Принцип работы резонатора: Устройство резонатора выхлопной системы — как правильно сделать машину тише?

Устройство резонатора выхлопной системы — как правильно сделать машину тише?

При работе транспортного средства, любой его механизм издает шум. В одних случаях он более громкий, в других менее слышен, однако, в любом случае, определенный шумовой эффект присутствует всегда. Думаю, владельцы бензиновых автомобилей, с установленным двигателем внутреннего сгорания, лучше меня поймут, ведь именно этот агрегат отличается характерным громким «звучанием». Что бы как-то снизить шумовой эффект, на каждый автомобиль в штатном режиме устанавливают глушитель, который является частью системы выхлопа.

Любая такая система состоит из нескольких комплектующих составляющих и есть одной из главных систем транспортного средства. Она не только влияет на показатели экологичности автомобиля (а в последнее время, этот вопрос становится все актуальнее), но и в значительной степени отвечает за качество функционирования и безопасность машины. Более того, состояние газораспределительного механизма (ГРМ), также, связано и со сроком качественного использования транспортного средства.

Как Вы уже наверное догадались, тема данной статьи напрямую связана с выхлопной системой автомобиля. Однако, мы не будем рассматривать ее устройство или общий принцип работы, а сосредоточим свое внимание лишь на одной, не очень большой детали – резонаторе, который занимается гашением звуковых колебаний после выхода газов из камеры сгорания.

Принцип работы резонатора

Как мы только что отметили, основной задачей резонатора является гашение колебаний звука, возникающих в результате выхода громких выхлопных газов из камеры сгорания. На громкость работы того или иного двигателя, прямым образом влияют габариты устройства (размер, форма) и конечно же, сама конструкция резонатора. В случае выхода детали из строя, нарушается работа всей системы выхлопа: транспортное средство становиться очень шумным, а в салон проникает запах выхлопных газов.

Их образование, происходит в камере сгорания мотора, а наружу они выводятся при помощи выпускного клапана цилиндра. Покинув цилиндр, выхлопные газы, с большой скоростью начинают передвигаться по впускному коллектору и приемной трубе, при чем, температура газовой смеси доходит до 650оС, а значит, все детали выхлопной системы испытывают серьезную тепловую нагрузку.

Устройство резонатора представлено в виде многослойной конструкции, где каждый уровень выполняет свою, конкретную задачу. Когда потоки воздуха попадают на отражатели (важные составляющие элементы резонатора воздушного фильтра), то их гашение происходит за счет трения о них газовых частиц, которые в полостях резонатора выпуска, проходят двумя потоками. Резонаторы впуска и выпуска выполняют одинаковую работу – проводят газ через всю систему выхлопа.

Слаженная и стабильная работа всех составляющих частей резонатора автомобиля, непосредственно влияет на долговечность службы двигателя, а учитывая, что любой элемент выхлопной системы постоянно подвергается влиянию отрицательных факторов окружающей среды и высоких температур (касается не только резонатора, но и других деталей), то вполне логичным будет предположить наличие периодических рабочих сбоев.

Что бы не доводить до крайностей, необходимо регулярно проводить диагностику состояния резонатора.

Выполняя данное действие, помните: эффективность и предельная работоспособность резонатора выхлопной системы зависит от трех основных факторов: состояния катализатора (элемент системы, снижающий количество вредных веществ в выхлопе ), диаметра труб и чистоты глушителя. Принцип работы резонатора базируется на использовании замкнутых полостей, размещенных возле трубопровода и соединенных с ним при помощи большого количества отверстий. Как правило, в корпусе находится два не равных объема, которые разделены сплошной перегородкой.

Каждое из отверстий, включая и замкнутую полость, выполняет роль резонатора, возбуждающего колебания собственной частоты. Условия распределения резонансной частоты, резко меняются, и как следствие, она гасится за счет трения газовых частиц в отверстии. Такой тип глушителя качественно гасит низкие частоты, даже не создавая для газов существенного сопротивления (сечение не уменьшается). Чаще всего, резонатор применяется в качестве среднего глушителя.

Из чего состоит резонатор

Резонатор, как важный конструктивный элемент выхлопной системы, внешне напоминает маленький глушитель, из-за чего его часто называют «вспомогательным глушителем», однако, многие специалисты утверждают, что это не так. Конечно, резонатор существенно снижает рабочую громкость системы выхлопа, но это не является его основной функцией, а выступает только как побочный эффект от реализации задачи обеспечения ровности потока выхлопных газов во всей системе выхлопа автомобиля.

При работе силового агрегата (на любых оборотах), в выходном коллекторе можно заметить прерывистые значения давления отработанных газов, частота которых основывается на оборотах коленчатого вала двигателя и количества его цилиндров. Для более качественной работы всей системы, нужно добиться равномерности этого давления, ведь только в таком случае, выхлопная система будет обладать минимальным сопротивлением отработанных газов и не станет отбирать лошадиные силы двигателя.

Несмотря на мнение некоторых специалистов, многие автолюбители продолжают называть резонатор «средним глушителем» (так как он располагается в средней части системы выхлопа) и нельзя сказать, что они полностью неправы. Данная деталь не только внешне похожа на уменьшенный глушитель, но еще и имеет схожее с ним внутреннее строение. Здесь все просто: что бы выровнять поток выхлопных газов, используются практически те же приемы, что и в глушителях. Давайте рассмотрим их более детально.

Во-первых, расширением и сужением потока отработанных газов, занимаются несколько камер резонатора, где происходит эффективное выравнивание больших низкочастотных пульсаций (не прямоточное устройство).

Во-вторых, при изменении направления потока выхлопных газов, камеры, вместе с соединяющими их трубопроводами, располагаются с некоторым смещением, что помогает гасить средние и высокочастотные пульсации.

В-третьих, наличие перфорационных отверстий в трубопроводах и разница в объемах, окружающих трубу, способствуют гашению широкого частотного диапазона потока отработанных газов.

Такой способ, наиболее популярен в прямоточных резонаторах (в основном используется на спортивных автомобилях). Еще одним сходством резонатора и глушителя есть то, что сквозь перфорационные отверстия трубопроводов, отработанные газы камеры средней частоты (большего объема) и камеры высокой частоты пульсации (меньшего объема), подаются в закрытые камеры, где скапливаются при высоком давлении выхлопных газов и стравливаются в ходе снижения давления в выхлопной системе.

С конструктивной точки зрения, резонатор – это многоуровневое устройство, в котором каждый уровень имеет свои обязанности и отвечает за выполнение определенных функций. Так, к примеру, резонатор воздушного фильтра, имеет в своем составе отражатели, которые выполняют гашение попадающих на них потоков газообразной среды путем трения соответствующих частиц, проходящих внутри резонатора двумя потоками. Устройства впуска и выпуска, выполняют одинаковую роль и продвигают через систему потоки отработанного газа.

Виды резонаторов

Все существующие резонаторы разделяют на виды, в зависимости от типов двигателей к которым они подходят. Поэтому, различают всего два видовых варианта таких устройств: для двухтактных моторов и для четырехтактных.

В ходе многолетней эксплуатации обоих видов, был установлено: работая в паре с четырехтактным двигателем, резонатор является скорее помехой, нежели помощником и в данном случае, его демонтаж ведет к увеличению мощностных характеристик мотора примерно на 15%. Если же забрать резонатор у двухтактного двигателя, то это вызовет совсем противоположный эффект: его отсутствие поспособствует не только газовому удалению, но еще и ликвидирует несгоревшее полностью топливо. В результате таких действий расход топлива существенно увеличится, а скорость, наоборот, снизится.

Кроме того, условно резонаторы можно разделить и с точки зрения длины (или формы) кузова автомобиля. К примеру, к автомобилю ВАЗ 2110, можно подобрать один из трех возможных видов резонатора: короткий (21103), средний (21102) и длинный ( 2110).

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Резонатор. Устройство резонатора (среднего глушителя)

Выхлопная система автомобиля намного сложнее, чем кажется на первый взгляд. В современных моделях конструкция может состоять из четырех и более крупных компонентов (и большого числа более мелких). Выпускной коллектор, катализатор, резонатор (так называемый средний глушитель), и наконец, большой глушитель. Каждый элемент играет свою роль, и работает в комплексе с остальными частями. Нарушение работы любого компонента влечет за собой рассогласование всей системы. Для понимания принципа работы глушителя, необходимо знать, для чего нужен резонатор.

Это поможет вовремя определить неисправность и обратиться в профильный сервис.

Рассмотрим устройство резонатора

Назначение этого элемента — первичная обработка выхлопа. Сформированный выпускным коллектором поток отработанных газов, проходит очистку в катализаторе и попадает в камеру резонатора. Средняя часть глушителя представляет собой полый цилиндр, внутри которого размещены перегородки и (или) перфорированные трубки разного диаметра. За счет большой площади металла происходит эффективный отвод тепла (первичное охлаждение). При движении по сложному лабиринту из перегородок ритмичные волны выхлопа направляются навстречу друг другу. При этом гасится их скорость, и происходить значительное снижение шума потока.

Резонаторы для автомобилей рассчитываются под конкретный двигатель, или группу моторов, с определенными характеристиками. Установка элемента от другой машины приводит к нарушению ритма отвода газов и снижению эффективности системы выхлопа. Тем не менее, замена штатного компонента возможна. Специалисты СТО «Ваш глушитель» подберут универсальный резонатор для любого автомобиля, при сохранении основных характеристик.

Некоторые автовладельцы по совету коллег из гаражного кооператива, удаляют средний глушитель. Выхлопная система без резонатора увеличивает нагрузку на основную банку, что гарантированно приводит к ускоренному износу. К тому же звук выхлопа в таком случае тоже меняется, не всегда в сторону улучшения.

Выхлопные резонаторы — типичные поломки и причины неисправностей

Этот компонент подвержен критическим нагрузкам, поскольку принимает на себя давление и температуру необработанного потока выхлопа. Поэтому внутренние перегородки могут прогореть и разрушиться, особенно при использовании некачественного топлива. В этом случае движение газов будет хаотичным, что проявляется в неприятном звуке и повышении температуры выхлопа.

Корпус подвержен коррозии, в том числе химической, при воздействии реагентов на зимних дорогах. Прогоревшие отверстия так же приводят к нарушению работоспособности.

В случае поломки резонатора обращайтесь в сервис «Ваш глушитель». Мы найдем решение, оптимальное по цене и качеству.

Тюнинг

Несмотря на свою полезность и важную роль в системе отвода отработавших газов, резонатор частично снижает мощность двигателя. Вся выхлопная система — это компромисс между эффективностью и комфортом работы. Если Вы готовы к увеличению громкости выхлопа, можно установить прямоточный резонатор. В нем уменьшено количество перегородок, либо они отсутствуют вовсе. При такой модернизации необходим точный расчет параметров прямотока.

Самостоятельная замена может привести к серьезным нарушениям отлаженного механизма. Поэтому следует обратиться к специалистам. Мастера сервиса «Ваш глушитель» профессионально отремонтируют или поменяют резонатор выхлопной системы, без ухудшения качества работы двигателя.

Назначение, принцип работы резонатора воздушного фильтра

Для чего нужен резонатор воздушного фильтра? Ответить на вопрос удастся, ознакомившись с принципом работы таких систем: всаса воздуха, отвода отработавших газов. Определив связь между системами и резонатором, удастся понять принцип работы, назначение устройства.

Общее знакомство

Резонатор

Воспламенение топливной смеси, необходимой для нормальной работы мотора, невозможно без наличия кислорода. Указанный элемент поступает внутрь движка из воздуха через впускной коллектор. Воздушный поток содержит вредные частицы пыли, грязи, сажи, споры растений, которые наносят вред внутренним элементам силового агрегата. Препятствует их поступлению внутрь автодвигателя воздушный фильтр, он очищает поступающий воздух от абразивных частиц. Перед элементом фильтрации устанавливается резонатор.

