Использование резонанса - согласование частоты внешнего действия (поля) с собственной частотой системы или ее элемента

С наибольшей амплитудой колеблются объекты при точном совпадении частот. При этом извне затрачивается минимум энергии на поддержание резонанса, а внутрь системы поступает максимум из подводимой энергии.

• А.с. 1279559: пневматический хлопкоуборочный комбайн, в котором куст обдувается пульсирующей воздушной струей (частота пульсации равна собственной частоте волокон) и отлетевшая хлопковая масса тут же всасывается трубопроводом.
• А.с. 1050635: для быстрого растворения порошкового молока в воде на смесь воздействуют частотой, зависящей от дисперсности порошка.
• А.с. 1065025: способ гидравлической классификации твердых частиц по крупности путем подачи их в виде пульпы в жидкостную систему и разделение под действием вибрации в резонансном режиме, отличающийся тем, что с целью повышения точности классификации разделения осуществляют при частоте колебаний равной собственной частоте колебаний частиц граничного класса крупности.
• А.с. 1263584: способ транспортирования сыпучего материала, включающий подачу материала на движущуюся с помощью барабанов ленту, генерирование в ленте и упруго установленных роликовых опорах резонансных колебаний барабанами с частотой, равной частоте собственных колебаний груженой ленты и упруго закрепленных роликовых опор, отличающийся тем, что с целью снижения энергетических потерь путем стабилизации процесса колебаний в ленте с материалом, подачу материала на ленту осуществляют отдельными равными порциями с частотой, равной частоте собственных колебаний груженой ленты и упруго установленных роликовых опор.
• А.с. 856463: способ предупреждения самовозгорания пористых эластичных материалов, например, пенополиуретана, который созревает в камере и требуется быстро удалять излишки газа из пузырьков на него воздействуют вибронагружением с частотой собственных колебаний материала, при этом за счет быстрого сжатия-расширения пузырьков газ выходит и его отсасывают из камеры.
• А.с. 889018: способ тушения пористых материалов, например, пенополиуретана или кокса путем быстрого их погружения в воду; эти материалы легче воды, не тонут, предложено воздействовать на куски вибрацией жидкости с частотой собственных колебаний плавающих кусков они быстро тонут за счет резкого (в 5-10 раз) повышения гидродинамического давления в режиме резонанса.
• А.с. 996347: способ резки стекла путем нанесения надреза на его поверхность и сообщения стеклу акустических колебаний с частотой равной частоте собственных колебаний стекла (то есть вместо ненадежного постукивания по обратной стороне надреза предложено озвучивать стекло оно само расколется по намеченной линии).
• А.с. 637597: способ нагрева газа путем подачи сверхзвуковой струи в камеру и возбуждения в ней резонансных колебаний с чередующимся сжатием и расширением потока при заполнении и опорожнении камеры, отличающийся тем, что с целью интенсификации нагрева, струю подают периодически после опорожнения камеры с частотой резонансных колебаний.

При наступлении резонанса разные части системы колеблются с разной амплитудой от максимальной до минимальной (нулевая амплитуда - в узлах колебаний). Поэтому разные участки испытывают различные напряжения. Это полезно, например, при снятии (перераспределении) вредных напряженных состояний.

А.с. 1052550: способ снятия остаточных напряжений в металлических деталях преимущественно замкнутого контура, включающий возбуждение в нескольких точках детали вибрации на резонансной частоте, отличающийся тем, что с целью равномерного снятия остаточных напряжений вибрацию в точках возбуждают последовательно по периметру детали, при этом каждое последующее место возбуждения вибрации располагают в узле колебаний предыдущей точки возбуждения.

