Устройство резонатора: Устройство, принцип работы и ремонт резонатора глушителя

Устройство резонатора выхлопной системы

Что такое резонатор? — DRIVE2

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

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.

зачем нужен, устройство, чем отличается резонатор от глушителя

Назначение резонатора

Вспышка топливной смеси в камере сгорания поршневой системы — это взрыв небольшой мощности. Сопровождается звуком, характерным для такого взрыва. Это знакомо каждому, кто слышал работу любого ДВС без выхлопной системы. При этом давление отработавших выхлопных газов поступает в выхлопную систему импульсами, от вспышки до вспышки. Периодичность импульсов равна периодичности хода каждого поршня от НМТ к ВМТ.

Функция резонатора:

• выровнять импульсные перепады давления отработавших газов;
• первично погасить звуковые вибрации, снизить шум;
• снизить температуру выхлопных газов.

На современных авто стоят катализаторы (нейтрализаторы). Они могут быть установлены как перед резонатором, так иногда и внутри резонатора.

Чем отличается глушитель от резонатора

Задний глушитель принимает от резонатора смягченный по импульсам давления поток газов, с более низкой температурой. Его задача — окончательно погасить уже приглушенные акустические вибрации (шум) и отвести токсичные газы за пределы авто, чтобы они не попадали в салон или на кузов авто, повреждая поверхности. У резонатора и глушителя несколько разные задачи и нагрузки, потому их конструкция всегда отличается.

Устройство резонатора

У каждой модели ТС, будь то авто, трактор, мопед или какое угодно другое, своя уникальная конструкция выхлопной системы. Общее в устройствах всех резонаторов:

• входной и выпускной патрубки;
• расширенная емкость обработки потоков;
• трубки с отверстиями и деления на камеры внутри;
• в некоторых моделях звукопоглащающий термостойкий материал, чаще всего базальтовое волокно.

Передовые и хорошо продуманные конструкции современных резонаторов имеют важное свойство. За счет особенностей циркуляции отработанных газов внутри полости резонатора в определенный момент между выхлопами создается разрежение.

Оно крайне мало по времени, но помогает вытягивать газы из части системы, стоящей ближе к ДВС. Это помогает избежать загрязнения от нагара и в некоторой степени повышает мощность ДВС.

Неполадки в работе резонатора

Вся система отвода выхлопных газов работает в крайне агрессивных условиях:

• высокая температура;
• попадание влаги на раскаленные поверхности;
• воздействие противоледных реагентов;
• вибрации, риск механических повреждений о бордюры, камни и т.д.

Причем резонатор принимает более горячий первичный поток отработанных газов, чем задний глушитель. Температура выхлопных газов может достигать 700С^о. Некачественные сплавы при таких температурах быстро выгорают, коробятся, ржавеют от попадания влаги и реагентов. А попадание влаги на раскаленную поверхность может вызвать коробление всей конструкции, если она выполнена из неподходящего сплава. Лучшим материалом для таких систем считается нержавеющая сталь в сплаве с металлами и компонентами для повышения стойкости.

Самые обычные неполадки резонатора:

• Расстыковка соединения резонатора с предыдущими и последующими деталями системы.
• Разрушение внешней оболочки.
• Засорение нагаром внутренних деталей, полостей трубок и отверстий, камер и проходов.
• Разрушение внутренних деталей от выгорания.

Проверка резонатора

Нарушения в работе резонатора всегда заметны. Разрушение внешней оболочки приводит к явному усилению шума при работе двигателя. Место разрушения диагностируется простым визуальным осмотром. Авто ставят на смотровую яму и внимательно осматривают. Причем разрушение может быть, конечно, не только в резонаторе.

Также проверяется расстыковка патрубков. В основном она происходит из-за механического удара или полного выгорания внутренних диаметров патрубков, там, где резонатор соединен с другими деталями.

Разрушение внутренних деталей также приводит к изменению звука работающего двигателя, причем всегда в сторону увеличения шума.

Заполнение внутренних деталей нагаром проявляется противоположными признаками:

• Двигатель начинает работать тише.
• Мощность двигателя теряется, иногда значительно.

Последний момент особо важен. Здесь сказываются принципиальные особенности работы всех без исключения выхлопных систем. На то, чтобы преодолеть сопротивление проходу выхлопных газов от выхлопных окон цилиндров через выхлопную систему, требуется давление. На создание этого давления тратится часть мощности любого ДВС. Чем труднее проход газов через выхлопную систему, тем больше мощности уходит на преодоление этого сопротивления. Когда проходы и отверстия трубок резонатора забиты нагаром, двигатель душится и не может работать в полную мощь. При этом. если резонатор забит сильно, облачка дыма могут появляться перед ним, например, на месте стыка его с коллектором.

