критическая скорость ротора существует, когда вращающийся элемент машины является резонансным компонентом, и его скорость соответствует собственной частоте ротора. Это характерно для центробежных насосов, газовых и паровых турбин и больших двухполюсных электродвигателей. Хотя результат аналогичен структурному резонансу (высокая вибрация при определенной рабочей скорости), критическая скорость ротора представляет собой более сложное явление. Когда рабочая скорость достигает резонансной частоты вращающегося элемента, вращающийся элемент искажается, и вибрационные силы значительно возрастают.

Важно правильно различать структурный резонанс и критическую скорость ротора. Термин «критическая скорость» (без слова «ротор») несколько двусмыслен. Технически критическая скорость может быть либо структурным резонансом, либо критической скоростью ротора. Для ясности лучше не использовать этот термин. Простой термин «резонанс» может применяться к обоим состояниям, чтобы избежать путаницы.

Характеристики резонанса

Как описано выше, наиболее заметной характеристикой резонанса является усиление вибрации при достижении определенной рабочей скорости. Также можно заметить, что по мере того, как рабочая скорость увеличивается за пределы резонансной частоты, амплитуда вибрации несколько уменьшается. График Боде на рис. 1 показывает зависимость рабочей скорости от амплитуды. Для наглядности предположим, что возбуждающая сила представляет собой остаточный дисбаланс ротора при частоте вращения.

Формула для расчета собственной частоты:

Где «K» — жесткость резонансной конструкции или компонента, а «W» — вес (масса). Обратите внимание, что ядром этой формулы является:

Таким образом, увеличение жесткости повысит собственную частоту, а увеличение массы понизит ее. Это логично, поскольку жесткость создает силу, всегда направленную против движения, а масса обладает инерцией, то есть силой, всегда направленной вместе с движением. Резонанс — это то, что происходит, когда эти две противоположные силы равны; они компенсируют друг друга, позволяя вибрации увеличиваться.

Коэффициент демпфирования

Третья сила, демпфирование, действует во всем диапазоне скоростей. Демпфирование поглощает вибрационную энергию, преобразовывая ее в тепло. При этом демпфирование снижает максимальную амплитуду вибрации при резонансе и увеличивает ширину зоны усиления (рис. 2). Типичным примером демпфирования являются амортизаторы автомобиля. Машины с подшипниками скольжения могут иметь значительное демпфирование, которое может даже маскировать критические скорости. На основаниях машин бетон и цементный раствор значительно демпфируют базовую конструкцию.

Эти силы (жесткость, масса и демпфирование) определяют характеристики резонанса и важны для различения структурного резонанса и критических скоростей ротора.

При структурном резонансе машина работает очень близко к резонансной частоте. Это наиболее заметно при низком демпфировании, так как возникает очень большая амплитуда вибрации. Есть два жестких режима, которые можно описать как «подпрыгивание» и «раскачивание». Решения включают изменение резонансной частоты, чтобы отдалить ее от рабочей скорости, путем изменения жесткости или массы и увеличения демпфирования для непосредственного уменьшения амплитуды. (Различные методы реализации этих корректирующих мер являются темами для другой статьи. Целью здесь является сравнение с критическими скоростями ротора.)

При критической скорости ротора проблема совсем в другом. Во-первых, жесткость, масса и демпфирование роторов, установленных на подшипниках качения, почти никогда не могут быть эффективно изменены, а демпфирование обычно очень низкое. (Примечание. Собственные частоты установленных роторов больших машин с подшипниками скольжения обычно можно в некоторой степени изменить, изменив динамику подшипников.) Во-вторых, ни один ротор не проектируется намеренно так, чтобы его критическая скорость была близка к его рабочей скорости. Проблема в этом случае не в том, что рабочая скорость близка к резонансной, а в том, что при критической скорости ротора ротор деформируется и нелинейные эффекты вызывают чрезмерную вибрацию. В этот момент он становится «гибким ротором», а не «жестким ротором».

Жесткий ротор работает ниже первой критической скорости ротора и может иметь многочисленные дисбалансные силы, распределенные вдоль его оси. Сумма этих дисбалансных сил может быть скорректирована в любых двух плоскостях с помощью обычных двухплоскостных методов динамической балансировки. В этих жестких режимах ротор может слегка изгибаться, но движения подшипников точно отражают состояние дисбаланса. Однако, как только ротор станет гибким, выше первой критической скорости ротора, распределение неуравновешенных сил будет деформировать ротор, вызывая неуравновешенное состояние, которого не было в жестких режимах. Этот гибкий режим дисбаланса вызывает повышенную вибрацию, которая сохраняется на более высоких скоростях.

