Генератор гельмгольца что это

Резонатор Гельмгольца – принцип (видео)

Не стоит путать резонатор Гельмгольца с наиболее часто встречающимся волновым резонатором – открытой полости в которой образуется стоячая волна на частоте зависящей от геометрических параметров камеры (этот принцип нередко используется в музыкальных инструментах). Неправильное понимание работы резонаторов обычно приводит к ошибочной интерпретации их возможного применения.

Обобщенно резонатор Гельмгольца можно представить как сосуд, снабженный горлышком – узким отростком или отверстием, через которое сосуд сообщается с окружающей средой.

Акустическая волна представляет собой периодические продольные волны сжатия и разрежения частиц среды, вызванные колебательными перемещением этих частиц вдоль направления распространения волны. Когда волна достигает резонатора она вызывает перемещения частиц в его горлышке. При перемещении среды, заполняющей горлышко, в одну и в другую сторону из-за воздействия внешней акустической волны, среда в сосуде испытывает сжатие и разрежение, и давление в ней изменяется. На открытом же конце горлышка давление все время остается неизменным (атмосферным — для резонатора Гельмгольца в воздухе). Разность давлений на концах горлышка ускоряет массу среды в горлышке. Ввиду узости горлышка скорость движения среды в нем велика по сравнению со скоростью среды внутри сосуда, так что кинетическая энергия сосредоточена в горлышке, несмотря на то, что фактическая масса среды в горлышке много меньше массы среды в сосуде. Упругая же энергия окажется сосредоточенной в среде внутри сосуда. Упругость системы обусловлена объемным сжатием внутри сосуда, а колеблющейся массой является среднее количество среды, которое колеблется внутри горлышка. Отличительная особенность такой системы состоит в том в том, что длина волны ее собственных колебаний значительно больше размеров самого резонатора.

Набор резонаторов с различными собственными (резонансными) частотами может применяться для анализа звука.

Длина волны на резонансной частоте не зависит от среды, заполняющей резонатор Гельмгольца, а только от его геометрических характеристик. Если вместо горлышка в стенке сосуда просто имеется малое отверстие, то скорость частиц в отверстии также будет повышена по сравнению со скоростью частиц в сосуде, так что можно считать, что кинетическая энергия сосредоточена в среде вблизи отверстия. Но движение среды в отверстии сложнее, чем движение в длинном горлышке: скорость имеет компоненту, как перпендикулярную к плоскости отверстия, так и-параллельную, и меняется также в обоих этих направлениях.

Резонатор Гельмгольца — препятствие, весьма сильно рассеивающее звук на своей резонансной частоте. Под действием первичной волны резонансной частоты резонатор приходит в интенсивные колебания и переизлучает в виде сферической волны монопольного типа такую же мощность, какая поступает к нему от падающей волны; это и есть рассеиваемая им энергия. На резонансной частоте давление в первичной волне синфазно со скоростью частиц в горлышке.

Иллюстрация в первой части видео:
Переизлучение энергии акустической волны резонатором Гельмгольца часто демонстрируют в качестве визуализации реального динамического воздействия. В первой части видео как раз реализован данный эксперимент. При совпадении частоты происходит активное движение частиц воздуха в горлышке бутылок, которое придает импульс и вызывает вращение конструкции. Движение частиц воздуха в горлышке хорошо заметно по движению дыма при замедленном воспроизведении.

При резонансной частоте ни объемная скорость, ни рассеиваемая мощность не зависят ни от конструкции, ни от размеров резонатора, но только от частоты. При наличии необратимых потерь в резонаторе он не только рассеивает, но и поглощает звуковую энергию. При наличии трения в горле резонатора в нём возникает сильное поглощение звука на собственной частоте. Это свойство, например, используется для создания резонансных звукопоглотителей в архитектурной акустике или инженерных системах.

Иллюстрация во второй части видео:
Продемонстрирована работа типичного глушителя шума в инженерных каналах. При открытии камеры, устроенной по типу резонатора Гельмгольца, свист, вызванный работой вентилятора, гасится. Это происходит при совпадении собственной частоты резонатора с частотой паразитного шума – колебания частиц воздуха во взаимоперпендикулярных направлениях (распространяющхся вдоль канала и возникающих в резонаторе перпендикулярно оси канала) снижает амплитуду звуковой волны.

Возможно возникновение и обратного явления. Если вызвать гармонические колебания воздуха в горлышке сосуда, то возникает звуковая волна на собственной частоте резонатора Гельмгольца.

