Дослідження резонансних властивостей електромеханічних систем

Дослідження резонансних властивостей електромеханічних систем

Олег Желюк

Впровадження та використання електромеханічних засобiв у виробництво та побут потребують глибокого i ґрунтовного усвiдомлення основ функцiонування та принципу дiї ряду поширених приладiв та механізмів, до яких можна віднести електроакустичні перетворювачі, електродвигуни, електромагнітні, форсунки двигунів внутрішнього згорання, реле та ін. Такі прилади та їх системи описуються сукупністю як електричних так і механічних характеристик розуміння яких є важливим для усвідомлення їх дії та раціональної експлуатації.

Однією з таких характеристик, що не піддається безпосередньому вимірюванню є резонансна частота. Резонансна частота – це частота встановлених вимушених гармонічних коливань в лінійній коливальній системі, що відповідає виникненню таких фазових співвідношень між гармонічною зовнішньою силою і вимушеними коливаннями при яких вся енергія, що підводиться до системи від джерела, повністю поглинається нею, не відбиваючись, компенсуючи втрати енергії на дисипативних елементах системи. При цьому спостерігається явище різкого збільшення амплітуди коливань в системі – резонансу. Резонанс (франц. resonance, від лат. resono – звучу у відповідь, відгукуюсь), явище різкого збільшення амплітуди вимушених коливань в коливальній системі, коли частота періодичної дії на систему наближається до її резонансної частоти.

Явище механічного та акустичного резонансу, вперше, було згадано та описано в працях італійського вченого Г. Галілея. Резонанс в електромагнітних системах на прикладі коливального контура знайшов відображення у фундаментальних роботах англійського вченого фізика Дж. Максвела (1868 р.)

Під час збудження коливальної системи без втрат під дією періодичної зовнішньої сили при резонансі система отримує за період приріст енергії пропорційний амплітуді коливань. В результаті амплітуда коливань змінюється від періоду до періоду в арифметичній прогресії – лінійно. Проте в реальних умовах завжди існують чинники, що обмежують амплітуду коливань. Це, перш за все, дисипація енергії в системі, а також не співпадіння частоти збуджуючого впливу з резонансною частотою коливальної системи. Графічна залежність амплітуди коливань від частоти зовнішньої збуджуючої дії описуються резонансною кривою. Ширина такої кривої характеризує добротність системи, чим вона ширша тим добротність менша і навпаки із звуженням резонансної кривої її добротність є більшою. У випадку надмірно великої амплітуди коливань коливальна система переходить у нелінійний стан, її власні коливання – несинусоїдальні, а резонансна частота залежить від амплітуди коливань. Виникнення явища резонансу у системі може мати як позитивний так і негативний прояв, оскільки може привести до небажаних коливань, надмірних вібрацій і навіть руйнації системи.

Вивчення резонансних властивостей електромеханічних систем зручно проводити з використанням електродинамічних гучномовців, електромагнітні системи яких забезпечують взаємні перетворення електричних та механічних коливань. Визначити резонансну частоту рухомої системи гучномовця можна за допомогою електронно-променевого осцилографа. Метод заснований на можливості досить точно фіксувати зміщення фаз між струмом і напругою в електричних колах за допомогою осцилографа, який має окремі входи горизонтальної та вертикальної розгортки. У випадку наявності фазового зміщення на екрані електронно-променевої трубки буде спостерігатися похилий еліпс, так як це зображено пунктиром на мал. 1. Зі зменшенням кута зміщення фаз еліпс буде звужуватися і при відсутності зміщення перетвориться в пряму похилу лінію (суцільна лінія на мал. 1). Кут нахилу й довжина лінії можуть змінюватися в порівнянні з розміром та кутом нахилу осей еліпса. Момент переходу еліпса в лінію фіксує настання резонансу в системі.