Зачем нужен резонатор воздушного фильтра? Работающий автодвигатель издает своеобразный гул, образовывающийся из-за взрывания топливной смеси внутри силового агрегата. Частота взрывов большая, отличить один взрыв от другого невозможно, они сливаются в монотонный звук — «рев двигателя». Этот звук направляется:

1. В сторону глушителя.
2. В сторону подачи воздуха — автодвигатель. Резонатор, устанавливаемый с элементом фильтрации, гасит звук, издающийся из всасывающей системы.

Назначение

Резонатор перед фильтрующим элементом устанавливается для гашения звукового потока, издающегося из системы всаса, плюс выполняет функции:

1. Разделяет движущиеся навстречу потоки воздуха. Существует встречное давление, создаваемое мотором, которое движется навстречу всасываемому воздушному потоку. Резонатор разделяет движущиеся навстречу воздушные потоки, способствует поступлению нужного объема воздуха внутрь двигателя. От поступления всасываемого воздуха в автодвигатель зависит эффективность работы мотора (разгон автомобиля). Если указанного устройства не будет, потоки воздуха пересекутся, внутрь двигателя начнет поступать неравномерное количество кислорода, вследствие чего возникнет кислородное голодание движка.
2. Препятствует попаданию внутрь силового агрегата воды. Указанное устройство не дает проникнуть воде внутрь мотора, если машина попадает в очень глубокую лужу. Объясняется это конструктивными особенностями устройства: впускное отверстие расположено достаточно высоко.
3. Сглаживает колебания воздушного потока при всасе, делает пульсации воздуха в момент всасывания равномерными, способствует нормальной работе мотора.

Резонатор воздушного фильтра имеет много плюсов. Давайте выделим негативный аспект — входное отверстие устройства конструктивно расположено высоко. Поэтому внутрь мотора всасывается нагретый до определенной температуры под капотом машины воздух. В таком воздухе содержится маленькая доля кислорода — это влияет на воспламенение топливной смеси негативно.

Конструктивные особенности

Установка ресивера на автомобиле

Указанные устройства имеют различную форму. В основном они отличаются геометрией, но возможны различия в количестве перегородок, находящихся внутри элемента. Различают основные виды резонаторов:

1. Моноблочные. Состоят из одной емкости, имеющей определенное количество перегородок, необходимых для разделения двух встречных потоков, снижения звука.
2. Комбинированные. Состоят из двух емкостей. Первая служит для уменьшения высоких звуковых частот, вторая — низких. Согласно распределению снижения звука происходит выравнивание пульсаций воздушных потоков.

Независимо от конструктивных особенностей резонаторов основное их назначение — обеспечение нормальной работы мотора. Поэтому при поломке устройства проведите его замену. В противном случае через несколько километров пробега вы заметите нарушения в работе движка. Замена резонатора не является сложной, ее можно осуществить самостоятельно без привлечения специалистов.

Многие автолюбители рекомендуют снять указанное устройство. По их мнению, такие действия позволят:

1. Снизить точку забора воздуха — улучшится мощность мотора, внутрь движка будет больше поступать кислорода.
2. Звук работающего мотора станет похож на звук мощного американского автомобиля.
3. Возрастание динамики разгона автомобиля — уберется дополнительное сопротивление, создаваемое резонатором.

Учтите: сняв указанный элемент системы, вы можете вызвать частичное кислородное голодание двигателя — это приведет к капремонту силового агрегата, плюс спровоцируете гидроудар, если въедете в глубокую лужу, вода попадет внутрь мотора.

Резонатор глушителя выхлопной системы автомобиля Для чего нужен как устроен и принцип работы резонатора

Части глушителя

Эта система не однородна, она собирается из нескольких частей, а именно их пять:

• Это выпускной коллектор, сейчас многие могут сказать — что он не относится к глушащей системе, но он с ней взаимодействует напрямую – основное его назначение отводить газы из двигателя, поэтому я все же его включу в схему.
• Приемная труба.
• Катализатор.
• Резонатор.
• И последняя часть, собственно сам глушитель.

Про выпускной коллектор мы с вами поговорили, также можете почитать про него в этой статье. Переходит сразу к приемной трубе. Она создана для соединения выпускного коллектора и катализатора. Вроде что на нее обращать внимание, труба и труба – НО, в ней зачастую устанавливают так называемый виброгаситель (попросту гофру), которая призвана гасить вибрации от двигателя и не передавать их дальше, ни на кузов, ни на глушитель.

Катализатор – призван бороться с отработанными газами, а именно с их отчисткой. Выхлоп, который идет от силового агрегата содержит много вредных элементов. Катализатор дожигает их, делая – безвредными, концентрация падает в разы. Конечно совсем отчистить не получается, но прогресс на лицо. Если бы не было катализаторов, мегаполисы просто задохнулись от выхлопных газов. Про его устройство читаем здесь.

Резонатор и глушитель – эти две части уже борются с потоком газов и звуком, они предназначены в первую очередь для гашения звука и только во вторую снижения температуры. Газы, которые прошли катализатор, по трубам достигают сначала резонатора, а уже затем самого глушителя.

Основные неисправности резонатора.

Конструкция выхлопной системы становится более сложной, но с каждой новой моделью машины она включает в себя все те же элементы.

Коллектор

Приемная труба является промежуточным звеном между двигателем машины и нейтрализатором (катализатором). Коллектор отвечает за вывод газов. Так как в этом случае идет очень сильная механическая и температурная нагрузка, которая может доходить до 1000 градусов, то к этой части глушителя предъявляются довольно строгие требования. Поэтому при изготовлении приемной трубы используют только самые лучшие сплавы чугуна и стали.

Также на этой детали иногда устанавливают вибро-компенсатор (гофру), благодаря которому вибрация двигателя гасится и не переходит дальше по выхлопной системе.

Нейтрализатор

В каталитическом нейтрализаторе (или катализаторе) происходит «дожиг» несгоревших остатков топлива и переработка окиси углерода. Этот элемент выхлопной системы представляет собой специальную камеру или бачок, в котором расположен керамический или металлический элемент в виде сот. Благодаря этим сотам газовые смеси очищаются за счет химических реакций.

Сейчас производители начали изготавливать многосекционные нейтрализаторы, отвечающие всем международным стандартам, которые производят обработку большего спектра вредных веществ.

Передний глушитель (резонатор)

Резонатор – по сути, является одной из тех деталей, которые принято называть глушителями. Этот элемент выполняет функцию снижения шума, но никак не очистки выхлопных газов. Когда газы проходят через резонатор, создается много шума. Поэтому внутренняя «начинка» переднего глушителя представляет собой многочисленные решетки и отверстия, которые позволяют снизить скорость вырывающихся газов, а также вибрацию. По большому счету резонатор – это бак с перфорированной трубой.

Передние глушители бывают:

• Активными. Такие глушители изготавливаются из специальных звукопоглощающих материалов, а их конструкция отличается простотой.
• Реактивными. В глушителях этого типа используются комбинации из расширительных, а также резонаторных камер.

Не стоит путать резонатор с задним глушителем, так как их конструкция сильно отличается.

Задний глушитель

Когда мы говорим «глушитель» то чаще всего в виду имеется именно задняя часть выхлопной системы. Этот элемент производит окончательное поглощение шума, а также осуществляет завершающий вывод газов.

В отличие от резонатора, внутренняя «начинка» заднего глушителя неоднородна. Внутри него установлено несколько камер со специальными наполнителями. Благодаря пористой структуре, системе перегородок и воздуховодам удается не только избавиться от сильного шума, но снизить температуру в системе.

Говоря о снижении шума, нельзя обойти стороной другой тип системы, который снижает повышенный шум в выхлопной трубе.

1. Увеличение шума в системе выхлопа – происходит из-за плохой работы резонатора, и вследствие чего не позволяет действовать глушителю в режиме оптимальной работы.
2. Наличие звенящего или дребезжащего звука в резонаторе – происходит, из-за болтания в камерах резонатора кусков оторванного металла, возникших в результате разрушения или прогара деталей в резонаторе.
3. Понижение мощности двигателя – происходит из-за “закупоривания” резонатора в процессе его разрушения, вследствие чего пропускная способность нарушается. Также данная неисправность нарушает процесс отражения и гашения пульсации газов выхлопа.

Подробнее об устройстве глушителя и резонатора

Устройство резонатора предусматривает следующие элементы:

• впускные и выпускные камеры, разделенные сеткой;
• отражатели.

Наличие камер в дополнительном резонаторе позволяет постоянно расширять и сужать газовые потоки, поступающие рывками, благодаря чему пульсации сглаживаются, и обеспечивается равномерность потока. Для этих целей камеры также смещены относительно друг друга.

Отражатели, благодаря наличию перфорации, гасят остаточные потоки продуктов сгорания за счет трения газообразных частиц, перемещаемых внутри блока двумя различными направлениями. Это приводит к тому, для чего нужен резонатор — снижению громкости звука выхлопных газов.

Функционируют резонаторы за счет наличия большого количества закрытых полостей, которые связаны с выхлопной трубой множественными отверстиями. Такая схема позволяет формировать звуковые колебания различной частоты, изменяемой при трении газов о внутреннюю поверхность устройства.

Если честно, то сейчас нет одинакового строения глушителя, каждый производитель ищет свое решение и способы производства. Но почему так?

Это достаточно сложный цикл, ведь глушитель должен поглощать звук, но и не лишать двигатель мощности. Как заверяют производители, машину можно сделать практически бесшумной, установив еще один резонатор и нарастив объем глушителя — вот только мощности от двигателя будет «отжираться» значительно.

Если штатный вариант отнимает от 5 до 7%, то установка новых резонаторов увеличит этот показатель до 10 – 15%! А оно нам нужно? Вот и химичат производители над идеальной формой, чтобы слышен был только «шелест» силового агрегата, да и мощность была на уровне.

Какой резонатор в разрезе – если представить его разрез, то это несколько перфорированных труб внутри металлического корпуса, они находятся не на одном уровне, а как бы параллельны. Поток «отработки» — попадает в резонатор, где встречается сначала со стенками, теряя свое давление и часть звука.

Происходит это так, волна ударяется о стенку и возникает ответная волна, которая встречается с вновь поступившими газами – то есть энергия гасит сама себя. Затем в параллельную трубу поток проходит в другую камеру, там также встречается со стенкой, опять теряя часть энергии.

Внизу этой камеры есть третья труба, по которой газы поступают уже до глушителя. Таким образом, на уровне резонатора, гасятся 30 – 40% давления газа и его звука (в основном низкие тона). Но почему не все? Если сделать резонатор больше он попросту не поместится под машиной в середине — будет слишком большой объем, который также скрадет мощность двигателя.

Глушитель – находится сзади, где больше всего места. Он самый крупный из всех частей, по сути он мало чем отличается устройством от резонатора (также есть камеры и «глухие» стенки), только объемами. Еще одно отличие здесь встречается камера с так называемым поглотителем – из перфорированной трубы газы и звук проходят в поглотитель, оставляя там большую часть энергии и звука.

Камера – поглотитель, как я писал, сверху имеет перфорированную трубу (если простым языком просверленную множеством дырочек) и обложенной с ней рядом, мягким и пористым материалом поглотителем. В первую очередь поглощающим звуковые колебания.

Этим материалом может служить не горючее вещество:

• Стекловала или прочая минеральная вата.
• Металлическая стружка
• Металлическая вата
• Прочие пористые не горючие материалы

Таким образом, звук уходит в стекловату, оставляя там большую часть звуковой энергии. При поглощении мягки материал разогревается, но не горит из-за высокой устойчивости к возгоранию.

Нужно отметить, что глушителей в системе может быть и два! Например на каждые 3 — 4 цилиндра, с каждого бока силового агрегата.

Прямоточный глушитель

В обычных глушителях в процессе сопротивления отработанным выхлопным газам, теряется часть мощности мотора. Хоть этот расход и незначительный, многие автолюбители ищут способы, как сделать глушитель тише без потери мощностей двигателя. Для этих целей производители разработали специальные прямоточные модели.

Устройство такого глушителя отличается от привычной схемы. В отличие от штатных моделей, в прямоточных агрегатах мощность двигателя не только снижается, но и повышается, за счет использования энергии выходящих газов.

