Механический усилитель , или механический усилительный элемент, представляет собой механизм сцепления , который усиливает величину механических величин , таких как сила, перемещение, скорость, ускорение и крутящий момент в линейных и вращательных систем. [1] В некоторых приложениях механическое усиление, вызванное природой или непреднамеренным упущением в искусственных конструкциях, может иметь катастрофические последствия . При правильном использовании он может помочь усилить небольшие механические сигналы для практических приложений.
Никакая дополнительная энергия не может быть получена от любого данного механического усилителя из-за сохранения энергии . Заявления об использовании механических усилителей для вечных двигателей ложны либо из-за непонимания рабочего механизма, либо из-за простой мистификации. [2]
Универсальные механические усилители
Усилители в самом общем смысле - это промежуточные элементы, которые увеличивают амплитуду сигнала. [3] К ним относятся механические усилители, электрические / электронные усилители , гидравлические / гидравлические усилители , пневматические усилители, оптические усилители и квантовые усилители . Целью использования механического усилителя, как правило, является усиление механического сигнала, подаваемого в данный преобразователь, например зубчатые передачи в генераторах, или для увеличения механического выходного сигнала данного преобразователя, такого как диафрагма в динамиках и граммофонах .
Электрические усилители увеличивают мощность сигнала за счет энергии, подаваемой от внешнего источника. Обычно это не относится к большинству устройств, описываемых как механические усилители; вся энергия обеспечивается исходным сигналом, и нет усиления мощности. Например, рычаг может усилить смещение сигнала, но сила пропорционально уменьшается. Такие устройства более правильно описывать как трансформаторы , по крайней мере, в контексте механико-электрических аналогий . [4] [5]
Преобразователи - это устройства, которые преобразуют энергию из одной формы в другую, например из механической в электрическую или наоборот ; и механические усилители используются для повышения эффективности преобразования энергии из механических источников. Механические усилители в широком смысле можно разделить на резонирующие / колебательные усилители (например, диафрагмы) или нерезонансные / колебательные усилители (например, зубчатые передачи).
Резонирующие усилители
Любое механическое тело, которое не является бесконечно жестким (бесконечное демпфирование), может проявлять вибрацию при воздействии внешнего воздействия. Большинство вибрирующих элементов могут быть представлены системой масса-пружина-демпфер второго порядка, управляемой следующим дифференциальным уравнением второго порядка.
где x - смещение, m - эффективная масса, c - коэффициент демпфирования, k - жесткость пружины возвращающей силы , а F (t) - внешнее воздействие как функция времени.
«Механический усилитель - это, по сути, механический резонатор, который резонирует на рабочей частоте и увеличивает амплитуду вибрации преобразователя в месте расположения противоузла». [6]
Резонанс - это физическое явление, при котором амплитуда колебаний (выходного сигнала) со временем нарастает, когда частота внешнего воздействия (входного сигнала) находится вблизи резонансной частоты. Достигаемый таким образом выход обычно больше входного с точки зрения смещения, скорости или ускорения. Хотя резонансная частота обычно используется как синоним собственной частоты, на самом деле существует различие. Хотя резонанс может быть достигнут на собственной частоте, он также может быть достигнут в нескольких других режимах, таких как режимы изгиба. Следовательно, термин «резонансная частота» охватывает все полосы частот, в которых могут быть достигнуты некоторые формы резонанса; и это включает собственную частоту.
Прямые резонаторы
Все механические колебательные системы обладают собственной частотой f n , которая в своей основной форме представлена следующим образом.
