Колебательный процесс в электротехнике и электронике, виды колебаний
Колебательный процесс — процесс, обладающий той или иной степенью повторяемости. Все колебательные процессы разделяются на 2 класса: периодические и непериодические. В теории пользуются еще промежуточные классом — почти периодические колебания.
Периодическим называется такой колебательный процесс, при котором характеризующая этот процесс величина, взятая в любой момент времени, через определенный отрезок времени Т имеет то же самое значение.
Функция f(t), являющаяся математическим выражением колебательного процесса, называется периодической с периодом Т, если она удовлетворяет условию f(t+T)=f(t).
Среди класса периодических колебательных процессов главную роль играют гармония, или синусоидальные колебания, при которых изменение физической величины со временем происходит по закону синуса или косинуса. Их общая запись имеет вид:
где a — амплитуда колебаний, φ — фаза колебаний, 1/ T = f — частота, а 2πf = ω — циклическая, или круговая частота колебаний.
Применение синусоидальных колебаний и их характеристики:
Почти периодическая функция, соответствующая прочти периодическим колебаниям определяется условием:
|f·(t+τ) — f(t)| , где ε — заданная величина при любом значении t .
Величина τ этом случае называется почти периодом. Если величина ε очень мала по сравнению со средним значением f(t) за время t , то почти периодическая функция будет близка к периодической.
Непериодические колебания гораздо разнообразнее периодических. Но чаще всего в автоматике приходится встречаться с затухающими или нарастающими синусоидальными колебаниями.
Колебания по закону затухающей синусоиды или, как их иногда называют, затухающие гармонические колебания можно представить в общем виде:
где t — время, А и φ — произвольные постоянные. Общая запись закона нарастающих гармонических колебаний отличается только знаком у коэффициента затухания δ [1/сек].
Рис.1 — колебательный процесс, рис. 2. — периодический процесс, рис. 3. — затухающие гармонические колебания, рис. 4. — нарастающие гармонические колебания.
Пример применения колебательного процесса — простейший колебательный контур.
Колебательный контур (электрический контур) — пассивная электрическая цепь, в которой могут происходить электрические колебания с частотой, определяемой параметрами самого контура.
Простейший колебательный контур состоит из емкости С и индуктивности L. При отсутствии внешнего воздействия в контуре могут происходить затухающие колебания с частотой f о = 1/2 π√ LC .
Амплитуда колебаний уменьшается, как e — δ t , где δ — коэффициент затухания. Если δ >= >=»2π f о , то затухающие колебания в контуре становятся не периодическими.
В радиоэлектронике качество колебательного контура определяется добротностью : Q=nf / δ . При воздействии на колебательный контур внешней периодической силы в нем возникают вынужденные колебания. Амплитуда вынужденных колебаний значительно возрастает у высокодобротных контуров, если частота внешнего воздействия близка к fo (резонанс). Колебательный контур является одной из главных частей в резонансных усилителях, генераторах и других электронных приборах.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
Электрические колебания: виды и характеристики, амплитуда, частота и фаза колебаний
Колебания — процессы, многократно повторяющиеся или приблизительно повторяющиеся через некоторые промежутки времени. Колебательные процессы широко распространены в природе и в технике.
В электротехнике и электронике приходится иметь дело с самыми разнообразными типами электрических колебаний, т. е. колебаний напряжений и токов в различных электрических цепях, а также с механическими колебаниями, например колебаниями мембран микрофонов или громкоговорителей.
Колебания, как процессы повторяющиеся, характеризуются, во-первых, наибольшими отклонениями, которых достигает колеблющаяся величина, или амплитудой колебаний, во-вторых, частотой, с которой происходят повторения одних и тех же состояний, или частотой колебаний, и, в-третьих, тем, какое именно состояние, какая фаза процесса соответствует моменту начала отсчета времени. Эта последняя характеристика колебательного процесса называется «начальной фазой» или для краткости просто «фазой».