При структурном резонансе сила постоянна, а вибрационный отклик конструкции изменяется со скоростью. При критической скорости ротора сила изменяется по мере того, как ротор искажается, чтобы соответствовать неуравновешенным силам, распределенным вдоль оси ротора. Решение проблемы критической скорости ротора заключается в устранении сил дисбаланса в различных плоскостях вдоль оси ротора. Обычно невозможно определить, где находятся силы дисбаланса с ротором в жестком режиме, поэтому ротор должен работать выше критической скорости ротора (в гибком режиме), чтобы обнаружить эффекты дисбаланса.

Режимы изгиба

По мере увеличения скорости ротора он будет проходить через ряд режимов изгиба: первый режим изгиба; второй режим изгиба, третий режим изгиба и так далее.

Роторы для многоступенчатых насосов и газовых и паровых турбин могут работать выше критической скорости первого или второго ротора, а генераторы иногда работают выше критической скорости третьего ротора. Роторы для больших двухполюсных электродвигателей могут работать выше первой критической скорости ротора, но редко выше второй. Роторы, предназначенные для такой работы с «гибким ротором», имеют дополнительные плоскости балансировки для проведения процедур динамической балансировки, которые устраняют остаточные дисбалансные силы, вызывающие деформацию гибкого ротора. Эти процедуры динамической балансировки требуют, чтобы ротор вращался с рабочей скоростью, что можно безопасно сделать только с помощью специально разработанных балансировочных машин в прядильной яме. С другой стороны, отдельные компоненты гибких роторов, такие как рабочие колеса, могут быть отбалансированы перед сборкой.

Понимание разницы между структурным резонансом и критическими скоростями ротора поможет прояснить обсуждение для обслуживающего персонала, особенно когда речь идет о многоступенчатых насосах, турбинах или больших двухполюсных двигателях.

Юджин Фогель (Eugene Vogel) — специалист по насосам и вибрации в Ассоциации обслуживания электрических аппаратов, Inc. (EASA).

Есть ли у вас опыт и знания по темам, упомянутым в этом содержании? Вам следует подумать о том, чтобы внести свой вклад в нашу редакционную команду CFE Media и получить признание, которого вы и ваша компания заслуживаете. Нажмите здесь, чтобы начать этот процесс.

5 советов по обнаружению и устранению проблем с резонансом

В случае поломки виновником может быть любое количество проблем, но есть одна, которую особенно сложно диагностировать: резонанс.

Резонанс может быть проблемой в любой машине, так как физические структуры имеют собственные частоты, которые можно возбуждать. Резонанс возникает, когда принудительная функция возбуждает собственную частоту машины, вызывая избыточную вибрацию. Эти чрезмерные вибрации вызывают дополнительную нагрузку на машину, что приводит к снижению надежности, преждевременному выходу из строя и увеличению затрат на техническое обслуживание и запчасти. Ранняя коррекция резонанса предотвращает вторичные дефекты, такие как износ подшипников, и структурные дефекты, такие как трещины в сварных швах, ослабление болтов и повреждение фундамента.

Если вы знаете, что с вашим активом что-то не так, диагностировать резонанс может быть очень сложно, поскольку он может возникать только в определенные моменты в течение дня — как правило, когда спрос требует, чтобы машина работала на определенных проблематичных скоростях. В невозбужденном состоянии машина может работать нормально.

Наилучший способ обнаружить и полностью понять эффект резонанса — это постоянно наблюдать за работой машины. С увеличением числа машин, работающих на частотно-регулируемых приводах (ЧРП), проблемы резонанса становятся все более распространенными. Классическое обслуживание на основе маршрута не очень эффективно, потому что есть большая вероятность, что рассматриваемая машина не активируется в момент сбора данных. В зависимости от условий эксплуатации вы можете никогда не увидеть резонанса лично.

Пример резонансной кривой.

Как эффективно обнаружить резонанс?

