공진기

Resonator

공명기는 공명 또는 공명 동작을 나타내는 장치 또는 시스템입니다.즉, 공진 주파수라고 불리는 일부 주파수에서 다른 주파수보다 큰 진폭으로 자연스럽게 진동합니다.공진기의 진동은 전자기 또는 기계(음향 포함)일 수 있습니다.공진기는 특정 주파수의 파형을 생성하거나 신호에서 특정 주파수를 선택하는 데 사용됩니다.악기는 특정한 음색의 음파를 내는 음향 공진기를 사용한다.또 다른 예로는 라디오 송신기와 석영 시계와 같은 전자기기에서 매우 정밀한 주파수의 진동을 발생시키기 위해 사용되는 석영 결정이 있습니다.

직사각형 캐비티 공진기의 정재파

캐비티 공진기는 장치 내부의 중공 공간에 파동이 존재하는 것을 말한다.전자기기 및 무선에서는 저주파수로 사용되는 동조회로를 대신해 마이크로파 송신기, 수신기 및 시험장치에 중공금속박스로 이루어진 마이크로파 공동을 사용하여 주파수를 제어한다.하나의 개구부가 있는 공동에서 진동하는 공기에 의해 소리가 발생하는 음향 공동 공진기를 헬름홀츠 공진기라고 합니다.

설명.

물리 시스템은 자유도만큼 공진 주파수를 가질 수 있습니다.각 자유도는 고조파 발진기처럼 진동할 수 있습니다.스프링의 질량, 진자, 밸런스 휠, LC 튜닝 회로 등 자유도가 1개인 시스템에는 공진 주파수가 1개 있습니다.결합된 진자 공명 변압기와 같이 2개의 자유도를 가진 시스템은 2개의 공명 주파수를 가질 수 있습니다.N개의 원자가 결합되어 있는 결정 격자는 N개의 공진 주파수를 가질 수 있다.결합된 고조파 발진기의 수가 증가함에 따라, 한 곳에서 다음 곳으로 에너지를 전달하는 데 걸리는 시간이 길어집니다.진동은 결합된 고조파 발진기를 통해 하나의 발진기에서 다음 발진기로 전파되기 시작합니다.

공진기라는 용어는 진동자가 공진기의 측면 사이를 거의 일정한 속도로 왔다 갔다 하면서 전파가 전달되는 균질한 물체에 가장 많이 사용됩니다.파동이 흐르는 공진기의 물질은 수백만 개의 결합된 이동 부품(원자 등)으로 구성되어 있는 것으로 볼 수 있습니다.따라서 실제 공진기에는 몇 개만 사용되더라도 수백만 개의 공진 주파수를 가질 수 있습니다.반대로 움직이는 파동은 서로 간섭하고, 그 공명 주파수에서 서로 보강하여 공명기에 정재파의 패턴을 형성합니다.양측의 거리가 d인 경우 왕복길이는 로 공진을 일으키려면 왕복 사인파의 위상이 초기 위상과 동일해야 파동이 자기반력을 일으킨다.공진기의 공진 조건은 왕복 거리 가 파장의 정수(\ 같다는 것입니다.

파형의 속도가 c{\ c인 경우 주파수는 f c / { f이므로 공진 주파수는 다음과 같습니다.

따라서 일반 모드라고 불리는 공진기의 공진 주파수는 기본 주파수라고 불리는 가장 낮은 주파수의 등간격 배수(조파)입니다.위의 분석에서는 공진기 내부의 매체가 균질하다고 가정하고, 따라서 파장은 일정한 속도로 이동하며, 공진기의 형상은 직선이라고 가정합니다.공진기가 비균질적이거나 원형 드럼헤드나 원통형 마이크로파 캐비티와 같은 비직선형일 경우 공진 주파수는 기본 주파수의 등간격 배수로 발생하지 않을 수 있다.그런 다음 그것들은 고조파 대신 음조로 불린다.단일 공진기에는 여러 가지 공진 주파수가 있어 서로 다른 진동 모드에 대응할 수 있습니다.

전자기학

공진 회로

인덕터와 캐패시터를 모두 포함하면 이산 부품으로 이루어진 전기회로가 공진기로서 기능할 수 있다.진동은 특정 저항 구성 요소를 통한 저항 포함 또는 인덕터 권선의 저항으로 인해 제한됩니다.이러한 공진회로는 컴포넌트의 회로기호의 이름을 따서 RLC회로라고도 불립니다.

분산 파라미터 공진기에는 캐패시턴스, 인덕턴스 및 저항이 있으며, 이러한 저항은 별도의 일괄 캐패시터, 인덕터 또는 저항으로 분리할 수 없습니다.필터링에 많이 사용되는 예로는 헬리컬 공진기를 들 수 있습니다.

