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.
Характеристики колебаний
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):
Виды колебаний
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).
Смотрите - Свободные затухающие и вынужденные колебания
-
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:
Индуктивно связанные колебательные контуры