Когда внешнее воздействие применяется непосредственно (параллельно плоскости колебательного смещения) к системе около частоты ее собственной частоты, тогда может быть достигнута основная мода резонанса . Колебательная амплитуда вне этой частотной области обычно меньше резонансного пика и входной амплитуды. Амплитуда резонансного пика и ширина полосы резонанса зависят от условий демпфирования и количественно оцениваются безразмерной величиной Q-фактора . Более высокие резонансные моды и резонансные моды в разных плоскостях (поперечной, поперечной, вращательной и изгибной) обычно запускаются на более высоких частотах. Конкретная частотная близость этих режимов зависит от природы и граничных условий каждой механической системы. Кроме того, при правильных граничных условиях также могут возбуждаться субгармоники, супергармоники или субсупергармоники каждой моды. [7]
«В качестве модели детектора мы отмечаем, что если вы повесите груз на пружине, а затем переместите верхний конец пружины вверх и вниз, амплитуда груза будет намного больше, чем амплитуда движения, если вы находитесь в резонансном состоянии. частота сборки массы и пружины. По сути, это механический усилитель, который может служить хорошим кандидатом на роль чувствительного детектора » [8].
Параметрические резонаторы
Параметрический резонанс - это физическое явление, при котором внешнее возбуждение на определенной частоте и обычно ортогонально плоскости смещения вводит периодическую модуляцию в один из параметров системы, что приводит к нарастанию амплитуды колебаний. Он регулируется уравнением Матье . Ниже приводится уравнение Матье с затуханием.
где δ - квадрат собственной частоты, а ε - амплитуда параметрического возбуждения.
Первый порядок или главный параметрический резонанс достигается, когда частота возбуждения / возбуждения в два раза превышает собственную частоту данной системы. Более высокие порядки параметрического резонанса наблюдаются либо на, либо на долях собственной частоты. Для прямого резонанса частота отклика всегда соответствует частоте возбуждения. Однако, независимо от того, какой порядок параметрического резонанса активирован, частота отклика параметрического резонанса всегда находится в окрестности собственной частоты. [9] Параметрический резонанс обладает способностью демонстрировать более высокое механическое усиление, чем прямой резонанс, при работе в благоприятных условиях, но обычно имеет более длительное нарастание / переходное состояние . [10]
«Параметрический резонатор представляет собой очень полезный инструмент, который был разработан рядом исследователей, отчасти потому, что параметрический резонатор может служить механическим усилителем в узкой полосе частот». [11]
Аналогия с качелями
Прямой резонанс можно сравнить с толчком ребенка на качелях. Если частота толкания (внешнего принуждения) соответствует собственной частоте системы детских качелей, может быть достигнут прямой резонанс. С другой стороны, параметрический резонанс заключается в том, что ребенок смещает собственный вес со временем (в два раза превышающую частоту собственной частоты) и наращивает колебательную амплитуду качелей без всякого толчка. Другими словами, происходит внутренняя передача энергии (вместо простого рассеивания всей доступной энергии), поскольку системный параметр (вес ребенка) модулируется и изменяется со временем.
Другие резонаторы / осцилляторы
Существуют и другие средства усиления сигнала, применимые как к механической, так и к электрической области. Сюда входят теория хаоса , стохастический резонанс и многие другие нелинейные или колебательные явления. Никакой новой энергии не создается. Однако за счет механического усиления большая часть доступного спектра мощности может использоваться с более оптимальной эффективностью, а не рассеиваться.
Нерезонирующие усилители
Рычаги и зубчатые передачи - это классические инструменты, используемые для достижения механического преимущества МА , которое является мерой механического усиления.
Рычаг
Рычаг может использоваться для изменения величины заданного механического сигнала, например силы или смещения. [1] Рычаги широко используются в качестве механических усилителей в исполнительных механизмах и генераторах. [12]
Это механизм, который обычно состоит из жесткой балки / стержня, закрепленной на шарнире. Рычаги уравновешены, когда есть баланс момента или крутящего момента вокруг оси. Существуют три основных классификации в зависимости от положения оси поворота, входных и выходных сил. Фундаментальный принцип рычажного механизма регулируется следующим соотношением, восходящим к Архимеду .