와이어코일로 이루어진 인덕터는 회전간의 기생용량에 의해 일정한 주파수로 자기공진한다.이는 RF회로에 기생 발진을 일으킬 수 있는 바람직하지 않은 영향인 경우가 많습니다.인덕터의 자기 공진은 테슬라 코일과 같은 몇 가지 회로에서 사용됩니다.

공동 공진기

캐비티 공진기는 금속 상자나 금속 블록 내의 캐비티와 같은 중공 폐쇄 도체로 캐비티 벽 사이를 앞뒤로 반사하는 전자파(전파)를 포함합니다.캐비티의 공명 주파수 중 하나의 전파원이 적용되면 반대 방향으로 움직이는 파동이 정파파를 형성하고 캐비티는 전자파 에너지를 저장합니다.

캐비티의 가장 낮은 공진 주파수인 기본 주파수는 캐비티의 폭이 반파장(θ/2)과 동일한 주파수이므로 캐비티 공진기는 마이크로파 주파수 이상에서만 사용되며, 파장이 충분히 짧아서 캐비티가 크기가 작습니다.

캐비티 공진기는 도전벽의 저항이 낮기 때문에 Q계수가 매우 높습니다.즉, 대역폭, 즉 공진주파수 주변의 주파수 범위는 매우 좁습니다.따라서 좁은 대역 통과 필터 역할을 할 수 있습니다.캐비티 공진기는 마이크로파 발진기의 주파수 결정 소자로 널리 사용되고 있다.공명 주파수는 공동 벽 중 하나를 안이나 밖으로 움직여 크기를 변경함으로써 조정할 수 있습니다.

캐비티 공진기에서 가능한 모드 중 하나의 전기장과 자기장의 그림.

캐비티 마그네트론

캐비티 마그네틱론은 진공 상태의 튜브로, 진공 상태의 로브 형태의 원형 캐비티 공진기 중앙에 필라멘트가 있습니다.영구 자석에 의해 수직 자기장이 인가된다.자기장은 챔버의 (상대적인) 양의 외부 부분에 끌리는 전자를 이 양극으로 직접 이동하지 않고 원형 경로로 바깥쪽으로 나선형으로 이동시킵니다.챔버의 테두리 주위에 원통형 공동이 있습니다.충치는 길이를 따라 열려 있기 때문에 공통의 충치 공간과 연결되어 있습니다.전자가 이러한 개구부를 스쳐 지나가면 공명하는 고주파 전파장이 캐비티에 유도되어 전자가 그룹으로 묶이게 됩니다.이 필드의 일부는 도파관(통상 직사각형 단면의 금속관)에 접속된 짧은 안테나로 추출된다.도파관은 추출된 RF 에너지를 부하로 유도하며, 이는 전자레인지의 조리실 또는 레이더의 경우 고이득 안테나일 수 있습니다.

클라이스트론

튜브 도파관인 클라이스트론은 구멍이 뚫린 공동 공진기를 두 개 이상 포함하는 빔 튜브입니다.하전 입자의 빔은 공진기의 개구부, 종종 조정 가능한 파동 반사 그리드를 연속해서 통과합니다.공진기를 통과한 후 빔을 차단하기 위한 컬렉터 전극을 마련한다.첫 번째 공명기는 그것을 통과하는 입자들의 뭉치를 일으킨다.다발 입자는 더 다발이 발생하는 전장이 없는 영역을 이동하며, 다발 입자는 두 번째 공진기로 들어가 에너지를 방출하여 진동으로 자극합니다.구조 구성에 따라 특별히 조정된 공동과 함께 작동하는 입자 가속기입니다.

반사 클라이스트론은 하전 입자의 빔이 먼저 한 방향으로 통과하는 단일 구멍 공동 공진기만을 사용하는 클라이스트론입니다.리피터 전극은 공진기를 통과하는 빔을 다른 방향으로 공진기를 통해 적절한 위상으로 밀어내기(또는 방향 변경)하여 공진기에 설정된 진동을 보강한다.

Australian Synchrotron의 Linac에 있는 RF 공동은 전자 을 가속하고 묶는 데 사용됩니다. Linac은 공동 중앙을 통과하는 튜브입니다.

입자 가속기에서의 응용

가속기 시스템의 라인에는 무선 주파수(RF) 방사선의 공동 공진기인 특정 섹션이 있습니다.가속될 (충전된) 입자는 마이크로파 전기장이 입자에 에너지를 전달하여 운동 에너지를 증가시키고 가속시키는 방식으로 이러한 공동을 통과합니다.몇몇 대형 가속기 시설에서는 금속(구리) 캐비티에 비해 성능이 향상되도록 초전도 니오브 캐비티를 사용합니다.