Суть работы «прямотоков» заключается в том, что при выходе газов из коллектора требуется меньшее сопротивление. Благодаря этому мотору не приходится затрачивать лишней энергии, чтобы преодолеть давление. Полученная разница преобразуется в полезную мощность движения.

Сам прямоточный глушитель представляет собой прямую трубу с перфорированной поверхностью. По большому счету она заключена во внешний кожух. Внутри глушителя также есть разделители и камеры, просто их меньше, чем у штатных систем. Благодаря такой конструкции, отработанные выхлопные газы движутся по прямой и не встречают сильного сопротивления. В то же время, благодаря перфорированной поверхности они расширяются и свободно выходят.

Внешний кожух прямоточного глушителя покрыт специальным поглощающим составом, за счет чего газы, находящиеся внутри, не резонируют, а звук мотора не превышает допустимых пределов. Таким образом, уровень шума сводится к минимуму.

Чтобы усилить эффект некоторые автовладельцы используют дополнительные внешние сегменты.

Как еще можно снизить уровень шума глушителя

Также для снижения шума можно установить зеркальный глушитель. Такие модели работают по такому же принципу, как и акустические зеркала. Чаще всего зеркальные глушители можно встретить в выхлопных системах двухтактных моторов мотоциклов и скутеров. Устройство глушителя в этом случае представляет собой выпускное колено и резонаторную банку, в которой отработанные газы «утихомириваются».

Подобный принцип используется в системах автомобилей ВАЗ 2107, Нива, 2115 и многих других.

Помимо этого существуют поглотительные и ограничительные глушители, которые также понижают шум.

Каким образом увеличивает мощность?

Сверху заикнулся об этом – сейчас хочу немного раскрыть тему. Да все просто – вспомните турбины, которые работают на отработанных газов? Откуда они черпают энергию? Конечно от выхлопных газов которые потоком идут от двигателя и после через различные ответвления, в таком примере даунпайп, попадают на горячее колесо турбины. Таким образом, можно дополнительно снимать до 10 — 15% КПД.

Пару слов о прямотоках

Про это у меня есть отдельная статья, почитайте. Вот только некоторым из нас с вами не нужен акустический комфорт – важна только мощность. Поэтому резонатор, да и сам глушитель модернизируются, у них убираются перегородки, которые «стопорят» газы – соответственно энергия на преодоление этих барьеров не тратиться, вот вам 5 7% к мощности двигателя.

А если убрать еще и катализатор, еще 5%. Таким образом можно добиться до 10% мощности что уже ощутимо!

Резонатор

Резонатор – деталь выхлопной системы, гасящая звуковые колебания после выхода газов из камеры сгорания

Двигатель

Основная задача резонатора — гасить звуковые колебания ревущих выхлопных газов, вырывающихся из камеры сгорания.  Размер, форма и конструкция резонатора напрямую влияют на то, насколько громко будет работать двигатель. При поломке этой детали нарушается работа всей выхлопной системы. Автомобиль становится шумным, в салон проникает запах выхлопа.

История появления резонатора в выхлопной системе

Первый резонатор появился на автомобиле в начале XX века. Снижение уровня шума было первой задачей, которую пришлось решать разработчикам, так как вскоре после появления серийных машин проявилось недовольство пешеходов их чрезмерно шумной работой. С этой детали началось создание полноценной выхлопной системы, которую можно видеть в современных автомобилях.

Принцип работы резонатора

Выхлопные газы образуются в камере сгорания и выводятся из цилиндра через выпускной клапан. После этого они на большой скорости движутся по выпускному коллектору и приемной трубе. При этом температура газовой смеси составляет около 650 градусов Цельсия, поэтому детали выхлопной системы подвергаются серьезной тепловой нагрузке.

Труднее всего создать конструкцию резонатора для спортивного автомобиля. С одной стороны, он должен пропускать через себя поток газов, не создавая препятствий. С другой — снижать уровень шума

 

Далее газовый поток попадает в катализатор, а затем в резонатор, который представляет собой полость с одной или несколькими камерами. Через камеры проходит труба с небольшими отверстиями, через которые проходит разделенный поток газов. Прохождение через трубу способствует взаимному поглощению звуковых волн.

Виды резонаторов

Более сложные современные резонаторы могут иметь оболочку, между слоями которой располагается теплоизоляционный материал. Такие детали не только поглощают шумы, но и позволяют защитить кузов от нагревания.

Все чаще в автомобилестроении встречаются комбинированные резонаторы, которые состоят из двух частей. Первая часть детали основана на классической конструкции с трубой и внутренними переборками, а вторая – заполняется шумопоглощающим материалом (обычно базальтовым волокном). Такие комбинированные резонаторы работают эффективней обычных. 

Эксплуатация и неполадки резонатора

Дольше всего служит резонатор с двойным корпусом. Материал должен быть невосприимчивым к коррозии. Как правило, недорогие глушители для автомобилей потребительского рынка делают из алюминированной стали, то есть обычной стали, покрытой тонким слоем алюминия, защищающего поверхность от коррозии. Немаловажную роль играет и объем резонатора. От этого показателя зависит эффективность его работы. Если объема недостаточно, то во время резкого нажатия на педаль газа шумы будут существенно усиливаться, а сама деталь может начать вибрировать.

Покупая резонатор из аллюминированной стали, следует помнить, что невысокая цена изделия получена путем снижения долговечности. Лучшие резонаторы делают из нержавейки

Как и любая часть выхлопной системы, резонатор подвергается вредному воздействию агрессивных факторов: работа в среде газа, высокие температуры. Из-за этого срок службы деталей выпускной системы весьма невелик. Признаками поломки могут быть усиление шумов, запах выхлопных газов в машине, наличие струек дыма под днищем. В этом случае его следует менять. 

Резонатор в автоспорте

Благодаря простоте и небольшому весу резонатор находит применение в автомобильном спорте, однако для этих целей деталь часто подвергается существенным изменениям. Как правило, в спортивные автомобили устанавливают резонаторы, имеющие камеру более сложного типа, которая обеспечивает звукопоглощение и обладает минимальным сопротивлением, то есть не повышает обратное давление в выхлопной системе. Спортивные глушители делают, как правило, из нержавеющей стали, так как у нее более гладкая поверхность (создающая минимум завихрений в системе), и сделанные из нее детали лучше работают в экстремальных температурных режимах.

Принцип работы резонатора в автомобиле

Резонатор / Фото: из открытых источников Устройство, снижающее шум двигателя: принцип работы резонатора, признаки его поломки и тюнинг выхлопной системы. Ни для кого не секрет, что работа автомобильного двигателя сопровождается высоким уровнем шума, снизить который позволяет выхлопная система, а именно, входящий в ее состав резонатор. В статье рассказано о том, как функционирует данное устройство, почему может выйти из строя и в чем состоит тюнинг системы выхлопа. Что такое резонатор и для чего он нужен? Резонатор, который нередко называют «средним глушителем» благодаря внешнему сходству с данным элементом и расположению в средней части выхлопной системы, представляет собой полый металлический корпус цилиндрической формы, внутри него имеются поперечные перегородки, разделяющие полость на несколько неравных частей, и проходящая по всей длине труба с перфорационными отверстиями. Основная функция устройства — погашение низкочастотных звуков, возникающих в процессе отработки газов и при их выводе через газоотводную систему. Возникновение шумов связано с: расширением газов; вибрацией составляющих выхлопной системы. Внимание! Резонатор осуществляет выравнивание, охлаждение и приглушение газовых потоков, что необходимо для обеспечения стабильности в работе системы выхлопа и сведения к минимуму потери мощности двигателя. Происходит это путем: предварительной обработки потока выхлопных газов, выделяющихся при воспламенении и сгорании топливной смеси; снижения уровня низкочастотных звуковых колебаний, возникающих при работе мотора; уменьшения температуры отработанных газов; создания равномерного давления газовых потоков. Каковы принципы работы устройства? В процессе функционирования автомобильного двигателя в его камерах сгорания происходит воспламенение и последующее сжигание топливной смеси, в результате чего выделяются выхлопные газы. Вывод отработанных газов наружу осуществляется через выпускной клапан цилиндра, после чего они поступают в коллектор, а затем — по приемной трубе в резонатор. Справка. В современных системах газовые потоки, прежде чем попасть в резонатор, проходят через катализатор. Выделение газов происходит дискретно: под определенным давлением они выходят отдельными порциями с частотой, зависящей от оборотов коленвала и количества цилиндров. Попадая в многокамерную внутреннюю систему резонатора, потоки отработанных газов периодически сужаются и расширяются, что приводит к: уменьшению скорости их движения; выравниванию неравномерной пульсации; предварительному охлаждению за счет соприкосновения с металлическими поверхностями, что способствует продлению срока эксплуатации глушителя и всей системы выхлопа, а также снижению вредности выбросов в атмосферу; понижению уровня создаваемого шума за счет перфорации на поверхности трубок, способствующей взаимному поглощению и уменьшению амплитуды звуковых волн. Пройдя через резонатор, обработанные газовые потоки при наименьшем сопротивлении продвигаются дальше, попадая сначала в глушитель, а затем — через выхлопную трубу в атмосферу. Резонатор работает тем эффективней, чем: лучше его герметичность; меньше изношенность и загрязнённость; больше диаметр цилиндрического корпуса. Виды резонаторов Чтобы система выхлопа автомобиля работала эффективно, для двигателей каждой марки разрабатывают определенные модели резонаторов с соответствующими параметрами. Внимание! Если возникает необходимость замены устройства, используют либо аналогичное, либо универсальное, которое подбирают в соответствии с основными характеристиками мотора. Приобретая данную деталь для автомобиля, стоит обратить внимание на то, из какого материала она изготовлена: резонатор в стальном корпусе, покрытом алюминием для защиты от коррозии (алюминированная сталь), стоит недорого, но и срок его эксплуатации невелик; нержавеющая сталь служит гораздо дольше, обладает устойчивостью к высоким температурам и сводит к минимуму появление завихрений в системе благодаря гладкой поверхности. Некоторые модели снабжены тепло- и звукоизоляцией, которая располагается между слоями оболочки корпуса и обеспечивает его защиту от перегрева, а также погашение исходящих из него звуков. Существуют также комбинированные устройства, более эффективные, у которых: одна часть имеет стандартную конструкцию с перегородками и перфорированной трубой; вторая часть наполнена материалом, поглощающим шум (например, базальтовым волокном). Причины и признаки выхода элемента из строя Резонатор получает основную часть той нагрузки, которая приходится на систему выхлопа: смесь отработанных газов движется через устройство на высокой скорости, при этом их температура достигает 650 °C, а в составе имеются агрессивные химические элементы. Такое воздействие нередко приводит к прогоранию и разрушению внутренних перегородок и других металлических частей системы. Важно! Вероятность поломки резонатора значительно возрастает, если применяемое топливо имеет низкое качество. При выходе элемента из строя: появляется дребезжание в камере из-за того, что прогорела и отрывается одна либо несколько деталей; из-под днища автомобиля поднимается дым, что указывает на разгерметизацию резонатора; звук, исходящий из выхлопной трубы, становится слишком громким, ревущим, что свидетельствует об ухудшении работы глушителя и всей системы выхлопа; заметно уменьшается мощность мотора в результате снижения пропускной способности резонатора и, как следствие, отсутствия погашения неравномерных пульсаций газовых потоков; появление конденсата при остывании устройства — также признак его разгерметизации. Внимание! При неисправности резонатора отработанные газы могут проникать в салон транспортного средства и создавать угрозу здоровью находящихся там людей. Чтобы избежать неприятных и опасных последствий поломки элемента, необходимо: обращать внимание на издаваемый звук; регулярно проводить визуальный осмотр, проверяя целостность как самого резонатора, так и соединенных с ним труб, в том числе на стыках; своевременно заменять элемент либо на аналогичный, либо на универсальный, подходящий по характеристикам. Тюнинг выхлопной системы Наличие резонатора в системе выхлопа автомобиля оказывает влияние на мощность мотора, снижая данный показатель на 10–15 %. Чтобы увеличить мощность двигателя, устанавливают так называемый прямоток — прямоточный резонатор с минимальным числом перегородок либо с полным их отсутствием. Звук выхлопа при такой замене станет более громким. Важно! Чтобы произвести максимально точный расчет параметров прямотока, лучше обратиться за консультацией к специалистам. Резонатор — важный элемент в конструкции автомобиля, обеспечивающий снижение шума при выхлопе, продление срока службы всей выхлопной системы и уменьшение вредности выбросов. Грамотный подход к эксплуатации устройства и использование качественного горючего поможет избежать частых поломок детали, а установка прямоточного резонатора позволит увеличить мощность мотора.