1. Непрерывная диагностика. Непрерывная диагностика, включая полные спектральные данные и информацию о скорости машины. Непрерывный информационный поток обеспечивает обнаружение возбужденного состояния машины. Информация о скорости позволяет отслеживать форсирующие функции машины. Остаточные силы дисбаланса, связанные с вращающимися валами, являются наиболее вероятными источниками для возбуждения резонанса, но энергия вибрации, связанная с любым компонентом машины, также может служить источником.

Сбор полного спектра вибрации позволяет точно отслеживать все эти характеристики, чтобы можно было полностью понять реакцию машины. Когда функция принуждения приближается к резонансной частоте, наблюдается резкое увеличение амплитуды, за которым следует резкое уменьшение по мере того, как частота продолжается. Не только это, но и непрерывный поток данных позволяет получить представление о количестве возбуждений и их продолжительности по мере их возникновения в течение дня. Знание как характера, так и продолжительности возбужденного состояния позволяет наиболее точно оценить его тяжесть.

2. Тест на развертку. Тест свипирования — это когда вы вручную проводите машину по частотному диапазону, снимая показания на каждом шаге. Это может отображать вибрационный отклик в зависимости от скорости для легкого обнаружения проблемных частот. Однако не дается никакого представления о том, как часто машина возбуждает резонанс во время нормальной работы.

3. Тест разгона или выбега. Этот метод включает сбор данных за период времени, когда машина либо разгоняется до полной скорости, либо останавливается. В этом конкретном испытании вибрация вала используется как функция форсирования для подачи энергии в систему. Это вызовет резонанс, когда вибрация вала превысит критическую скорость. Тахометр используется для измерения разности фаз между положением тяжелой точки ротора и вектором вибрации. Когда машина проходит через резонанс, фаза смещается на 90 град. Наблюдение за этим сдвигом обеспечивает доказательство резонанса.

4. Функциональное испытание. Это включает в себя измерение реакции обесточенной машины на удар модальным молотком или другим источником широкополосной подачи энергии. Этот ударный вход возбуждает все частоты одновременно, и усиление из-за резонанса легко наблюдается.

Из этих методов только непрерывная диагностика может оценить практическую тяжесть резонансного состояния. Все машины имеют собственные частоты, и понимание природы отклика — это только полдела. Для возникновения повреждений требуется реальная работа в проблемных условиях, и наблюдение во времени — единственный способ по-настоящему понять состояние.

Беспроводные датчики Halo контролируют ваши важные активы, собирая данные о вибрации, температуре и магнитных полях. Пользователи видят оповещения и отчеты в режиме реального времени в веб-приложениях и мобильных приложениях Augury.

Реакция на резонанс

Выбирая между добавлением частоты пропуска в частотно-регулируемый привод и изменением массы/жесткости конструкции, необходимо учитывать физическую природу самой установки. Без предварительной детальной инженерной оценки может быть сложно полностью понять, как система будет реагировать на любое заданное изменение.

Чтобы обеспечить успех, потратьте некоторое время, прежде чем внедрять исправление , чтобы определить, на чем установлено ваше оборудование, размер и угол расположения трубопроводов и т. д., поскольку эти факторы будут влиять на реакцию на вибрацию и должны быть оценены на в каждом конкретном случае.

1. Частота пропуска. Быстрое решение состоит в том, чтобы использовать пропуск частоты на частотно-регулируемом приводе для максимально быстрого перемещения машины через проблемную частоту.

Хотя технически это не исправление , это недорогое решение проблемы. Использование пропускной частоты означает, что хотя вашей машине все равно придется проходить через отрицательную частоту, она будет делать это быстрее. Технологические требования могут запрещать пропуск частот, если эти частоты необходимы для надлежащей работы оборудования.

2. Изменение массы или жесткости. Другим решением является изменение массы или жесткости системы таким образом, чтобы изменить местоположение собственной частоты, тем самым сместив частоту за пределы естественного рабочего диапазона машины. Увеличение массы или уменьшение жесткости приводит к уменьшению собственной частоты. Чтобы изменить жесткость, вам необходимо стабилизировать конструкцию, добавив поперечные распорки, усилители или другие структурные модификации. Конечным результатом будет смещение собственной частоты за пределы рабочего диапазона.

Чтобы избежать резонансных проблем, необходимо установить непрерывный мониторинг с момента ввода объекта в эксплуатацию.