Недавно в МЭИ разработан сверхпроизводительный способ производства микрошариков (диаметром от 10 мкм до 1 мм). Способ заключается в выдавливании расплава через отверстие в излучателе, который воздействует на струйку с частотой, равной резонансной частоте требуемого размера шариков. В нескольких сантиметрах от диска-излучателя амплитуда колебаний увеличивается и струйка разбивается на капельки, которые мгновенно, под действием сил поверхностного натяжения, превращаются в шарики. Производительность - до 1 миллиона шариков в секунду! Где использовать такие шарики? Предлагается транспортировать их через космос по лучу лазера, использовать их для фигурного (объемного) рисования при напылении, для микролегирования больших объемов металлов, для "прицельной" доставки лекарств к очагам болезни, для запасения водорода и т.д. ("Социалистическая индустрия", 15.06.89, с.4).

В Йельском университете (США) проводятся эксперименты по облучению микрошариков полистирола (10 мкм) электромагнитным излучением в радио- и оптическом диапазонах. В шариках возбуждается собственное ЭМ-поле за счет взаимодействия падающего излучения с наведенным в нем электрическим диполем. Наиболее интенсивные собственные колебания наблюдаются при совпадении частоты внешнего поля с собственными частотами таких микрорезонаторов ("Природа", 1981, № 5, с. 109).

Если нельзя или нецелесообразно воздействовать внешней силой непосредственно на объект, то вводят резонатор, соединенный с объектом.

• А.с. 1001988: способ получения дисперсных систем путем вибрационных воздействий на среду в режиме вибротурбулизации путем введения в емкость со средой упругого резонатора и воздействия на емкость колебаниями резонансной частоты, отличающийся тем, что с целью повышения экономичности процесса и его интенсификации, в емкость вводят несколько упругих резонаторов с различной частотой собственных колебаний.
• А.с. 119132: вибрационный транспортер, выполненный в виде желоба или трубы с размещенными вдоль них с определенным шагом вибраторами, отличающийся тем, что с целью уменьшения количества вибраторов, часть из них заменена подпружиненными реактивными массами, настроенными резонансно со всей колеблющейся системой транспортера.
  Если частота собственных колебаний объекта меняется по неизвестному нам закону, то необходимо организовать обратную связь между объектом и генератором (источником внешнего поля).
• А.с. 919818: для улучшения качества сварного шва предложено перемешивать металл в зоне плавления (сварочная ванна); такое перемешивание должно быть интенсивным и быстрым, поэтому используют внешнее переменное магнитное поле с частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний сварочной ванны; однако размеры и масса (а значит и собственная частота ванны постоянно меняются). Как быть?

Предложено ввести обратную связь: улавливается спектр электромагнитных волн, генерируемых самой ванной и этот спектр задает частоту переменного магнитного поля.

Любые движущиеся объекты колеблются, поэтому можно организовать эти колебания определенным образом на выполнение полезных функций.

Например, для эффективного смешения газа с жидкостью применяется множество специальных (массообменных) устройств и приспособлений. Установлено, что акустические колебания значительно улучшают эти процессы. Но, к сожалению, в газожидкостной среде уже на расстоянии 10 см акустические колебания затухают. Чтобы их поддерживать, нужно создать во всем объеме аппарата многочисленные центры генерации колебаний, но эти генераторы сложны, недолговечны и энергоемки. Генераторы нужно вводить, чтобы получить колебания и их нельзя вводить, чтобы не усложнять (удорожать) систему. Как быть?

Конечно же, функцию генератора, по совместительству, должны выполнять уже имеющиеся элементы при минимальных изменениях и дополнениях. По а.с. 423481 предложено простейшее акустическое устройство, в котором звук образуется за счет прохождения газа через отверстия в колонне с жидкостью. Но главное в другом: для того, чтобы требовалось минимум энергии, организован резонансный режим; в качестве резонатора используется прикрепленная вокруг отверстия шайба с бортами, которая и образует резонирующую полость. В потоке возникают автоколебания частотой несколько тысяч герц (примеры автоколебаний: колебания воздуха в свистках, гудение телеграфных проводов, "пение" водопроводных труб).