Принцип работы резонансного глушителя или саксофона

Правильно подобранный резонансный глушитель работает почти как турбина, увеличивая сжатие топливовоздушной смеси в цилиндре

Не секрет, что на двухтактном двигателе часть смеси на такте впуска-сжатия просто вылетает в выхлопную трубу. Резонатор за счет своей конической формы сдерживает часть выхлопных газов, создавая давление в выхлопной трубе, которое не дает топливной смеси выходить из выпускного канала и увеличивает, таким образом, наполнение камеры сгорания и давление в ней.

Принцип работы глушителя

Как только поршень уходит вниз и открывает выпускной канал, волна выхлопных газов в резонаторе, мчащихся со скоростью звука, запускает последовательность событий, которвые приводят к увеличению мощности и крутящего моента двигателя.

Волна положительного давления
Как только смесь в цилиндре начинает гореть, поршень идет вниз и открывает выпускной канал. Выхлопные газы под давлением с огромной скоростью вылетают в выхлопную трубу, создавая волну положительного давления.

Промежуток времени между открытием каналов выпуска и впуска называется ходом выхлопа (exhaust lead). Ход выхлопа позволяет выйти находящимся под высоким давлением и очень горячим выхлопным газам в резонатор и создать, таким образом, разрежение в камере сгорания, благодаря которому засасывается новая порция горючей смеси. Если этого не случится, выхлопные газы могут быть засосаны обратно в цилиндр и там приведут к неконтролируему возгоранию топливовоздушной смеси.

Волна отрицательного давления
Вылетающие с огромной скоростью выхлопные газы обладают большой инерцией, за счет чего создают в камере сгорания сильное отрицательное давление (примерно -7psi) около открывающегося впускного канала. Новая порция топливовоздушной смеси засасывается этим отрицательным давлением в камеру сгорания. Но, так как выпускной канал какое-то время остается открытым одновременно с впускным, часть свежей горючей смеси неминуемо вылетает в выхлопную трубу.

Волна положительного давления
Вылетевшие в глушитель выхлопные газы быстро расширяются в первом конусе, проходят через резонатор и ударяются в резко сужающийся противоположный конус, который не дает им сразу вылететь наружу. Часть газов возвращается назад, к выхлопному каналу цилиндра, прекращая, таким образом, дальнейшее образование вакуума в камере сгорания.

Наддув через выхлопной порт
И наконец, как только поршень перекрывает впускной канал, давление, которое создали оставшиеся в резонаторе выхлопные газы, заставляет вернуться в камеру сгорания вылетевшую часть свежей топливовоздушной смеси. Таким образом, на момент зажигания в цилиндре находится значительно больше горючей смеси под большим давлением, что приводит к увеличению мощности двигателя.

Пример работы резонансного глушителя

Дизайн резонансного глушителя

Но просто сварить и прикрутить резонатор к двигателю недостаточно для увеличения его мощности. В этом деле играет роль все- и объем трубы, и размер конусов резонатора, и размер глушителя. К счастью, все эти факторы учитываются производителями при разработке выхлопных систем.

1. Плавно сужающиеся конусы резонатора увеличивают крутящий момент и мощность, но не улучшают работу двигателя в целом.
2. Более крутые углы конусов резонатора увеличивают интенсивность, но укорачивают время прохождения волн положительного и отрицательного давления через выпускной канал. Эти выхлопные трубы могут значительно увеличить мощность и крутящий момент двигателя, но только в очень узком диапазоне оборотов. Кроме того, возникает зависимость мощности от условий зксплуатации и погодных условий: повышение температуры или влажности воздуха отрицательно скажется на работе резонатора.
3. Чем быстрей вы ездите на скутере, тем короче должна быть труба, и наоборот.
4. Бензин низкого качества сильно влияет на работу резонансного глушителя, изменяя температуру вылопных газов, и, как следствие, их давление и скорость движения.

© 2019 Александр Смирнов, gilerarunner.ru. Запчасти и аксессуары на итальянскую мототехнику из Европы. Телефон/WhatsApp +7 (931) 101-07-09 или мейл Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

---

Резонаторы

— обзор | Темы ScienceDirect

Моделирование SRR

SRR предлагает высокий коэффициент качества и отражает высокую чувствительность к емкостным и индуктивным изменениям в окружающей среде. Модель электрических сосредоточенных элементов для этих типов резонаторов необходима для эффективного и быстрого проектирования схем и систем. Аналитические формулы для расчета эффективной емкости и индуктивности данного одиночного контура SRR приведены в литературе (Sydoruk et al., 2009).Также были показаны модели электрических элементов с сосредоточенными параметрами для линий передачи SRR и SRR (Sydoruk et al., 2009; Hu et al., 2009; Su et al., 2015). Элементы емкости и индуктивности можно выделить, используя геометрию устройства в этих моделях. Было также предложено дальнейшее улучшение более ранних моделей с сосредоточенными элементами (Aznar et al., 2008; Bojanic et al., 2014). Эти сосредоточенные модели построены на базовых резонаторах LC с усовершенствованиями и добавлением модели линии передачи.Тем не менее, необходимо не только включать параметры, требующие априорной информации, но и проводить чрезмерные расчеты перед использованием этих моделей при проектировании схем. Более того, ни один из них не обеспечивает прямой связи между физической геометрией устройства и эквивалентной схемой. Представленная здесь модель устраняет этот недостаток путем включения параметров схемы, которые могут быть получены непосредственно из геометрии структуры SRR и свойств материалов.

Электромагнитное моделирование

На рис.4 изображена однокольцевая структура SRR, которая состоит из металлического кольцевого резонатора и пары микрополосковых монопольных антенн, установленных в одной плоскости (Pekçokgüler et al., 2018). Кольцевой резонатор имеет радиус внутреннего кольца R , круговой металлический путь шириной w , толщиной h и зазором g . Устройство имеет индуктивную составляющую из-за тока, циркулирующего в последовательном пути металлического кольца, и две емкостные составляющие, возникающие из зазора и распределения заряда на поверхности металла.Как правило, возможны две различные конфигурации одной и той же архитектуры резонатора: структура с металлической задней пластиной и структура без какой-либо задней пластины.

Рис. 4. Структура SRR с плоскими антеннами от Pekçokgüler et al. (2018).

От Pekçokgüler N, Dündar G, Torun H и Yalçınkaya AD (2018) Новая модель эквивалентной схемы для разъемного кольцевого резонатора с применением опорного генератора с низким фазовым шумом. Интеграция 61: 160–166. DOI: 10.1016 / j.vlsi.2017.12.004.

Конкретно для этого примера, электромагнитные характеристики устройства SRR с R = 8 мм, w = 1,25 мм и g = 2,4 мм моделируются с использованием коммерчески доступного электромагнитного решателя с конечной разницей во временной области (FDTD). (CST Microwave Studio, Дармштадт, Германия). На рис. 5A показана плотность поверхностного тока в резонансе (2,1 ГГц) SRR без задней пластины, показывающая контурный ток в направлении по часовой стрелке. На рис. 5B и C показаны спектры отражения ( S ₁₁ ) и пропускания ( S ₂₁ ) с провалами на резонансной частоте.

Рис. 5. (A) Моделирование плотности поверхностного тока, (B) спектр отражения (S ₁₁ ) и (C) спектр пропускания (S ₂₁ ) устройства без задней панели, и (D) моделирование плотности поверхностного тока, (E) спектр отражения (S ₁₁ ) и (F) спектр пропускания (S ₂₁ ) устройства с задней панелью от Pekçokgüler et al. (2018).

От Pekçokgüler N, Dündar G, Torun H и Yalçınkaya AD (2018) Новая модель эквивалентной схемы для разъемного кольцевого резонатора с применением опорного генератора с низким фазовым шумом. Интеграция 61: 160–166. DOI: 10.1016 / j.vlsi.2017.12.004.

Аналогичное резонаторное устройство, имеющее размеры R = 6,85 мм, w = 4 мм, g = 1,65 мм, предназначено для достижения более низкой резонансной частоты. Это конкретное устройство имеет алюминиевую пластину толщиной 2 мм на задней стороне. На рис. 5D показано распределение плотности поверхностного тока на резонансной частоте, показывающее циркулирующий ток в направлении против часовой стрелки. Частота магнитного резонанса, образованная этим током, приводит к провалу и пику в спектрах отражения и пропускания соответственно, как показано на рис.5E и F. В дополнение к магнитной энергии, сконцентрированной в области, окружающей кольцо, электрическое поле, которое создается за счет зарядов в зазоре, также накапливает энергию. Таким образом, устройство демонстрирует резонансное поведение по отношению к перпендикулярному магнитному полю (Jiangfeng Zhou and Soukoulis, 2007). Результаты электромагнитного моделирования показывают, что устройство с металлической задней панелью имеет пик в спектрах пропускания, тогда как устройство без задней панели имеет провал при резонансе. Это различие требует определенной модели эквивалентной схемы для каждой конфигурации.

Моделирование сосредоточенных компонентов

Резонансное поведение одиночного кольцевого SRR можно смоделировать как сосредоточенную цепь LC . Значения эффективной индуктивности и емкости можно рассчитать с использованием следующих формул, как описано в Sydoruk et al. (2009). Полная индуктивность определяется как:

(9) Ltot = μ0R + w2log8R + w2h + w − 12

, где μ ₀ — проницаемость свободного пространства. Общая емкость C _tot имеет два параллельных емкостных компонента:

(10) Ctot = Cgap + Csurf

, где C _gap — это емкость промежутка (разделенная), C _surf — поверхностная емкость, и эти емкости рассчитываются как:

(11) Cgap = ε0hwg + C0

, где

(12) C0 = ε0h + w + g

и

(13) Csurf = 20ε0h + wπlog4Rg

, где ε ₀ — диэлектрическая проницаемость в свободном пространстве, а C ₀ — поправка к емкости параллельных пластин из-за краевых полей.Резонансная частота рассчитывается как:

(14) f0 = 12πLtotCtot

Аналогично, для моделирования структуры CSRR используется параллельная схема с сопротивлением R , емкостью C и индуктивностью L компонентов. . Используя геометрию конкретного примера конструкции, эквивалентные значения индуктивности и емкости SRR, используемого в конфигурации задней пластины, рассчитываются как L _tot = 26,3 нГн и C _tot = 392 фФ, в результате чего резонансная частота f ₀ = 1.6 ГГц. Для SRR без задней панели эквивалентные параметры оказались равными L _tot = 37,8 нГн и C _tot = 161 fF, соответственно, что дает резонансную частоту f ₀ = 2 ГГц.

После того, как эффективные значения емкости и индуктивности устройства рассчитаны с использованием физической схемы, эти значения могут быть напрямую вставлены в модель LC для имитации сердечника резонатора. Однако SRR обычно используются в приложениях, где они интегрированы с другими пассивными элементами, такими как линии передачи и антенны.Более того, когда нацелено применение фильтра или генератора, необходимо сконструировать интерфейс между всей цепью резонатора, включая периферийные пассивные элементы, и активной электроникой. Следовательно, необходим полный отклик эквивалентной схемы, включая антенны и линии передачи.

SRR с задней пластиной

В этой конструкции металлическая задняя пластина преобразует микрополосковые линии в микрополосковые шлейфы с разомкнутой цепью. Когда структура исследуется в отсутствие SRR, ее можно рассматривать как направленный ответвитель с микрополосковой связью с разомкнутыми сквозными и изолированными портами, а связанный порт является вторым портом в структуре.Поскольку линии расположены достаточно далеко друг от друга, связь слабая и, следовательно, незначительна. Когда SRR включен в структуру, он эффективно передает мощность между линиями, и в спектре передачи возникает пик при резонансе. Внерезонансная передача все равно будет незначительной.