루프갭 공진기

루프갭 공진기(LGR)는 도체 튜브의 길이에 따라 좁은 슬릿을 절단하여 제작됩니다.슬릿에는 유효 캐패시턴스가 있고 공진기의 보어는 유효 인덕턴스가 있습니다.따라서 LGR은 RLC 회선으로 모델링할 수 있으며 일반적으로 200MHz ~2GHz의 공진 주파수를 가집니다.방사손실이 없는 경우 LGR의 유효저항은 공진기를 만드는 데 사용되는 도체의 저항률 및 전자피부 깊이에 의해 결정된다.

LGR의 주요 장점 중 하나는 공진 주파수에서 치수가 전자장의 자유 공간 파장에 비해 작다는 것입니다.따라서 LGR을 사용하여 공동 공진기가 실용적으로 클 수 있는 비교적 낮은 주파수에서 작동하는 소형 고Q 공진기를 구성할 수 있습니다.

유전체 공진기

유전율이 큰 물질이 유전율이 훨씬 낮은 물질로 둘러싸여 있는 경우, 이 유전율이 갑자기 변화하면 전자파가 구속되어 캐비티 [1]공진기와 같은 작용을 하는 공진기가 발생할 수 있다.

전송선 공진기

전송선은 예를 들어 라디오 또는 마이크로파 주파수로 전자파를 광대역으로 전송할 수 있는 구조이다.전송 라인의 임피던스가 갑자기 변화하면(예: 개방 또는 단락), 전송 신호의 반사가 발생합니다.이러한 전송로상의 2개의 리플렉터는 이들 사이에 정재파를 발생시켜 1차원 공진기로서 그 거리와 전송로의 [1]유효 유전율에 의해 공진 주파수가 결정된다.일반적인 형태는 공진 스터브입니다.이것은 단락 또는 단선으로 종단되는 전송선의 길이이며, 주 전송선과 직렬 또는 병렬로 연결됩니다.

평면 전송선 공진기는 보통 코플라, 스트리플라인 및 마이크로스트립 전송선에 사용됩니다.이러한 평면 전송선 공진기는 크기가 매우 작을 수 있으며 마이크로파 회로에서 널리 사용되는 소자입니다.극저온 고체 연구에서 초전도 전송선 공명기는 고체 분광학 및 양자 정보 [3][4]과학에 기여합니다.

광학 공동

레이저에서 빛은 보통 2개 이상의 거울로 구성된 공동공진기로 증폭된다.따라서 공진기로도 알려진 광학 공동전자파(, 빛)를 반사하는 벽이 있는 공동입니다.이를 통해 정재파 모드를 거의 손실 없이 유지할 수 있습니다.

기계

기계식 공진기는 정확한 주파수의 신호를 생성하기 위해 전자회로에 사용됩니다.예를 들어, 일반적으로 석영으로 만들어진 압전 공진기가 주파수 기준으로 사용됩니다.일반적인 설계는 고주파 어플리케이션의 경우 직사각형 플레이트 모양 또는 저주파 어플리케이션의 경우 음차 모양으로 석영 조각에 부착된 전극으로 구성됩니다.석영은 높은 치수 안정성과 낮은 온도 계수로 공진 주파수를 일정하게 유지할 수 있습니다.또한 석영의 압전 특성은 기계적 진동을 진동 전압으로 변환하고, 이 전압은 부착된 전극에 의해 포착됩니다. 수정 발진기는 컴퓨터를 실행하는 클럭 신호를 생성하고 무선 송신기의 출력 신호를 안정시키기 위해 석영 시계와 시계에서 사용됩니다.기계적 공진기를 사용하여 다른 매체에 정재파를 유도할 수도 있습니다.예를 들어 캔틸레버 빔에 베이스 들뜸을 가함으로써 다자유도 시스템을 작성할 수 있다. 경우 정재파가 [5]빔에 가해진다.이러한 유형의 시스템은 파이버의 공진 주파수 또는 위상의 변화를 추적하는 센서로 사용할 수 있습니다.하나의 애플리케이션은 치수 도량형 [6]측정 장치로 사용됩니다.

음향

음향 공진기의 가장 친숙한 예는 악기에 있다.모든 악기에는 공명기가 있습니다.실로폰의 나무 막대, 드럼의 머리, 현악기의 현악기, 오르간 파이프 등 직접 소리를 내는 것도 있다.어떤 사람들기타나 바이올린의 사운드 박스와 같이 특정한 주파수를 높여 소리를 변형시킨다.오르간 파이프, 목관 악기 본체, 현악기의 사운드 박스 등이 음향 공동 공진기의 예입니다.

