پدیده رزونانس یا تشدید در زندگی روزمره ما هم بارها به چشم خورده است، حتی اگر ندانیم علت آن چیست؟
لرزش شیشه های پنجره در اثر پخش شدن یک صدای بلند، حرکت یک آونگ یا پاندول ساعت و… همگی در اثر تشدید رخ می دهند. در این مقاله سعی داریم در ابتدا با مفهوم علمی این پدیده و سپس با کاربردها و مدارهای آن آشنا شویم.
تعریف رزونانس (Resonance)
پدیده رزونانس یا طنین انداز همان دلیلی است که وقتی شخصی در حمام آواز می خواند بسیار از صدای خود لذت می برد در حالی که ممکن است کسانی که در بیرون حمام صدای او را می شنوند به اندازه خودش از آن صدا خوششان نیاید.
پخش شدن امواج صوتی در فضای حمام هم باعث گوش نوازی آن می شود و هم باعث می شود تا فشار کمتر به دستگاه تولید صدای انسان وارد شود. فرکانس معمولی ارتعاشی که بر مبنای پارامترهای فیزیکی جسم ارتعاشی تعیین می شود را فرکانس تشدید یا رزونانس می گوییم. این فرکانس در تمام زیرشاخه های علوم مانند فیزیک، مکانیک، الکتریسیته و مغناطیس و حتی در حوزه فیزیک جدید نیز کاربرد دارد.
به بیان ساده تر تمایلی که هر سیستم مکانیکی در برخی از فرکانس‌ها دارد تا با بیشترین دامنه ممکن نوسان کند را رزونانس (تشدید) و به این فرکانس‌ها، فرکانس رزونانس (فرکانس تشدید) گفته می‌شود. به بیان دیگر فرکانس تشدید همان فرکانس طبیعی سیستم است.
رفتاری که سیستم در فرکانس رزونانس (یا نزدیک آن) از خود نشان می دهد با رفتار سیستم در فرکانس‌های دیگر متفاوت است. آنچه سبب می شود تا با ارتعاش ضعیف در یک جسم، ارتعاش قوی تر در جسم دیگری به وجود بیاید همان پدیده رزونانس است.
یکی از ساده ترین آزمایشات فیزیکی که می توان به وسیله آن درک مفهوم رزونانس را ملموس تر و آسان تر نمود، آزمایش مربوط به حرکت آونگ است که در ادامه اشاره کوتاهی به آن خواهیم کرد.
آونگ بارتون
در این نوع از آزمایش یک گوی فلزی کوچک نسبتا سنگین که به نخ وصل شده است را به همراه تعدادی آونگ سبک تر (هر وسیله مخروطی شکل سبکی مانند لیوان های یکبار مصرف) با طول های متفاوت و همانند آونگ از نخ افقی آویزان می کنیم.
وقتی آونگ گوی فلزی (آونگ وادارنده) را به نوسان در می آوریم تنها می توانیم آونگ های دیگری که هم طول آن هستند را به نوسان در می آوریم و سایر آونگ ها با طول متفاوت تنها نوسان جزئی خواهند داشت.
دامنه نوسان همه آونگ هایی که طول یکسانی با آونگ وادارنده ندارند، کوچک است در حالی که دامنه نوسان آونگ های که طول آن با طول آونگ وادارنده یکسان است به علت تشدید، بزرگ می شود. حالا که با مفهوم رزونانس آشنا شدید بهتر است با هم بررسی کنیم که تشدید در مدارات الکترونیکی چطور به وجود می آید و چه فواید و یا عیوبی در پی خواهد داشت.
پدیده رزونانس در مدارات الکتریکی
در مدارات الکترونیکی که از یک خازن با خاصیت خازنی C و سیم پیچی با خاصیت القای L و هم چنین از یک مقاوت R تشکیل شده است در شرایط خاص، کمیات ولتاژ و جریان مدار برای دراز مدت از مقادیر قابل ملاحظه ای برخوردار می باشند. به این مدار ساده در اصطلاح RLC می گویند و به این دلیل که این پارامترها بسیار به تغییرات فرکانس وابسته هستند کاربرد گسترده ای در نوسان سازها و مدارات مخابراتی دارند و معمولا برای تحلیل حالت تشدید مدار نیز از آنها استفاده می شود.
در این نوع مدار اگر منبع تغذیه متصل، قابل تنظیم باشد و
بتوانیم فرکانس آن را تغییر دهیم، در نتیجه این افزایش ولتاژ سبب تغییر در میزان جریان شده که این افزایش جریان با توجه به وجود خازن C و خاصیت القای L، از بروز پدیده موسوم به رزوناس (تشدید) ناشی می‌شود. با به وجود آمدن رزونانس در مدار، شاهد رفتارهای متفاوتی در مدار خواهیم بود که در ادامه توضیح داده شده است.
مفاهیم اولیه روزنانس
۱)فرکانس تشدید
مداری که فرکانس آن به حدی می رسد که پدیده تشدید در آن رخ دهد و سوسپتانس آن صفر می شود را مدار تشدید می گوییم. فرکانسی که سبب شده تا مدار در حالت تشدید قرار بگیرد را فرکانس تشدید می گوییم.
۲) سوسپتانس
میزان سهولت در تغییر جریان یا ولتاژ مدار را نشان می‌دهد و
میزان آن با معکوس کردن راکتانس حاصل می شود و با B نمایش داده می شود.
۳) ادمیتانس
Y=G+jB یا رسانایی، که معکوس امپدانس می باشد و واحد آن “مو” یا “مهو” هست.