В соответствии с этой операцией модель должна содержать направленный ответвитель со связанными линиями, резонатор RLC и магнитную связь между этими двумя цепями. Модель сосредоточенных элементов для этой конструкции представлена ​​на рис. 6A, где R ₁ , L ₁ и C ₁ составляют сердцевину резонатора. Значения L ₁ и C ₁ получены с использованием формул. (9) и (10) соответственно. В резонансе реактивные компоненты компенсируют друг друга, и остается только элемент потерь, поэтому эквивалентный импеданс сходится к значению R 1, которое контролирует добротность резонатора. Резонатор RLC включен последовательно с сигнальным трактом, обеспечивая передачу только вблизи резонансной полосы.Микрополосковые линии с сопротивлением 50 Ом (направленный ответвитель-1) моделируют несимметричные антенны одинаковой длины. Изолированные и сквозные порты направленного ответвителя-2 оставлены разомкнутыми для получения эффекта открытого конца в антеннах. Идеальные трансформаторы (TR1 и TR2) добавляются для моделирования магнитной связи между SRR и антеннами. Эти трансформаторы расположены между направленными ответвителями и сердечником резонатора, чтобы имитировать физическую компоновку измерительной платформы. Коэффициент связи трансформатора является подходящим параметром в модели и не влияет на резонансную частоту, а просто определяет коэффициент мощности, передаваемой на резонатор.

Рис. 6. Эквивалентная схема предлагаемой модели для (A) устройства с задней панелью, (B) устройства без задней панели от Pekçokgüler et al. (2018).

От Pekçokgüler N, Dündar G, Torun H и Yalçınkaya AD (2018) Новая модель эквивалентной схемы для разъемного кольцевого резонатора с применением опорного генератора с низким фазовым шумом. Интеграция 61: 160–166. DOI: 10.1016 / j.vlsi.2017.12.004.

SRR без задней панели

Когда задняя панель отсутствует, микрополосковые линии ведут себя как монопольные антенны, ведущие к передаче между антеннами вокруг резонансной частоты.Чтобы смоделировать провал передачи, показанный на фиг. 5C, включен параллельный тракт RLC , который снижает передачу до значительно низкого значения при резонансе.

На рис. 6В показана эквивалентная модель устройства без задней панели. Последовательный резонансный контур, состоящий из R ₂ , L ₂ и C ₂ , подавляет передачу определенной полосы частот, созданной геометрией кольцевого резонатора. TL1 и TL2 — это микрополосковые линии передачи, а TLOC1 и TLOC2 — микрополосковые шлейфы разомкнутой цепи, все с импедансом 50 Ом.Поскольку сеть является чисто пассивной и взаимной, физические размеры TL1 и TL2 и физические размеры TLOC1 и TLOC2 равны друг другу. Как и в случае вышеупомянутой схемы, идеальные трансформаторы моделируют магнитную связь между резонатором и антеннами.

Результаты моделирования эквивалентной модели схемы сравниваются с электромагнитным моделированием FDTD и экспериментальными измерениями S-параметров, выполненными с помощью векторного анализатора цепей. Резонатор с сеткой антенных пар изготавливается на 1.Подложка из огнестойкого материала 4 (FR4) толщиной 57 мм с медной металлизацией толщиной 35 мкм. Спектры пропускания и отражения получены с помощью двухпортовых измерений с помощью векторного анализатора цепей (Rohde and Schwarz ZVB4) на частоте около резонанса. На рис. 7 показаны s-параметры, полученные в результате анализа FDTD, экспериментов в сравнении с моделированием эквивалентной схемы с сосредоточенными элементами для каждой конфигурации. Результаты FDTD показывают, что устройство с задней панелью демонстрирует резонансную частоту 1,576 ГГц, что подтверждается измерениями ВАЦ и дает f ₀ = 1.617 ГГц. Это приводит к относительной разнице в 2,5% между FDTD и экспериментами. Модель, представленная на рис. 6A, построена с использованием значений параметров, извлеченных из геометрических параметров конструкции. Цепное моделирование этой модели оценивает резонансную частоту 1,574 ГГц, что дает ошибку в 3% по сравнению с экспериментами.

Рис. 7. (A) спектр отражения (S ₁₁ ), (B) спектр пропускания (S ₂₁ ) устройства с задней панелью для всех случаев, (C) спектр отражения (S ₁₁ ) , (D) спектр передачи (S ₂₁ ) устройства без задней панели для всех случаев от Pekçokgüler et al. (2018).

От Pekçokgüler N, Dündar G, Torun H и Yalçınkaya AD (2018) Новая модель эквивалентной схемы для разъемного кольцевого резонатора с применением опорного генератора с низким фазовым шумом. Интеграция 61: 160–166. DOI: 10.1016 / j.vlsi.2017.12.004.

Конструкция считывающего осциллятора

Резонансный сдвиг частоты датчика SRR может быть обнаружен на практике с помощью схемы генератора. Для этой цели может быть использована схема на основе усилителя, использующего устройство SRR high- Q в контуре положительной обратной связи в качестве частотно-избирательной сети (Post and Pit, 1951).Чтобы получить устойчивый колебательный сигнал, величина усиления контура должна быть по крайней мере равной единице, а фазовый сдвиг в контуре должен составлять 0 ° на резонансной частоте. Поскольку структура SRR имеет высокое отражение в широком диапазоне частот, схема может работать в нестабильных условиях и колебаться на частотах, отличных от желаемых, если усилитель не спроектирован должным образом. Для предотвращения этого выбран усилитель MMIC с умеренным усилением ( G ≈ 20 дБ) и высокой направленностью ( S 12 <- 40 дБ).Структура SRR с задней пластиной используется в конструкции генератора из-за высокого пика Q , предлагаемого в спектре передачи. Этот пик приводит к минимальным потерям на резонансной частоте. Когда эти потери компенсируются активной электронной схемой, затухание в контуре становится отрицательным и колебания начинают расти.

Схема генератора изображена на рис. 8А. Для этой конкретной конструкции L _a = 3,3 нГн и C _a = 1 нФ используются для согласования входов.T-LINE представляет собой дополнительную линию передачи шириной 3 мм и длиной 35 мм между структурой SRR и усилителем, которая используется для регулировки фазы. Заглушка-бабочка, четвертьволновой трансформатор и C _b = 1 нФ создают специально разработанную структуру тройника смещения. На выходе усилителя используется делитель мощности – 3 дБ для получения выходного сигнала генератора через измерительное оборудование 50 Ом.

Рис. 8. (A) Схема уровня блока (B) Отклик во временной области (C) Измеренный фазовый шум как функция ширины полосы частот смещения от несущей генератора считывания отсчетов от Pekçokgüler et al.(2018).

От Pekçokgüler N, Dündar G, Torun H и Yalçınkaya AD (2018) Новая модель эквивалентной схемы для разъемного кольцевого резонатора с применением опорного генератора с низким фазовым шумом. Интеграция 61: 160–166. DOI: 10.1016 / j.vlsi.2017.12.004.

Генератор проверяется измерениями во временной и частотной областях. Сигнал во временной области, полученный с помощью осциллографа, показан на рис. 8B. Размах напряжения составляет 0,6 В (от пика до пика), а период сигнала составляет 619 пс. Частота колебаний и фазовый шум равны 1.617 ГГц (при мощности несущей 6,4 дБм) и — 139,51 дБн / Гц (при отстройке частоты 3 МГц) соответственно. Изменение фазового шума относительно ширины полосы сдвига показано на рис. 8C.

Принципы работы керамических резонаторов — ECS Inc. International

Принципы работы керамических резонаторов

Константы эквивалентной схемы

: На рис. 1.2 показан символ керамического резонатора. Импеданс и фазовые характеристики, измеренные между выводами, показаны на рисунке 1.5.На этом рисунке показано, что резонатор становится индуктивным в диапазоне частот между частотой fr (резонансная частота), которая обеспечивает минимальный импеданс, и частотой fa (антирезонансная частота), которая обеспечивает максимальное сопротивление. Он становится емкостным в других частотных диапазонах. Это означает, что механическое колебание двухполюсного резонатора можно заменить эквивалентным контуром, состоящим из комбинации последовательных и параллельных резонансных контуров с индуктором L, конденсатором C и резистором R.Вблизи резонансной частоты эквивалентную схему можно представить, как показано на рисунке 1. 4. Частоты fr и fa определяются керамическим пьезоэлектрическим материалом и его физическими параметрами. Эквивалентные константы контура могут быть определены по следующим формулам:

Учитывая ограниченный частотный диапазон fr

Основные колебательные контуры

Как правило, колебательные контуры можно сгруппировать в следующие три типа:

1. Положительный отзыв

2. Элемент отрицательного сопротивления

3. Задержка времени или фазы перехода в случае керамических резонаторов, кварцевых резонаторов и генераторов LC, положительная обратная связь является предпочтительной схемой.

Среди колебательных контуров с положительной обратной связью, использующих LC, обычно используются колебательные контуры противосвязи настраиваемого типа Колпитса и Хартли.См. Рис. 1.7.

На рис. 1.7 используется транзистор, который является самым основным усилителем.

Частоты колебаний примерно такие же, как резонансная частота контура, состоящего из L, CL1 и Cl2 в контуре Колпитса или состоящего из L1, L2 и C в контуре Хартли. Эти частоты можно представить следующими формулами.

В генераторе с керамическим резонатором индуктор заменен керамическим резонатором, благодаря тому, что резонатор становится индуктивным между резонансными и антирезонансными частотами. Чаще всего используется схема Колпитса.

Принцип действия этих колебательных контуров можно увидеть на рис. 2.1. Колебание возникает, когда выполняются следующие условия. Коэффициент усиления контура: G = a: B> 1 ​​ Количество фаз:

В схеме Колпитца используется инверсия 180, и она инвертируется больше, чем = 180 с L и C в цепи обратной связи. Так же можно считать работу с керамическим резонатором.

Приложения

Типовая схема колебаний: Наиболее распространенной схемой генератора для керамического резонатора является схема Колпитца.Конструкция схемы зависит от области применения, используемой ИС и т. Д. Хотя базовая конфигурация схемы такая же, как и у генератора с кварцевым управлением, разница в механической добротности возникает из-за разницы в константах схемы. Ниже приведены некоторые типичные примеры.

Соображения по конструкции: Становится все более распространенным конфигурирование колебательного контура с цифровой ИС с использованием затвора инвертора. На рис. 3.1 на следующей странице показана конфигурация базового колебательного контура с КМОП-инвертором.ИНВ.1 работает как инвертирующий усилитель для колебательного контура. INV.2 используется как формирователь формы сигнала, а также действует как буфер для вывода. Сопротивление обратной связи Rf обеспечивает отрицательную обратную связь вокруг инвертора, поэтому колебания начинаются при подаче питания. Если значение Rf слишком велико, а сопротивление изоляции входного инвертора слишком низкое, колебания прекратятся из-за потери усиления контура. Кроме того, если Rf слишком велико, в колебательный контур может быть внесен шум от других цепей.Очевидно, если Rf = 1M обычно используется с керамическим резонатором. Демпфирующий резистор Rd выполняет следующую функцию, хотя иногда ее не используют. Это ослабляет связь между инвертором и цепью обратной связи; тем самым уменьшая нагрузку на выходной стороне инвертора. Кроме того, стабилизируется фаза цепи обратной связи. Он также позволяет уменьшить усиление на более высоких частотах, тем самым предотвращая возможность паразитных колебаний.

Емкость нагрузки: Емкость нагрузки CL1 и CL2 обеспечивает фазовую задержку 180.Эти значения следует правильно выбирать в зависимости от приложения, используемой ИС и частоты. Если значения CL1 и CL2 ниже, чем необходимо, усиление контура на высоких частотах увеличивается, что, в свою очередь, увеличивает вероятность паразитных колебаний. Это особенно вероятно в районе 4-5 МГц, где находится мода вибрации толщины.