Иллюстрация в третьей части видео:
Если с нужным углом и определенной скоростью равномерно дуть поперек горлышка бутылки, то можно вызвать характерный звук, тональность которого будет зависеть от соответствующих параметров сосуда. Движение дыма при замедленном воспроизведении показывает вызываемые колебания частиц воздуха.

Источник

Использование катушек Гельмгольца для генерации высокочастотных магнитных полей

Высокочастотные катушки Гельмгольца часто используются для генерации однородных, но изменяющихся во времени высокочастотных магнитных полей. Они востребованы во множестве приложений, например, для измерения степени восприимчивости устройств к внешнему магнитному полю, при калибровке приборов, а также в научных экспериментах. Для генерации требуемого магнитного поля при помощи катушек Гельмгольца необходим высокочастотный драйвер [1]. Поскольку плотность магнитного потока пропорциональна электрическому току, для генерации мощного магнитного поля необходим большой ток. Однако на высоких частотах импеданс катушки также становится высоким.

Для заданной амплитуды напряжения драйвера ток катушки обратно пропорционален ее импедансу. Таким образом, ток и частота являются двумя факторами, противоположно влияющими на величину магнитного поля. Получить высокочастотное магнитное поле очень сложно. В этой статье обсуждаются три способа получения мощного высокочастотного магнитного поля с помощью катушек Гельмгольца.

Введение в высокочастотные катушки Гельмгольца

Катушки Гельмгольца, названные в честь немецкого физика Германа фон Гельмгольца (Hermann von Helmholtz), состоят из двух идентичных параллельных электромагнитных катушек, центры которых зеркально, как показано на Рисунке 1, расположены на одной оси. Проходя через обе высокочастотные катушки Гельмгольца в одинаковом направлении, электрический ток создает между ними магнитное поле с высокой степенью однородности по всем трем измерениям. Такие катушки часто используются для нейтрализации фонового магнитного поля (поля Земли), при измерениях и калибровке, а также для испытания электронного оборудования на восприимчивость к магнитным полям.

Схема и конструкция катушек Гельмгольца

Высокочастотные катушки Гельмгольца состоят из двух катушек. Поскольку две магнитные катушки конструируются так, чтобы быть идентичными, при равенстве радиуса катушек расстоянию между ними образуется однородное магнитное поле. Две катушки соединены последовательно таким образом, чтобы их питал одинаковый ток, который создавал бы два одинаковых магнитных поля. При сложении два поля создают однородное магнитное поле в цилиндрическом объеме в центре пространства между двумя параллельными катушками.

Это однородное поле занимает объем пространства цилиндрической формы, имеющий радиус приблизительно равный 25% от радиуса катушки (R), и длину в 50% от расстояния между катушками. Высокочастотные катушки Гельмгольца могут быть одно-, двух- и трехкоординатными. Многокоординатные магнитные катушки генерируют магнитные поля во всех направлениях трехмерного пространства внутри пары Гельмгольца. Чаще всего высокочастотные катушки Гельмгольца имеют круглую форму. Распространены также квадратные катушки Гельмгольца.

Расчет магнитного поля катушек Гельмгольца

Каждая катушка Гельмгольца образована витками электрических (медных) проводов. Когда через них проходит электрический ток, генерируется магнитное поле. Плотность магнитного потока пропорциональна силе тока. Ниже приведено уравнение магнитного поля катушек Гельмгольца.

B – напряженность магнитного поля в теслах,
n – число витков катушки,
I – ток в амперах,
r – радиус катушки в метрах.

Из выражения (1) следует, что катушка меньшего радиуса генерирует магнитное поле большей напряженности. Кроме того, магнитное поле усиливается с увеличением числа витков каждой катушки.

Эквивалентная схема высокочастотных катушек Гельмгольца

Магнитное поле Гельмгольца генерируется с использованием как переменного, так и постоянного тока. В большинстве приложений с катушками Гельмгольца используется постоянный ток, создающий статическое (постоянное) магнитное поле. В некоторых случаях, например, в научных экспериментах, требуются нестатические магнитные поля с высокими частотами (от кГц до МГц). Эта статья в основном посвящена обсуждению высокочастотных катушек Гельмгольца.