где F A - сила, действующая на точку A жесткой рычажной балки, F B - сила, действующая на точку B жесткой рычажной балки, а a и b - соответствующие расстояния от точек A и B до точки поворота.
Если F B - это выходная сила, а F A - входная сила, то механическое преимущество MA определяется отношением выходной силы к входной.
Зубчатая передача
Зубчатые передачи [13] обычно образуются за счет зацепления двух или более шестерен на раме с образованием трансмиссии . Это может обеспечивать поступательное движение (линейное движение) или вращение, а также механически изменять смещение , скорость , скорость , ускорение , направление и крутящий момент в зависимости от типа используемых шестерен, конфигурации трансмиссии и передаточного числа .
Механическое преимущество зубчатой передачи обеспечивается соотношением выходного крутящего момента T B и входного крутящего момента T A , которое также является одинаковым соотношением количества зубьев выходной шестерни N B и количества зубьев входной шестерни N. .
Следовательно, крутящий момент может быть увеличен, если количество зубьев выходной шестерни больше, чем у входной шестерни.
Отношение числа зубьев шестерни также связано со скоростями ω A и ω B шестерни следующим образом.
Следовательно, если количество зубьев выходной шестерни меньше, чем у входной, выходная скорость увеличивается.
Другие
Вышеупомянутые механические величины также могут быть усилены и / или преобразованы посредством комбинации вышеуказанных или других итераций систем механической передачи, таких как кривошипы , кулачок , усилители крутящего момента , механический компаратор, такой как Johansson Mikrokator, и многие другие.
Рекомендации
- ^ а б до н. э. Накра и К.К. Чаудри, (1985), «Приборы, измерения и анализ», издательство Tata McGraw-Hill Publishing, ISBN 0-07-048296-9 , стр. 153.
- ^ Мичио Каку (2009) Физика невозможного: научное исследование мира фазеров, силовых полей, телепортации и путешествий во времени, Penguin UK, Глава 14: Вечные двигатели.
- ^ BC Накра и К.К. Чаудри, (1985), Приборы, измерения и анализ, Tata McGraw-Hill Publishing, ISBN 0-07-048296-9 .
- ^ Сергей Владимирович Серенсен, Михаил Эрнестович Гарф, Василий Александрович Кузьменко, Динамика машины для испытаний на усталость , 148 , Израильская программа научных переводов, 1970
- ^ Лео Leroy Beranek, Тим Mellow, Акустика: звуковые поля и преобразователи , 76 , Academic Press, 2012 ISBN 0123914213 .
- ^ Y. Чжоу, (2008), Microjoining и nanojoining, Вудхед Publishing и Мэни Publishing, от имени Института материалов, минералов и горного дела, стр 186.
- ^ AA Shabana, (1996), Теория вибрации: Введение, Springer-Verlag Telos, Нью-Йорк, ISBN 9780387945248 .
- ^ Academic Press, (1969), Методы экспериментальной физики, том 8, проблемы и решения для студентов, Библиотека номер каталожной карточки конгресса: 69-13487, стр. 1.
- ^ Минорский Н. Нелинейные колебания . Krieger Publishing (июнь 1974 г.). ISBN 0882751867.
- ↑ EI Butikov (2005) Параметрический резонанс в линейном осцилляторе при прямоугольной модуляции, European Journal of Physics, Vol. 26, № 1, стр. 157-174.
- ^ А. Н. Клеланд, (2002), Основы наномеханики: от теории твердого тела до приложений устройств, Springer-Verlag Berlin и Heidelberg, стр. 321.
- ↑ W Bolton, (1991), Промышленный контроль и контрольно-измерительные приборы, Longman Group, ISBN 81 7371364 2 , стр. 80.
- ^ JS Рао и Р. Dukkipati, (1989), механизм и теория машина, New Age International: НьюДели, ISBN 81-224-0426-X , Глава 9.
Смотрите также
- Усилитель (значения)
- Устройство механического преимущества
- Резонатор