Это ясно показывает, что на частоту колебаний влияет емкость нагрузки. Следует соблюдать осторожность при определении его значения, когда требуется жесткий допуск на частоту колебаний.

Инвертор CMOS: Инвертор CMOS может использоваться в качестве инвертирующего усилителя, одноступенчатый тип группы 4069 CMOS является наиболее полезным. Из-за чрезмерного усиления кольцевые колебания или колебания CR являются типичной проблемой при использовании трехступенчатого инвертора буферного типа, такого как группа 4049. ECS использует RCA CD4O69UBE в качестве стандартной схемы CMOS, как показано на рис. 3.2.

Схема инвертора HCMOS: В последнее время высокоскоростная CMOS (HCMOS) все чаще используется для схем, обеспечивающих высокую скорость и низкое энергопотребление для микропроцессоров.Есть два типа инверторов HCMOS: серия 74HCU без буфера и серия 74HC с буфером. Система 74HCU оптимальна для керамических резонаторов. См. Рис. 3.3.

Цепь инвертора TTL: Значение емкости нагрузки CL1 и CL2 должно быть больше, чем у CMOS из-за согласования импеданса. Кроме того, сопротивление Rf обратной связи должно быть всего несколько К. Обратите внимание, что сопротивление смещения Rd требуется для правильного определения рабочей точки постоянного тока.

Частотная корреляция: Цепи генератора, показанные на следующей странице, являются стандартными тестовыми цепями ECS.Инверторы, используемые в этих схемах, широко признаны отраслевым стандартом, поскольку их характеристики соответствуют характеристикам микропроцессоров того же семейства (CMOS / HCMOS / TTL). Естественно, приложения будут отличаться в зависимости от того, какая микросхема используется, и, как и следовало ожидать, характеристики схемы генератора будут отличаться от микросхемы к микросхеме. Обычно это изменение незначительно, и номер детали керамического резонатора можно выбрать, просто классифицируя процессор как CMOS, HCMOS или TTL. Учитывая, что стандартные керамические резонаторы ECS на 100% отсортированы по частоте для тестовых схем на следующей странице, относительно легко сопоставить частоту колебаний нашей стандартной схемы с частотой колебаний схемы, указанной заказчиком.Например, если используется микропроцессор Motorola 6805 с частотой 4 МГц, то правильным номером детали ECS будет ZTA4.OMG (частота, отсортированная по испытательной схеме CMOS CD4O69UBE). Параметры цепи следует выбрать, как показано ниже:

Фактически настроив эту схему, а также стандартную испытательную схему, показанную на рисунке 3.1 ниже, можно установить средний сдвиг, который можно ожидать при использовании ZTA5. OMG с процессором 6805. Фактические данные показаны ниже:

Исходя из этих данных, можно предположить, что стандарт ZTA4.Резонатор 00MG будет иметь сдвиг частоты приблизительно + 0,06% от исходных 4,00 МГц + начальный допуск на 0,5%. Это, конечно, незначительное смещение и никаким образом не повлияет на характеристики схемы.

Цепи для различных ИС / БИС:

Керамические резонаторы используются в широком спектре приложений в сочетании с различными типами ИС, хорошо используя ранее упомянутые особенности. Ниже приведены несколько примеров практических приложений.

Применение микропроцессоров: Керамические резонаторы оптимальны в качестве стабильного колебательного элемента для различных типов микропроцессоров: 4-битных, 8-битных и 16-битных. Поскольку общий допуск частоты, необходимый для опорных тактовых импульсов микропроцессоров, составляет + 2% — 3%, стандартные блоки соответствуют этому требованию. Спросите у производителей ECS или LSI о константах схемы, потому что они меняются в зависимости от частоты и используемой схемы LSI. На рис. А показано приложение с 4-битным микропроцессором, а на рис.B показывает приложение с 8-битным микропроцессором.

Дистанционное управление IC: Дистанционное управление становится все более распространенным явлением. Частота колебаний обычно составляет 400-500 кГц, наиболее популярной из которых является 455 кГц. Эти 455 кГц делятся генератором сигнала несущей, так что генерируется около 38 кГц несущей.

Цепи ГУН (осциллятор с управлением напряжением): Цепи ГУН используются в телевизорах и звуковом оборудовании, потому что сигналы должны обрабатываться синхронно с пилот-сигналами, передаваемыми радиовещательными станциями.Первоначально использовались колебательные схемы, такие как LC и RC; однако сейчас используются керамические резонаторы, поскольку они не требуют регулировки и обладают большей стабильностью по сравнению со схемами старого типа. Резонаторы для приложений VCO должны иметь широкую переменную частоту.

Разное: Помимо вышеупомянутых применений, керамические резонаторы широко используются с ИС для синтеза голоса и генерации тактовых импульсов. Для общих приложений управления синхронизацией частота колебаний обычно выбирается пользователем на основе рекомендованного производителем диапазона рабочих частот.Выбор этой частоты с данной ИС будет определять, какие параметры цепи и какой керамический резонатор будут подходящими. При выборе артикула керамического резонатора обращайтесь к местному торговому представителю ECS. Как упоминалось ранее, керамические резонаторы находят множество применений. Некоторые из схем генераторов, более специфичных для конкретного применения, требуют разработки уникальных керамических резонаторов для этого приложения и ИС.

Время нарастания колебаний

Время нарастания колебаний означает время, когда колебания развиваются из переходной области в устойчивую область в момент включения питания ИС. В керамическом резонаторе он определяется как время достижения 90% уровня колебаний в установившихся условиях, как показано на рис. 6.1. Время нарастания в первую очередь зависит от конструкции колебательного контура. Как правило, меньшая емкость нагрузки, керамический резонатор с более высокой частотой и меньший размер керамического резонатора вызывают более быстрое время нарастания. Влияние емкости нагрузки становится более очевидным при уменьшении емкости резонатора. На рис. 6.2 показано фактическое измерение времени нарастания в зависимости от емкости нагрузки (CL) и напряжения питания.Примечательно, что время нарастания керамического резонатора на один-два десятилетия быстрее, чем для кристалла кварца. (Эта точка графически проиллюстрирована на рис. 6.3)

Пусковое напряжение: Пусковое напряжение означает минимальное напряжение питания, при котором может работать колебательный контур. На пусковое напряжение влияют все элементы схемы. Это определяется в основном характеристиками ИС. На рис. 6.4 показан пример фактического измерения характеристик пускового напряжения в зависимости от емкости нагрузки.

ХАРАКТЕРИСТИКИ КОЛЕБАНИЙ КЕРАМИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА

Ниже описаны общие характеристики колебаний в основной цепи. Свяжитесь с ECS International для получения подробных характеристик колебаний для конкретных типов ИС и БИС. Устойчивость к изменению температуры составляет от +0,3 до 0,5% в диапазоне от -20 C до +80 C, хотя она немного варьируется в зависимости от керамического материала. Влияние емкости нагрузки (CL1, CL2) на частоту колебаний относительно велико, что можно рассчитать по формуле для fosc.Fosc изменяется примерно на + 0,1% из-за отклонения емкости + 0,1% в диапазоне рабочего напряжения. Fosc также зависит от характеристик IC.

Характеристики изменения напряжения питания: См. Рис.1 ниже, где приведен пример фактического измерения стабильности для заданной частоты колебаний.

Уровень колебаний: Ниже приведены примеры реальных измерений уровня колебаний в зависимости от температуры, напряжения питания и емкости нагрузки (CL1, CL2). Колебательный уровень должен быть стабильным в широком диапазоне температур, а температурные характеристики должны быть как можно более плоскими. Это изменение линейно с напряжением питания, если IC не имеет внутреннего источника питания постоянного напряжения.

(а) Принцип работы непрерывного резонатора. Свободно распространяющиеся …

Context 1

… в настройке спектров теплового излучения в инфракрасном диапазоне как наноструктурированными поверхностями, так и тонкопленочными пакетами, служащими решетками [1–3], фотонными кристаллами [4 –8] или резонаторов [9–11], широко сообщалось в последние годы.Поскольку тепловое излучение является процессом, присущим всему обычному веществу, оно обеспечивает механизм передачи и потерь энергии, доступный в наиболее мыслимых системах, что позволяет проводить зондирование, спектроскопический анализ или перенос энергии как таковой. Таким образом, области фактического и потенциального применения излучения и обнаружения теплового излучения соответственно разнообразны, от промышленного и ботанического контроля [12–14] до термофотоэлектрического преобразования энергии [15–17], среди прочего. Хотя наноструктурирование поверхностей представляет собой очень мощный инструмент для настройки оптических свойств, оно часто требует дорогостоящих и медленных технологий изготовления, что требует более простых структур, с помощью которых можно адаптировать оптические свойства поверхностей.В этой работе мы представляем адаптированное тепловое излучение из неструктурированного многослойного резонатора, который легко изготовить и подходит для контролируемой настройки теплового узкополосного излучения в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, см. Рис. 1. Излучатель концептуально состоит из двух золотые пленки разной толщины, разделенные слоем аморфного диоксида кремния. Толщина золотых пленок такова, что нижняя пленка полностью отражающая, а верхняя — полупрозрачная, что обеспечивает связь мод резонатора со свободно распространяющимися волнами.Мы спроектировали коэффициент излучения таким образом, чтобы он совпадал с шириной запрещенной зоны GaSb, полупроводникового материала с малой шириной запрещенной зоны, который часто используется для термофотоэлектрического преобразования (TPV). Его ширина запрещенной зоны составляет 0,7 эВ для недеформированного материала, что соответствует длине волны вакуума примерно 1,7 мкм. Структура была недавно исследована Яном [18] на резонансной длине волны 1 мкм и Чжао и др. [19] в видимом диапазоне, что касается его холодных оптических свойств, и было обнаружено, что он демонстрирует резкие резонансы, которые можно настраивать по резонансной длине волны за счет изменения толщины прокладки.Ширина линии и максимальное поглощение в первую очередь определяются толщиной верхнего слоя золота. Концептуально близкую структуру, в которой брэгговский отражатель действует как верхний отражатель, можно найти в [20]. Ранее Wang et al. измерили тепловое излучение очень похожей структуры, но при энергиях, слишком малых для фотоэлектрического преобразования [21]. Здесь мы исследуем тепловое излучение этой структуры на длине 1,72 мкм, то есть на длинах волн, имеющих прямое отношение к термофотоэлектрическому преобразованию.Поскольку эмиттер не требует структурирования слоев и, кроме того, может быть изготовлен из различных металлов и диэлектриков, он имеет потенциал для экономичного масштабирования производства термоэмиттеров для крупномасштабного освещения фотоэлектрических элементов в приложениях TPV. В термодинамическом равновесии тепловое излучение полностью поглощающего и непрозрачного объекта, черного тела, описывается законом излучения, впервые полученным Планком [22], который связывает длину волны и температуру черного тела с его спектральной яркостью I, которая количественно определяет излучаемая мощность на единицу площади, длины волны и телесного угла.Черное тело — идеализированный объект; Излучение любого реального объекта дополнительно описывается их излучательной способностью или излучательной способностью ε λ (T), которая количественно определяет спектральную яркость объекта по сравнению с излучением черного тела. Таким образом, можно выразить спектральную яркость объекта с излучательной способностью ε λ (T) …

Теория кольцевого резонатора

Теория кольцевого резонатора
Далее: « Стандартная модель » для резонаторов: Up: Введение Предыдущая: Круглые оптические микрорезонаторы Содержание Для дальнейшего понимания рассмотрим типичную абстрактную настройку горизонтально соединенного кругового микрорезонатора, как показано на Фигура 1.4. Два прямых волновода с непродолжительной связью. в полость. Для « хорошо замкнутых » мод прямого волновода и резонатора, можно ожидать, что взаимодействие между модами резонатора и портовые волноводные моды локализованы вокруг области ближайшего подход. Следовательно, устройство функционально разложено на две прямолинейно-гнутые. волноводные ответвители (I и II), соединенные между собой резонатором отрезками, т.е. кусками изогнутых волноводов. Внешние подключения обеспечивается прямыми волноводами.