Главное свойство автоколебаний: колеблющаяся система сама управляет поступлением в нее энергии извне - возникает обратная связь; другие свойства: амплитуда колебаний не зависит от начальных условий, частота близка к собственной частоте колебаний). Частота автоколебаний в этом случае пропорциональна скорости (массе) потока и обратно пропорциональна размерам кольцевой резонирующей полости. Подбирая размеры и форму отверстий, удалось направить большую часть энергии потока на создание автоколебаний. Отпала необходимость в подводе внешней энергии для акустического воздействия. Генерация автоколебаний легла в основу других акустических устройств - а.с. 1037927, 1057052, 1114431 ("Изобретатель и рационализатор", 1985, № 10, с.19).

Возникающая в режиме автоколебаний в колеблющейся системе обратная связь действует все же в узком диапазоне - стоит чуть изменить какой-либо параметр системы и автоколебания исчезнут. Для поддержания длительного самоподстраивающегося режима авторезонанса необходимо введение специальной линии обратной связи: на колеблющееся тело устанавливают датчик, сигнал от которого усиливается и направляется на источник колебаний (генератор), генератор устанавливает в каждый данный момент времени всегда резонансную частоту - система работает в режиме автоколебаний при любых изменениях условий работы. Этот принцип лежит в основе многих сильных разработок института машиноведения им. Благонровова АН СССР.

Вот, казалось бы, тупиковая ситуация, сложившаяся в области ультразвуковой обработки материалов (рис. 10). Располагая поистине уникальными возможностями, эта технология чрезвычайно капризна. Основной недостаток: частота генератора настраивается на частоту собственных колебаний инструмента на холостом ходу (то есть без нагрузки на инструмент); но как только инструмент начал работать, испытывать многообразные напряжения, его частота тут же изменяется и не совпадает с частотой генератора - система выходит из режима резонанса и к.п.д. резко падает.

Избавиться от этого в используемых сейчас ультразвуковых станках очень трудно. На собственную частоту инструмента влияют переменчивые свойства обрабатываемого материала, усилие прижатия инструмента к заготовке, условия ультразвукового резания. Чтобы хоть какая-то доля энергии дошла по назначению, приходится непомерно увеличивать мощность возбудителей и генераторов. Но это крайне неэффективно, расточительно. Как быть?

Идеал: пусть система сама выбирает себе наивыгоднейшую (резонансную) частоту. Нужен авторезонанс!

Датчик обратной связи - обыкновенный микрофон - располагают за возбудителем со стороны, противоположной зоне обработки (чтобы не мешал); его сигнал через усилитель подают на обмотку магнитострикционного возбудителя. Возникают автоколебания, их частота чутко реагирует на любые изменения условий работы, всегда остается резонансной и обеспечивает эффективную передачу ультразвуковой энергии ("Наука и жизнь", 1985, № 9, с. 18-25).

И в заключение о "человеческом" резонансе. Оказывается, многие органы человеческого тела имеют довольно низкие резонансные частоты: голова 20-30 Гц, вестибулярный аппарат 0,5 -13 Гц, руки 2-5 Гц, а сердце, позвоночник, почки имеют общую настройку на частоту около 6 Гц. Необъясненная пока загадка природы - для чего это надо было эволюции? Пути человеческого "любопытства" неисповедимы, поэтому неизбежно появились охотники "поиграть" с человеком на этих частотах. Во Франции изобретен свисток для разгона демонстраций. "Во время испытания его модели, - писала одна из французских газет, - люди в пятимильной зоне чувствовали во всем теле сильную болезненную вибрацию..." В США созданы инфразвуковые "прожекторы", которые создают в атмосфере акустические волны, способные повредить зрение, вызвать тошноту, страх... Это новый вид психотропного оружия. На этих частотах звук легко проникает сквозь бетонные и металлические преграды ("Юный техник", 1989, № 7, с. 8-15).