Строго говоря, эти понятия применимы только к определенным типам колебаний, именно периодическим и, в частности, синусоидальным. Однако термины: амплитуда, частота и фаза, — обычно применяют в указанном выше смысле ко всяким вообще колебаниям (смотрите — Основные параметры переменного тока).
Характеристики колебаний (амплитуда, период, частота и фаза):
В зависимости от того, что происходит с амплитудой, различают колебания:
стационарные или незатухающие, амплитуда которых не меняется со временем ;
затухающие, амплитуда которых уменьшается со временем ;
нарастающие, амплитуда которых нарастает со временем ;
модулированные по амплитуде, амплитуда которых со временем то возрастает, то убывает.
В зависимости от того, как повторяются колебания со временем, различают колебания:
периодические, т. е такие, у которых все состояния повторяются точно через определенные промежутки времени ;
приблизительно периодические, при которых все состояния лишь приблизительно повторяются, например, затухающие или частотно-модулированные (т. е. колебания, частота которых все время изменяется в некоторых пределах около какого-то определенного значения).
синусоидальные (гармонические) или близкие к синусоидальным ;
релаксационные, форма которых существенно отличается от синусоидальных.
Наконец, по происхождению колебательного процесса различают:
собственные или свободные колебания, возникающие в результате происшедшего в системе толчка (или вообще нарушения равновесия системы) ;
вынужденные возникающие в результате длительного внешнего колебательного воздействия на систему, и автоколебания, происходящие в системе при отсутствии внешних воздействий, в силу способности самой системы поддерживать колебательный процесс в ней.
Электрические колебания — колебания силы тока, напряжения, заряда, происходящие в электрических контурах, цепях, линиях и т. д. Наиболее распространенным типом электрических колебаний является обычный переменный электрический ток, при котором в цепи периодически изменяется напряжение и сила тока. Они происходят с частотой 50 гц. Такие сравнительно медленные колебания получаются обычно при помощи электрических машин переменного тока.
Быстрые же колебания создаются при помощи специальных методов, среди которых в современной технике наибольшую роль играют электронные генераторы.
В зависимости от частоты принято делить электрические колебания на две группы — низкой частоты, частота которых ниже 15 000 гц, и высокой частоты, частота которых больше 15 000 гц. Граница эта выбрана потому, что колебания ниже 15 000 гц производят ощущение звука в человеческом ухе, колебаний же с частотой выше 15 000 гц человеческое ухо не слышит.
Колебательные системы — системы, в которых могут происходить собственные колебания.
Колебательный контур — контур, в котором могут происходить собственные электрические колебания, если в нем нарушено электрическое «равновесие», т. е. если в нем созданы начальные напряжения или токи.
Контур — вообще замкнутая электрическая цепь. Однако этот термин применяется также и к незамкнутые цепям, именно к антеннам. Для того чтобы различать эти два типа контуров, их называют соответственно замкнутыми и открытыми. Термин «контур» имеет иногда и более специальный смысл. Колебательный контур часто для краткости называют просто «контуром».
Для того чтобы в контуре могли возникать собственные колебания, он должен обладать емкостью и индуктивностью и не слишком большим сопротивлением. Частота собственных колебаний в контуре будет зависеть от величины емкости С и индуктивности L. Чем больше емкость и индуктивность, входящие в колебательный контур, тем меньше частота его собственных колебаний (подробнее смотрите здесь — Колебательный контур).
Частота собственных колебаний в контуре приближенно определяется т. н. формулой Томсона:
Т. к. всякий контур обладает сопротивлением, в котором происходят потери энергии и выделяется тепло, то собственные колебания в контуре всегда будут затухающими. Иначе говоря, колебательный контур возвращается к электрическому «равновесию» в результате затухающего колебательного процесса.
Если сопротивление контура очень велико, то он представляет собой апериодический контур, в котором собственные колебания не возникают. Созданные в таком контуре начальные напряжения и токи затухают, не испытывая колебаний, а монотонно. Иначе говоря, такой контур при нарушении электрического «равновесия» апериодически (т. е. без колебаний) возвращается к положению «равновесия».
Смотрите также по этой теме:
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Источник