Рисунок 1.4: Функциональная декомпозиция микрорезонатора на изогнуто-прямые волноводные ответвители (показаны пунктирной прямоугольники I и II), с прямым волноводом и изогнутым волноводом соединения.

В этой настройке, как объясняется в следующих параграфах, прогнозирование спектральный отклик резонатора требует описания светового распространение по сегментам полости, анализ отклика изогнутые прямые волноводные ответвители и, наконец, каркас для объединения этих отдельные модули для прогнозирования падения и пропускной способности.Последующие обсуждение в этом разделе предназначено для структур, содержащих мономодальные прямые волноводы и кольцевой резонатор. В главе 4 мы расширяем его на мультимодальная установка.

---

Подразделы

---

Далее: « Стандартная модель » для резонаторов: Up: Введение Предыдущая: Круглые оптические микрорезонаторы Содержание

Киранкумар Hiremath 2005-09-23

RP Photonics Encyclopedia — кольцевые резонаторы, резонаторы, свойства, применения, резонаторы для улучшения, кольцевой лазер, OPO, фильтр, очиститель мод

Энциклопедия> буква R> кольцевые резонаторы

Определение: оптические резонаторы, в которых свет может независимо циркулировать в двух разных направлениях

Более общий термин: оптические резонаторы

Противоположный термин: линейные резонаторы, резонаторы стоячей волны

Немецкий: Ringresonatoren

Категория: оптические резонаторы

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

URL: https://www.rp-photonics.com/ring_resonators.html

Оптические резонаторы могут быть выполнены с двумя разными топологиями:

• Линейные резонаторы (резонаторы стоячей волны) имеют два торцевых зеркала с перпендикулярным падением света. В этом случае циркулирующий свет неизбежно будет иметь два встречных компонента.
• Кольцевые резонаторы не имеют торцевых зеркал; ни одно из зеркал резонатора не отражает свет обратно в себя.

В качестве примера на рисунке 1 показан кольцевой резонатор, в котором свет вводится через частично пропускающее зеркало, а свет выводится через другое зеркало:

Фигура 1: Кольцевой резонатор с внешним входом света через частично пропускающее зеркало и выходное зеркало ответвителя.

Обратите внимание, что падающий свет приводит к циркуляции света в резонаторе только в одном направлении. Таким образом, в верхнем правом углу получается один выходной луч.

Если пропускание обоих плоских зеркал одинаково и два изогнутых зеркала обладают высокой отражающей способностью, у нас есть согласование импеданса в резонансе: вся падающая мощность передается на другую сторону, и фактически нет отраженной мощности, потому что непосредственно отраженная составляющая и свет, выходящий из резонатора, подавляют друг друга за счет деструктивной интерференции.

Кольцевые резонаторы различных форм

Кольцевые резонаторы могут быть образованы путем объединения некоторых лазерных зеркал, как показано выше. Однако есть и другие возможности:

Фигура 2: Настройка неплоского кольцевого генератора.

• Можно использовать полное внутреннее отражение. Это сделано, например, для неплоских кольцевых генераторов (см. Рисунок 2). Ref. В [4] приводится другой пример, в котором используется связь затухающей волны с призмой. Этот механизм обеспечивает различную степень сцепления.
• Волоконно-оптический резонатор можно использовать для создания кольцевого волоконного резонатора. Таким образом можно реализовать резонаторы с очень большим временем обхода. Волоконный соединитель может использоваться для ввода света в резонатор или для его вывода.
• Сферический кусок стекла можно использовать в качестве кольцевого резонатора, демонстрируя так называемые моды шепчущей галереи. Связь возможна с помощью призмы с использованием кратковременных волн.
• Имеются микрокольцевые полости, которые реализованы со встроенной оптикой в ​​виде волноводных структур.Здесь можно использовать затухающую волну связи с прямым волноводом, проходящим через кольцо на близком расстоянии.

Отличия от линейных резонаторов

Кольцевые резонаторы по своим свойствам отличаются от линейных резонаторов по различным параметрам:

• Отраженный свет никогда не вернется прямо к своему источнику, потому что у нас нет нормального падения на какие-либо зеркальные поверхности. Это может быть существенным преимуществом кольцевого резонатора, который используется, например, в качестве очистителя мод для лазера, который в противном случае мог бы раздражаться отраженным назад светом.
• Когда циркулирующий свет попадает на изогнутое (фокусирующее или дефокусирующее) зеркало резонатора, это вносит некоторый астигматизм, поскольку нормального падения не может быть. (Диоптрическая сила изогнутого зеркала различается в тангенциальном и сагиттальном направлениях.) Часто этот астигматизм пытаются минимизировать, используя малые углы падения. Следовательно, обычно используется геометрия кольцевого резонатора в виде галстука-бабочки, как показано, например, на рисунке 1, а не, например, прямоугольная геометрия с углом падения зеркал 45 °.
• В кольцевом резонаторе свет может независимо циркулировать в двух разных направлениях, если не введена некоторая связь, например паразитными отражениями. Пока поддерживается однонаправленная работа, можно избежать присутствия встречного света в кольцевом резонаторе (кроме близких к зеркалам резонатора, где есть некоторое перекрытие падающего и отраженного лучей). Таким образом, исключаются эффекты прожигания пространственных отверстий. Это актуально для некоторых лазеров (см. Ниже).
• Кольцевой резонатор имеет только одну зону устойчивости e.г. относительно диоптрической силы тепловой линзы лазерного кристалла. У линейных резонаторов есть две такие зоны устойчивости.

Применение кольцевых резонаторов

Резонансные резонаторы

Резонансные резонаторы используются в различных приложениях, где можно использовать значительное увеличение циркулирующей оптической мощности.

Особенно важным применением является удвоение резонансной частоты. Здесь часто предпочтительна геометрия кольцевого резонатора (см. Рисунок 3), так как она позволяет избежать обратного отражения света в сторону лазерного источника, и легко объединить практически весь свет с удвоенной частотой на одном зеркале (обычно это зеркало). сразу после нелинейного кристалла).

Рисунок 3: Удвоитель резонансной частоты. Нижнее левое зеркало должно частично пропускать падающий свет накачки, в то время как другие зеркала должны полностью отражать свет накачки. Нижнее правое зеркало должно полностью пропускать удвоенный по частоте свет.

Кольцевые лазеры

В качестве примера на рисунке 4 показан кольцевой лазерный резонатор, содержащий лазерный кристалл и изолятор Фарадея:

Рисунок 4: Кольцевой лазерный резонатор, в котором однонаправленная работа обеспечивается оптическим изолятором.

В то время как большинство лазеров реализовано с использованием линейных резонаторов, которые ориентировочно проще в сборке, в некоторых ситуациях предпочтительны кольцевые лазерные резонаторы:

Оптические параметрические генераторы

Аналогичным образом кольцевые резонаторы используются для параметрических генераторов оптики (OPO). Здесь обычно используется резонанс либо для сигнальной лампы, либо для холостой волны. В некоторых случаях реализуется двухрезонансный ПГС, в котором резонансны и сигнал, и холостой ход.

Фильтрация и обработка сигналов

Есть несколько вариантов применения кольцевого резонатора в качестве оптического фильтра.Например, в интегральной оптике можно реализовать крошечные кольца, которые соединены со всеми прямыми волноводами с противоположных сторон. Только когда входной свет в волновод является резонансным, он будет входить в кольцо и попадать в другой волновод, в то время как свет со всеми оптическими частотами передается по первому волноводу. Такие методы могут использоваться, например, для оптоволоконной связи с мультиплексированием с разделением по длине волны.

Генерация частотной гребенки

Для создания гребенок частот используются специальные виды кольцевых резонаторов [7, 8].

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор примет решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также наше заявление о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, свяжитесь с ним e.г. по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала проверяются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

[1]	Т. Дж. Кейн и Р. Л. Байер, «Монолитный однонаправленный одномодовый кольцевой лазер Nd: YAG», Опт. Lett. 10 (2), 65 (1985), DOI: 10.1364 / OL.10.000065
[2]	W. W. Chow et al. , «Кольцевой лазерный гироскоп», Ред. Мод. Phys. 57, 61 (1985), DOI: 10.1103 / RevModPhys.57.61
[3]	S. De Silvestri et al. , “Эффекты стержневого термолинзирования в кольцевых резонаторах твердотельных лазеров”, Опт. Commun. 65 (5), 373 (1988), DOI: 10.1016 / 0030-4018 (88) -X
[4]	K. Fiedler et al. , “Высокоэффективное удвоение частоты с помощью двухрезонансного монолитного кольцевого резонатора полного внутреннего отражения”, Опт.Lett. 18 (21), 1786 (1993), DOI: 10.1364 / OL.18.001786
[5]	L.E. Nelson et al. , «Волоконные кольцевые лазеры ультракоротких импульсов», Прил. Phys. B 65, 277 (1997), DOI: 10.1007 / s003400050273
[6]	K. I. Martin et al. , «Стабильная, мощная, одночастотная генерация на длине волны 532 нм от кольцевого лазера на Nd: YAG с диодной накачкой и внутрирезонаторным удвоителем частоты LBO», Прил. Опт. 36 (18), 4149 (1997), DOI: 10.1364 / AO.36.004149
[7]	I. Demirtzioglou et al. , «Генерация частотной гребенки в модуляторном кремниевом кольцевом резонаторе», Опт. Express 26 (2), 790 (2018), DOI: 10.1364 / OE.26.000790
[8]	М. Чжан, «Генерация широкополосной электрооптической гребенки частот в микрокольцевом резонаторе из ниобата лития», Nature 568, 373 (2019), doi: 10.1038 / s41586-019-1008-7
[9]	Р. Пашотта, пример кольцевого резонатора с программным обеспечением RP Resonator

(Предлагайте дополнительную литературу!)

См. Также: оптические резонаторы, кольцевые лазеры, резонаторы стоячей волны, лазерные резонаторы
и другие товары в категории оптические резонаторы

Если вам понравилась эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e.г. через соцсети: Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь требуемый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
 Статья о кольцевых резонаторах  
 в  
 Энциклопедия фотоники RP   

С изображением для предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
  alt = "article">   

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/ring_resonators.html 
, статья «Кольцевые резонаторы» в энциклопедии RP Photonics]  

Высокоскоростной электрооптический модулятор с тройным микрокольцом

Принцип и оптический спектр

Схематично микрокольцевой модулятор показан на рис.1 (а). Он состоит из трех колец 1, 2 и 3. Кольца 1 и 2 имеют одинаковую геометрию и работают как двойной микрокольцевый резонатор для хранения оптической энергии ¹² . Кольцо 3 является компонентом цепи обратной связи по энергии и используется для излучения света из порта A. Когда кольцо 3 настроено на резонанс, проходящий свет из порта B возвращается в полость. В этом случае резонанс кольца 3 такой же, как у колец 1 и 2. Когда кольцо 3 настроено на выход из резонанса путем изменения показателя преломления, полость испускает свет из тракта обратной связи в порт A.Даже находясь в таком выключенном состоянии, кольца 1 и 2 сохраняют достаточную энергию фотонов в оптическом резонаторе, что является ключевым моментом для модуляции интенсивности связи.

Рисунок 1

Схема модулятора трехкольцевого резонатора. ( a ) Структура модулятора. ( b ) Сечение волновода. ( c ) Фундаментальное распределение мод TE. Длина волноводов L ₀ = L ₁₁ = л ₁₂ = л ₁₃ = 40 мкм, L ₁ = л ₂ = л ₃ = л ₄ = 240 мкм, L ₅ = л ₆ = 120 мкм, L ₇ = л ₈ = 240 мкм, L ₉ = 80 мкм и L ₁₀ = 400 мкм.Модель L ₁ , L ₂ , L ₃ и L ₄ выбраны для установки резонанса, близкого к длине волны 1550 нм. Интегральный коэффициент модального перекрытия Γ равен 0,525.