Пара высокочастотных катушек может быть представлена в виде эквивалентной схемы, показанной на Рисунке 2. Каждая катушка моделируется последовательной цепочкой из паразитного резистора и идеальной индуктивности. Как правило, сопротивление паразитного резистора мало. Этой модели достаточно для большинства применений высокочастотных катушек Гельмгольца, в которых испытательная частота значительно ниже частоты собственного резонанса.

Если рабочая частота катушки Гельмгольца достаточно близка к частоте собственных колебаний, в эквивалентную схему цепи необходимо также включать ее паразитные емкости (C_P1 и C_P2). Паразитные конденсаторы параллельны каждой паре последовательно соединенных индуктивности и резистора, как показано на Рисунке 3.

Частоту собственных колебаний определяют паразитная емкость и индуктивность. Хотя катушки конструируются таким образом, чтобы быть настолько одинаковыми, насколько это возможно, тем не менее, определенные небольшие различия неизбежны. Каждая катушка имеет собственные значения последовательного сопротивления и паразитной емкости.

Схемы подключения высокочастотных катушек Гельмгольца

Высокочастотные катушки Гельмгольца могут быть включены последовательно (Рисунок 2) или параллельно, как показано на Рисунке 4. Последовательное включение гарантирует равенство токов, протекающих через обе магнитные катушки. Обычно последовательное соединение позволяет обеспечить наибольший ток и, таким образом, получить наибольшее магнитное поле. Однако при последовательном включении также удваивается общий импеданс. Более высокий импеданс может потребовать более высокого напряжения источника сигнала. Снизить импеданс можно, используя описанные ниже резонансные технологии.

Преимуществом параллельного соединения катушек Гельмгольца является более низкий импеданс. Фактически импеданс сокращается наполовину, однако сила тока также снижается вдвое, так как ток разделяется на две катушки. Соответственно, уменьшается магнитное поле. Параллельное соединение допустимо, если для достижения требуемой плотности мощности магнитного поля достаточно половинного тока, и если требуется низкий импеданс, например, в случае низковольтного источника сигнала. Более подробно об импедансе катушек Гельмгольца рассказывается ниже в разделе, описывающем метод прямого управления.

Управление высокочастотными катушками Гельмгольца

Существуют три способа получения высокочастотного магнитного поля. Первый из них – метод прямого управления. Это простейший способ получения магнитного поля для экспериментов. Он позволяет очень легко изменять частоту и магнитное поле в процессе экспериментов. Второй метод – последовательно-резонансный. Такой метод – эффективен для получения мощного магнитного поля и очень высокой частоты – порядка сотен кГц, или даже МГц. Третий путь основан на использовании нового метода резонансного усиления тока. Этот метод позволяет генерировать магнитное поле с наибольшей плотностью. В последующих разделах будет описана каждая технология.

Метод прямого управления

Если эксперимент проводится на низких частотах, или катушки имеют малую индуктивность, или имеют место оба фактора, катушки Гельмгольца могут управляться напрямую с использованием усилителя сигналов генератора, такого как прибор TS250, выпускаемый компанией Accel Instruments. В силу низкой частоты или малой индуктивности импеданс катушки достаточно мал, чтобы она могла возбуждаться усилителем напрямую, как показано на Рисунках 5 и 6.

I – пиковый ток,
w – угловая частота, w = 2pf,
L₁ + L₂ – общая индуктивность,
R₁ + R₂ – общее сопротивление.

Для вычисления тока катушки, необходимого для генерации заданного магнитного поля, используется выражение (1). Далее при помощи выражения (2) вычисляется максимальное необходимое напряжение. Обратите внимание, что небольшое паразитное сопротивление игнорируется. Напряжение максимально, когда максимальны и ток, и частота. И, наконец, нужно подключить к катушкам Гельмгольца источник сильноточного высокочастотного сигнала, который можно сформировать, например, с помощью усилителя TS250.

Метод последовательного резонанса

Если частота генерируемого магнитного поля высока, импеданс катушек Гельмгольца возрастает с частотой (Z = jwL). На высокой частоте импеданс катушки становится очень высоким, поэтому для получения большого тока катушки требуется очень высокое напряжение. Скажем, на частоте 200 кГц импеданс катушки с индуктивностью 2 мГн составит 2512 Ом. Например, если вы питаете катушку напряжением 40 В, то сможете получить примерно 16 мА (40 В/2512 Ом = 16 мА). Чтобы получить необходимое магнитное поле, для большинства приложений такого тока будет недостаточно. Для приложений с мощным магнитным полем требуется пропускать через катушку более сильный ток. Однако для того, чтобы через катушку пошел ток 2 А, к ней необходимо приложить напряжение 5024 В! Генерировать 5 кВ на частоте 200 кГц не так-то просто.