۴) امپدانس
آن را با نماد Z نشان می‌دهند، مقاومت مدار در برابر شارش یا عبور الکترون‌ها (جریان الکتریکی) است. در مدارات تشدید با تغییر دادن فرکانس مدار، مقدار ادمیتانس تغییر می کند و می توان منحنی تغییرات ادمیتانس را نسبت به فرکانس رسم کرد. مدارهای تشدید را در دو نوع مدارهای تشدید سری و مدارهای تشدید موازی می توان دسته بندی کرد.
۳) مدار تشدید موازی
در مدارهای تشدید موازی ادمیتانس تشدید برابر با مقدار حقیقی آن و مقاومتی خالص است و ترکیب خازن و سلف در این نوع از مدارهای تشدید مانند یک مدار باز عمل می کند. تغییرات اندازه امپدانس Z با تغییر فرکانس در مدارها قابل ملاحظه است، به طوری که در فرکانس تشدید به بیشترین میزان خود می رسد. مقدار Z در حالت تشدید مقاومتی خالص است.
از دیگاه الکترونیک، در حالت تشدید موازی تمام جریان منبع از مقاومت ها عبور می کند و جمع جریان های سلف و خازن مدار صفر می باشد و می توان گفت که جریان سلف برابر با جریان ورودی است.
۴) مدار تشدید سری
در مدار تشدید سری در صورت تغییر فرکانس و با فرض ثابت بودن ولتاژ ورودی، با توجه به اینکه جریان و امپدانس ورودی باهم رابطه معکوس دارند، در فرکانس تشدید جریان ورودی بیشترین مقدار خود را داراست و ولتاژ خازن برابر با ولتاژ منبع خواهد بود. شاید برایتان جالب باشد بدانید که در حالت رزونانس، میزان جریان و ولتاژهای شاخه هایی از مدار می تواند بسیار بیشتر از جریان و ولتاژ منبع باشد، به عنوان نمونه در یک مدار تشدید سری با ورودی ولتاژ چند ولتی، ممکن است که ولتاژ دو سر سلف یا خازن پس از پدیده تشدید دارای دامنه ای در حدود چند صد ولت بشود.
شرط ایجاد تشدید
تاب خوردن کودکی را در نظر بگیرید. اگر کسی تاب را هل ندهد، نوسان تاب، نوسان آزاد است که بر اثر مقاومت هوا، مقداری از انرژی تلف می شود و سرانجام متوقف می شود. اما اگر شخصی در هر رفت و برگشت تاب یک نیروی دوره ای به کودک وارد کند، دیگر تاب نمی ایستد.
اگر نیروی دوره ای که به سیستم وارد می شود، بسامدی داشته باشد و این بسامد برابر با بسامد طبیعی سیستم داشته باشد (fd=f۰)، اصطلاحا می گویند برای نوسانگر پدیده تشدید (رزونانس) رخ داده است. در این حالت دامنه نوسان بزرگ تر می شود. اگر بسامد نیروی وارد شده بیشتر و یا کمتر از بسامد طبیعی سیستم باشد، دامنه نوسان کمتر از حالتی است که بسامد نیرو برابر با بسامد طبیعی سیستم باشد. مثلا در مثال هل دادن تاب، اگر بسامد هل دادن برابر با بسامد طبیعی سیستم باشد یعنی مثلا هر بار که تاب به بیشترین ارتفاع خود می رسد، نیرو وارد شود، دامنه نوسان تاب بیشتر و بیشتر می شود.
مزایای پدیده رزونانس
پدیده رزوانانس یا تشدید، همیشه اتفاق بدی به حساب نمی‌آید. کودکی را در نظر بگیرید که سوار تاب است و کسی هم او را هل نمی‌دهد. کودک شروع به تاب دادن خودش به سمت عقب و جلو می‌کند. اگر این کار را با بسامد درستی انجام دهد، پس از مدت کوتاهی، تاب با دامنه زیاد در حال جلو و عقب رفتن خواهد بود. به این نکته توجه کنید که نیرویی که کودک در این فرآیند مصرف می‌کند، کوچک است. ولی نتیجه این عمل، دامنه‌های بزرگی را تشکیل می‌دهد.
به عنوان مثالی دیگر از این پدیده، پیچ تنظیم رادیو را در نظر بگیرید. با چرخاندن پیچ تنظیم، در واقع در حال تغییر بسامد طبیعی مدار الکتریکی رادیو هستیم. هنگامی که این بسامد طبیعی با بسامد ایستگاه رادیویی مورد نظر یکسان شود، جذب انرژی به مقدار بیشینه می‌رسد و فقط صدای همان ایستگاه رادیویی را خواهیم شنید.
معایب پدیده رزونانس
در سوی مقابل، تشدید آثار مخرب بسیاری دارد. هنگامی که زلزله رخ می‌دهد، برخی ساختمان‌ها فرو می‌ریزند. در حالی که برخی دیگر از ساختمان‌ها پابرجا مانده‌اند. یکی از عوامل تعیین کننده در این فروپاشی، بسامد تشدید یا بسامد طبیعی ساختمان است. اگر بسامد ارتعاش زمین با بسامد طبیعی ساختمان یکی شود، ساختمان بیشترین دامنه نوسان و شدیدترین خسارت را تجربه خواهد کرد. در سال ۱۹۴۰ میلادی پل تاکوما ناروز (Tacoma Narrows) در معرض بادی با سرعت ۶۴ کیلومتر در ساعت قرار گرفت. یکی بودن بسامد باد و بسامد طبیعی پل موجب افزایش دامنه نوسان پل و در نهایت، تخریب آن شد.
در این مطلب با پدیده رزونانس یا تشدید آشنا شدید برای مشاهده سایر مطالب مرتبط میتوانید به بخش گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.