자동차

배기 공진기를 장착한 스포츠 오토바이로 성능 향상

자동차 배기 시스템의 배기 파이프는 소음기와 함께 음파를 "서로 상쇄"[7]시켜 소음을 줄이는 음향 공진기로 설계되었습니다."배기량 메모"는 일부 차량 소유자에게 중요한 기능이기 때문에 원래 제조업체와 애프터마켓 공급업체 모두 공진기를 사용하여 사운드를 개선합니다.성능을 위해 설계된 "튜닝된 배기" 시스템에서는 배기 파이프의 공진을 사용하여 특정 엔진 속도 또는 [8]속도 범위에서 연소실에서 연소 생성물을 제거할 수도 있습니다.

타악기

많은 키보드 타악기에서는 각 음의 중앙 아래에 음향 공동 공진기인 튜브가 있습니다.튜브의 길이는 음의 피치에 따라 달라지며, 음이 높을수록 공진기가 짧아집니다.튜브는 상단 끝부분에서 열리고 하단 끝부분에서 닫히며, 음이 울릴 때 공명하는 공기 기둥이 생성됩니다.그러면 노트에 깊이와 볼륨이 추가됩니다.현악기에서 악기의 본체는 공진기입니다.비브라폰트레몰로 효과는 공진기를 개폐하는 메커니즘을 통해 달성됩니다.

현악기

도브로풍 공명기타

블루그래스 밴조와 같은 현악기에도 공명기가 있을 수 있다.많은 5현 밴조에는 분리 가능한 공명기가 있어서 연주자들은 블루그래스 스타일의 공명기를 사용하거나 포크 음악 스타일의 공명기를 사용하지 않을 수 있다.레조네이터라는 용어는 레조네이터 기타를 의미할 수도 있습니다.

나르시소 예페스에 의해 발명된 현대의 10현 기타는 전통적인 클래식 기타에 4개의 공감적인 현악 공명기를 더한다.이러한 공진기를 매우 특정한 방식으로 조율하고(C, B♭, A♭, G♭), 가장 강한 부분(현악의 기본 음의 옥타브와 5분의 1에 해당)을 사용함으로써 기타의 베이스 현은 이제 12개의 색 옥타브 중 어느 음과도 동일하게 공진할 수 있다.기타 공진기는 전자장에 의해 기타 현악 고조파를 구동하는 장치입니다.이 공명 효과는 피드백 루프에 의해 발생하며 기본 톤인 옥타브, 5번째, 3번째를 무한 지속으로 구동하는 데 적용됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스 및 메모

  1. ^ a b 데이비드 포자르, 마이크로파 엔지니어링, 제2판, 뉴욕, 뉴욕, 1998년
  2. ^ D. Hafner; et al. (2014). "Surface-resistance measurements using superconducting stripline resonators". Rev. Sci. Instrum. 85 (1): 014702. arXiv:1309.5331. Bibcode:2014RScI...85a4702H. doi:10.1063/1.4856475. PMID 24517793. S2CID 16234011.
  3. ^ L. Frunzio; et al. (2005). "Fabrication and Characterization of Superconducting Circuit QED Devices for Quantum Computation". IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 15 (2): 860–863. arXiv:cond-mat/0411708. Bibcode:2005ITAS...15..860F. doi:10.1109/TASC.2005.850084. S2CID 12789596.
  4. ^ M. Göppl; et al. (2008). "Coplanar waveguide resonators for circuit quantum electrodynamics". J. Appl. Phys. 104 (11): 113904–113904–8. arXiv:0807.4094. Bibcode:2008JAP...104k3904G. doi:10.1063/1.3010859. S2CID 56398614.
  5. ^ M.B. Bauza; R.J Hocken; S.T Smith; S.C Woody (2005), "The development of a virtual probe tip with application to high aspect ratio microscale features", Review of Scientific Instruments, Rev. Sci Instrum, 76 (9) 095112, 76 (9): 095112–095112–8, Bibcode:2005RScI...76i5112B, doi:10.1063/1.2052027 를 클릭합니다.
  6. ^ "Precision Engineering and Manufacturing Solutions - IST Precision". www.insitutec.com. Archived from the original on 31 July 2016. Retrieved 7 May 2018.
  7. ^ "How Mufflers Work". howstuffworks.com. 19 February 2001. Archived from the original on 8 October 2005. Retrieved 7 May 2018.
  8. ^ Advanced Automotive Technology, 84페이지, Diane Publishing, ISBN 1428920021, 1995년 9월.

외부 링크

  • Wikimedia Commons의 공진기 관련 미디어