Для работы микрокольцевого резонатора с перестраиваемым показателем преломления использовался гибридный кремниевый и электрооптический (ЭО) полимерный микрокольцевый резонатор ²¹ .Ранее мы показали, что волноводный модулятор обеспечивает большой ЭО-эффект в устройстве. Измеренный коэффициент ЭО ( r ₃₃ ) была выше 100 пм / В на длине волны 1550 нм. Благодаря относительно высокому показателю преломления гибридного волновода, кольцевой резонатор диаметром 100 мкм с Q был реализован для применения модулятора кольцевого резонатора EO ²² . На рис. 1 (б) показано поперечное сечение гибридного волновода.В качестве сердцевины использовался ультратонкий кремний толщиной 48 нм и шириной 1,5 мкм. Затем он был покрыт слоем полимера ЭО толщиной 1,2 мкм. На рисунке 1 (c) показано рассчитанное распределение ТЕ-моды по волноводу. В такой геометрии волновод обеспечивает распространение света на границе слоев кремния и полимера ЭО, таким образом, волновод демонстрирует подходящее модальное перекрытие для модуляции ЭО. Распределение электрического поля непрерывно в вертикальном направлении, в то время как горизонтальные неоднородности на границах кремния существуют из-за большой разницы показателей преломления между кремнием и полимером ЭО.Основываясь на этих экспериментальных и теоретических свойствах, мы использовали метод ступенчатой ​​динамики для расчета модуляции интенсивности связи ^{23, 24} .

Коэффициент самосвязывания ( т _кв.м ) и коэффициент поперечной связи ( κ _кв.м ) в точках сцепки м ^{-й микрокольцо} обозначено | т _кв.м | ² + | κ _кв.м | ² = 1 для связи без потерь.Для расчета спектров оптического пропускания мы выбрали κ ₁ = κ ₂ = κ ₃ = −0,4i, а потери передачи α = 4 дБ / см. Эффективный показатель преломления n _eff волновода 1,643. Кольцо 3 настраивается за счет ЭО свойства гибридного волновода. Согласно ожидаемому изменению показателя преломления (Δ n = 4 × 10 ⁻⁴ ) в кольце 3, спектральное изменение выходных огней из портов A, B и C получается, как показано на рис.2. В порте A четкие состояния «ВКЛ» и «ВЫКЛ» можно увидеть на центральной длине волны 1550,02 нм. В модуляторе интенсивности связи двойной микрокольцевый резонатор накапливает оптическую энергию. Следовательно, спектры порта B показывают относительно высокие свойства — Q , имея 8,333 и 4,403 в состояниях «ВКЛ» и «ВЫКЛ», соответственно. Кроме того, модулятор преодолевает ограничение на время жизни фотонов резонатора.

Рисунок 2

Оптические спектры микрокольцевого резонатора. ( a ) При резонансе в кольце 3 и ( b ) вне резонанса путем добавления настройки показателя преломления Δ n = 4 × 10 ⁻⁴ .{3} {r} _ {33} {\ rm {\ Gamma}} E \), где r ₃₃ — коэффициент EO в устройстве, Γ — интегральный коэффициент модального перекрытия, E — приложенное электрическое поле ²⁵ . Для простоты выбираем r ₃₃ = 150 пм / В для установки r ₃₃ Γ = 80 пм / В. Мы предполагаем, что электроды в геометрии копланарной ленты имеют зазор 4 мкм. Несоответствие скоростей между оптической волной и возбуждающей микроволной может быть выражено через разницу показателей.Мы установили разницу показателей равной 0,2 в качестве компромисса, принимая во внимание низкую диэлектрическую проницаемость полимера ЭО.

Для модуляции применяется синусоидальный электрический сигнал с размахом напряжения 2,0 В. Модулированные выходные сигналы с частотами 20 ГГц и 80 ГГц показаны на рис. 3. Напряжение смещения также применяется для установки модулятора на половине выходной точки для линейного электрического и оптического режима. Четкие формы выходных сигналов можно наблюдать на обеих частотах без каких-либо искажений.Амплитуда интенсивности света на частоте 80 ГГц немного меньше, чем на частоте 20 ГГц. На рис. 4 используются непрерывные частотные сигналы от 0,1 до 500 ГГц для определения свойства полосы пропускания модулятора. Максимальная глубина модуляции составляет 0,23 или 6,4 дБ. Такая глубина модуляции больше, чем сообщается для MZIMR, и сравнима с MZIMR ²⁰ с фазовым кольцом. На рис. 4 есть область плато между 10 ГГц и 80 ГГц, которая предлагает большое окно полосы пропускания для приложения высокоскоростного модулятора.Глубина модуляции уменьшается на более высоких частотах, и модулятор демонстрирует полосу пропускания 3 дБ, равную 103 ГГц. Хотя MZIMR теоретически предсказал свойство неограниченной полосы пропускания ^{14,15,16,17,18} , ограничение частоты в нашем модулятора предположительно является результатом индексной модуляции в кольце 3. Это приводит к спаду глубины модуляции при очень высоких значениях. частоты модуляции, потому что боковые полосы уменьшаются с увеличением частоты модуляции ^{15, 20} . Когда частота увеличивается до целого числа, кратного свободному спектру (FSR), модуляция вызывает значительное уменьшение циркулирующего поля в резонаторе ¹⁶ .На рис. 4 колебания и точки резонанса наблюдаются на частоте более 160 ГГц. Такое ограничение аналогично тому, которое существует в MZIMR ^{1, 20} с фазовым кольцом. Обратите внимание, что, принимая во внимание эффект спада, упомянутый выше, частота в точке резонанса не является точным целым кратным FSR.

Рисунок 3

Модулированные выходные сигналы резонатора. Частоты модуляции — 20 ГГц и 80 ГГц. Здесь размах напряжения управляющего напряжения равен 2.0 В. Модулятор смещен, чтобы установить центр выходных сигналов на 0,5 по продольной координате.

Рисунок 4

Частотная характеристика резонаторного модулятора.

Свойства импульсной модуляции

Для аналоговой синусоидальной модуляции модулятор должным образом смещен в половине выходной точки, как упомянуто выше. Следовательно, во время модуляции кольцо ворот всегда находится в «открытом» состоянии. В таком открытом состоянии скорость модуляции ограничена из-за уменьшения запасенной энергии и Q -фактора резонатора.С другой стороны, импульсная модуляция является решающим методом, который обеспечивает высокоскоростную цифровую передачу с помощью простых сигналов «0» и «1». Поскольку для этой модуляции не требуется регулирование напряжения смещения, в резонаторе может храниться больше энергии. Чтобы охарактеризовать реакцию на цифровые сигналы, мы сначала применили серию импульсов без возврата к нулю (NRZ) с чередованием «0» и «1» на модулятор микрокольца и рассчитали форму выходного сигнала. Затем мы использовали псевдослучайную последовательность NRZ для исследования глазковой диаграммы и BER.

На рисунке 5 показаны оптические выходы модулятора при подаче импульсного сигнала с интервалами 100 пс и 500 пс, которые соответствуют частотам повторения 10 Гбит / с и 2 Гбит / с, соответственно. Пиковое напряжение последовательности импульсов NRZ составляет 2,0 В. Видно, что амплитуды выходных световых сигналов для обеих скоростей сигнала почти одинаковы. Коэффициент ослабления составляет 20 дБ, что превосходит значение, указанное в предыдущем модулированном по интенсивности связи MZIMR ^{11, 20} . В обоих импульсных ответах видны небольшие колебания на переднем фронте сигналов.Такое колебание можно объяснить эффектом памяти микрокольца ^{16, 20} . В этой конструкции указатель кольца 3 настроен вместо κ ₃ . Циркулирующее поле в кольце 3 подвергается непрерывной индексной модуляции и временной задержке. Следовательно, кольцо не может реагировать на быстрое изменение импульсного сигнала на переднем фронте и вызывает короткие колебания перед стабилизацией. Такое неожиданное искажение заметно в форме импульса на более высокой частоте.Хотя избыточный уровень шума достаточно мал, чтобы его можно было отфильтровать с помощью технологии обработки сигнала, использование меньшего кольца — еще одно решение для подавления таких колебаний.

Рисунок 5

Выход модуляции серии импульсов NRZ с интервалами между импульсами 100 и 500 пс. Последовательность импульсов NRZ состоит из чередующихся кодов «0» и «1» с напряжением 2,0 Vpp.

На рисунке 6 показаны глазковые диаграммы выходного сигнала при скоростях импульсной модуляции 120, 140 и 160 Гбит / с.Последовательность импульсов состоит из 2 ²³ -1 сигнала псевдослучайной битовой последовательности (PRBS) с размахом напряжения 2,0 В. Глазковые диаграммы четко открываются при каждой скорости модуляции. Модулятор показал очень низкий BER-отклик с четкими передними и задними фронтами, точным выравниванием кода и небольшим дрожанием. Расчетные значения BER при этих скоростях меньше 1 × 10 ⁻⁸ . С другой стороны, глазковые диаграммы становились нечеткими с увеличением BER, когда скорость модуляции увеличивалась более чем на 200 Гбит / с.

Рисунок 6

Глазковые диаграммы выходного сигнала модуляции 2 ²³ -1 PRBS. Скорости модуляции составляют ( a ) 120 Гбит / с, ( b ) 140 Гбит / с и ( c ) 160 Гбит / с соответственно.

При анализе глазковой диаграммы отношение сигнал / шум ( SNR ) можно получить из исх. 26

$$ SNR = \ frac {{\ mu} _ {2} — {\ mu} _ {1}} {{\ sigma} _ {2} + {\ sigma} _ {1}} $$

(1)

где мкм ₁ и мкм ₂ — амплитуды глаз на нижнем и верхнем краях соответственно. σ ₁ и σ ₂ — шумы мкм ₁ и мкм ₂ соответственно. На рис.6 (a) SNR оценивается как 33,33 для 120 Гбит / с, а коэффициент ослабления составляет 16,84 из ER = 10 log ( μ ₂ / мкм ₁ ).Согласно классической формуле Шеннона, определенной как C = W log ₂ (1 + SNR ), способность модуляции ( C ) предлагаемого микрокольцевого модулятора составляет 525 Гбит / с с использованием полосы пропускания ( W ). ) 103 ГГц. Хотя расчет теоретически основан на идеальных условиях, полученный результат подтверждает потенциально доступную сверхвысокую скорость отклика резонатора с тройным микрокольцом.

Резонатор — Как работают глушители

Когда волна попадает в отверстие, часть ее продолжается в камеру, а часть отражается.Волна проходит через камеру, ударяется о заднюю стенку глушителя и отскакивает обратно из отверстия. Длина этой камеры рассчитывается таким образом, чтобы эта волна покидала камеру резонатора сразу после того, как следующая волна отражается от внешней стороны камеры. В идеале, часть волны высокого давления, которая вышла из камеры, должна совпадать с частью волны низкого давления, которая отражалась от внешней стороны стенки камеры, и две волны будут нейтрализовать друг друга.

Сглаживание волн внутри упрощенного глушителя

На самом деле звук, исходящий от двигателя, представляет собой смесь множества разных частот звука, и поскольку многие из этих частот зависят от оборотов двигателя, звук почти никогда не бывает точным. правильная частота, чтобы это произошло.Резонатор лучше всего работает в диапазоне частот, в котором двигатель производит наибольший шум; но даже если частота не совсем та, на которую был настроен резонатор, он все равно будет производить некоторые деструктивные помехи.

Некоторые автомобили, особенно автомобили класса люкс, где бесшумная работа является ключевой особенностью, имеют еще один компонент в выхлопе, который выглядит как глушитель, но называется резонатором. Это устройство работает так же, как камера резонатора в глушителе — размеры рассчитаны таким образом, чтобы волны, отраженные резонатором, помогали нейтрализовать определенные частоты звука в выхлопе.

Внутри этого глушителя есть и другие особенности, которые помогают снизить уровень шума различными способами. Корпус глушителя состоит из трех слоев: двух тонких слоев металла с более толстым, слегка изолированным слоем между ними. Это позволяет корпусу глушителя поглощать некоторые импульсы давления. Кроме того, входные и выходные патрубки, идущие в основную камеру, перфорированы с отверстиями.