При необходимости получения большого тока и высокочастотного магнитного поля можно рекомендовать последовательный резонансный метод.

Для работы высокочастотных катушек Гельмгольца в резонансном режиме в схему добавляется последовательный конденсатор, как показано на Рисунке 7. Знак импеданса этого конденсатора противоположен по отношению к катушке. Таким образом, конденсатор выступает в роли устройства компенсации импеданса. На резонансной частоте реактивное сопротивление конденсатора (мнимая часть импеданса) полностью компенсирует реактивное сопротивление катушки. То есть, реактивные сопротивления катушки и конденсатора имеют одинаковую величину и противоположные знаки.

Остается только паразитное сопротивление катушки индуктивности. Теперь, когда протеканию тока препятствует лишь резистивная компонента импеданса, усилитель сигналов генератора (TS250) может прокачивать через катушки Гельмгольца (LCR-схема) большой ток даже на высокой частоте. Этот метод дает возможность усилителю сигнала отдавать высокочастотным катушкам бóльший ток, но применим он только в очень узком диапазоне вблизи резонансной частоты. Недостатком резонансного метода является необходимость пересчета емкости конденсатора при каждом изменении частоты.

Расчет частоты последовательного резонанса катушек Гельмгольца дан в выражении (3). Последовательная емкость CS вычисляется на основании выражения (4). Напряжение на последовательном конденсаторе можно рассчитать с помощью выражения (2). При высокой частоте и большом токе это напряжение может достигать тысяч вольт. Например, если через высокочастотную катушку Гельмгольца, имеющую индуктивность 2 мГн, пропускать ток 1 А с частотой 200 кГц, напряжение на конденсаторе составит 2512 В! Конденсатор должен быть рассчитан, как минимум, на это напряжение.

Осторожно: опасность поражения электрическим током

Обсуждавшиеся выше сильноточные (электромагнитные) катушки Гельмгольца, могут накапливать достаточно энергии, чтобы создать угрозу поражения электрическим током. Убедитесь, что все электрические соединения изолированы с использованием высоковольтных материалов. Соответствующие напряжения должны выдерживать и соединительные провода. Перед подключением или отключением катушки и конденсатора всегда отсоединяйте выход усилителя сигналов генератора.

Метод резонансного усиления тока

Еще один резонансный метод, еще более мощный, чем последовательный, называется резонансным усилением тока. Этот недавно открытый метод может увеличить ток катушек Гельмгольца в два раза. Он позволяет получить ток катушки, равный удвоенному току усилителя сигналов генератора. Следовательно, резонанс усиливает ток и магнитное поле. Более подробную информацию об этом недавно открытом методе можно найти в указаниях по применению генератора высокочастотных магнитных полей [2].

Рисунок 8 показывает включение катушек Гельмгольца при использовании резонансного усиления тока. Для этого необходимы два конденсатора одинаковой емкости. Один конденсатор подключается последовательно с катушками, так же, как в рассмотренной выше схеме последовательного резонанса, а второй – параллельно двум катушкам. Влияние параллельного конденсатора аналогично паразитным конденсаторам, рассмотренным выше в описании эквивалентной схемы катушек Гельмгольца.

Резонансная частота вычисляется по формулам (5) или (6). Емкости двух конденсаторов находятся из выражения (7). На частоте резонанса импеданс катушек Гельмгольца имеет чисто резистивный характер и в четыре раза превышает паразитное сопротивление. Катушки, которые должны использоваться в схеме резонансного усиления тока, желательно конструировать так, чтобы их сопротивление было как можно более низким. Также следует иметь в виду, что из-за скин-эффекта сопротивление катушек переменному току больше, чем постоянному.

Заключение

Были рассмотрены три метода управления высокочастотными катушками Гельмгольца. Простейшим является метод прямого управления, но в общем случае он применим только для низких частот или малых индуктивностей. Метод последовательного резонанса дает возможность пропускать через катушки Гельмгольца большой ток и получать высокочастотное магнитное поле. А новый метод резонансного усиления тока позволяет создавать еще более сильные магнитные поля, даже на высоких частотах.

Ссылки

Перевод: Vasa Shmidt по заказу РадиоЛоцман

Источник