1

Резонансні властивості електромагнітної системи визначаються її імпедансом – комплексним опором. Змінюючи частоту сигналу звукового генератора можна міняти співвідношення між фазами струму та напруги в залежності від комплексного опору системи. Схема підключення звукової котушки гучномовця для фіксування зміщення фаз показана на мал. 2. Клеми гучномовця Гр підключаються до виходу звукового генератора ЗГ через активний опір R, напруга з якого подається на вхід розгортки горизонтального відхилення. Зі звукової котушки гучномовця напруга безпосередньо подається на вхід розгортки вертикального відхилення. При такому включенні забезпечується можливість спостереження фазового зміщення між струмом і напругою в колі звукової котушки й можна фіксувати момент резонансу. Для проведення досліджень внутрішня горизонтальна розгортка в осцилографі має бути відключеною.

2

Дослідження резонансних властивостей можна здійснювати із застосуванням демонстраційного або лабораторного осцилографа в якому передбачені роздільні входи горизонтального та вертикального відхилення променя, наприклад ОМШ-2-76 (мал. 3). Для проведення досліджень гучномовець бажано використати потужністю 2 – 4 Вт з активним опором звукової котушки 4 – 10 Ом. Резистор R повинен бути без індуктивним, його опір може бути підібраний в межах від 50 до 500 Ом, а потужність не менше 2 Вт. Чим більше опір звукової котушки гучномовця, тим більшим має бути значення опору R. Звуковий генератор бажано застосовувати типу Г3-56, або інший з вихідною потужністю не менше 2 — 4 Вт та частотним діапазоном 20 – 2000 Гц.

 

Вимірювання доцільно проводити підтримуючи значення амплітуди струму в колі звукової котушки постійною для того, щоб можна було разом з фазою й частотою резонансу визначати також і амплітуду напруги на звуковій котушці. Для цього значення опору R повинно бути в 20-30 разів більше, ніж активний опір звукової котушки гучномовця, бажано 100 Ом і більше.

Під час досліджень, в залежності від частоти генератора та резонансної частоти електромагнітної системи, а також відповідно фазових співвідношень між струмом та напругою на електронно променевій трубці можна спостерігати реальні зображення. Зображення, що спостерігається у випадку розбіжності частот відображено на мал. 4. При співпадінні частоти генератора та резонансної частоти системи спостерігаємо зображення наведене на мал. 5. Слід зауважити, що спостережувані зображення дещо відрізняються від ідеалізованих математичних фігур: коло, еліпс, пряма. Пояснення таких розбіжностей доцільно у випадку детального вивчення резонансних систем, та явищ які відбуваються у колах з реактивними елементами.

На мал. 6 зображено характерну ідеалізовану частотну характеристику повного внутрішнього опору електромагнітного гучномовця й наведено фігури, що можна спостерігати на екрані електронно-променевої трубки осцилографа на різних ділянках такої характеристики.

6

Література:

  1. Радиотехника. Под. ред. Н.Н. Малова. Учеб. Пособие для физ.-мат. фак-тов пед. ин-тов. М., «Просвещение», 1971. 456 с.
  2. «Radio-Electronics», 1963 г. сентябрь.
  3. Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин И.Г. Электрорадиоизмерения: Учеб. Пособие для радиотехнич. спец. вузов/Под ред. В.И. Винокурова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1986. – 351 с.
  4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т. Пер. с англ. Изд. 2-е, стереотип. – М.: Мир, 1984. – 589 с.
  5. Бытовая электроакустическая аппаратура: Справочник/ И.А. Алдошина, В.Б. Бревдо, Г.Н. Веселов и др. – М.: Радио и связь, 1992. – 320 с.

Директор Рівненського природничо-математичного ліцею „Елітар”,
кандидат педагогічних наук,
Заслужений вчитель України
Желюк Олег Миколайович

 Все права защищены. Перепечатка, публикование данной статьи в любых других источниках без согласия автора запрещена.

24.01.2016 PGurov

Comments are closed.