Резонатор может забиваться нагаром чаще и больше, чем другие детали системы по следующим причинам:

• Задний глушитель получает выхлопы с меньшим количеством сажи, часть её остается в резонаторе.
• В коллекторе перед резонатором сажа выгорает из-за высочайших температур.

В любом случае диагностика неполадок резонатора всегда достаточно проста.

Виды автомобильных резонаторов

Резонаторы на разных транспортных средствах отличаются по:

• Размерам. Могут быть длинными или короткими, круглыми или овальными.
• Сплавам, из которых изготовлены.
• Внутренней конструкции, её сложности. Простые называют моноблочными. Сложные — комбинированными.

Самые большие отличия между резонаторами для двухтактных и четырехтактных ДВС. Первые просты и даже примитивны, вторые на порядок сложнее. Причем чем дальше идет прогресс авто, тем сложнее, но эффективнее становятся выхлопные системы, включая резонаторы.

Резонатор своими руками

Дорогие авто и самодельные резонаторы на них — понятия малосовместимые. Для таких авто заказывают, как правило, оригинальные детали от производителя. Но на большинстве самых массовых авто это не самая сложная деталь. Имея доступ к необходимому металлообрабатывающему и сварочному оборудованию, её вполне можно изготовить собственными силами. Но для корректной работы ДВС дубликат должен точно имитировать оригинал. Каждый резонатор рассчитывается для работы в паре с определенным глушителем. Изменение конструктивных параметров любого изделия из этой пары может привести к самым непредсказуемым изменениям в работе ДВС. Он может либо задыхаться, либо работать слишком громко.

К тому же нельзя сделать резонатор из обычной жести. Он быстро выйдет из строя.

Чаще всего резонаторы не делают полностью своими силами, а подгоняют от других моделей по размерам и креплениям. Иногда это оправданно. Например, если резонатор вышел из строя у почти раритетного импортного микроавтобуса. Запчастей нет. Такая машина без лишних претензий. На неё можно подогнать доступный передний глушитель, например, от «Газели».

Вполне доступен локальный ремонт своими силами прогоревшей внешней оболочки. Задача простая — залатать дыру. Последовательность такого ремонта:

• Применяется специальная термостойкая мастика с отвердителем. Участок с поврежденной поверхностью зачищают наждаком и обезжиривают, согласно инструкции по применению мастики.
• Наносят термостойкую мастику, разведенную с отвердителем, также согласно инструкции по её применению.
• На поврежденное место накладывают пластину из металла, который можно без труда изогнуть по форме резонатора.
• Пластина крепится с помощью саморезов по металлу (наконечник-сверло) или по просверленным отверстиям сверлом меньшего, чем саморезы, диаметра.
• Двигатель заводят после полного застывания мастики, согласно сроку, указанному в инструкции.

Но чаще всего такие заплатки ставят при помощи сварки.

Использование обеих способов возможно, только когда повреждение локально, а весь корпус остается крепким.

То есть тогда, когда есть к чему крепить заплату. Поэтому, прежде чем принять решение о таком ремонте, надо прощупать прочность всего корпуса острым металлическим предметом. Полностью пришедший в негодность резонатор проткнется во многих местах.

Снятие и установка резонатора

Вначале нужно обеспечить свободный доступ к днищу автомобиля. Его ставят на эстакаду, смотровую яму или поднимают домкратом. В последнем случае под колеса с обеих сторон подкладывают стандартные башмаки, кирпич или бруски, чтобы не случилось скатывания. А опору домкратом обазательно дублируют опорой из надежных стоек — деревянные пни и т.п.

Демонтаж

Все элементы выхлопной системы крепятся на хомутах с помощью обычных болтов с головками под ключ на 13,14, или 17. Но если на новой машине резьбы не были предусмотрительно обработаны термостойкой смазкой (например, медной), то на машине возрастом от 3 лет и более для демонтажа резонатора потребуются инструменты для спиливания или срыва гаек и болтов. Из-за агрессивной среды, о которой говорилось выше, резьбы разрушаются очень быстро. Вначале можно обработать резьбы средствами типа WD и попытаться открутить обычным способом. Но при демонтаже нужно быть готовым к тому, что это грязная работа, требующая больших усилий. К тому же травмоопасная:

• Ключи срываются с головок, и рука может пораниться, задев острые металлические детали. Нужно использовать прочные рукавицы или перчатки и предусмотреть, куда двинется рука в случае срыва ключей.
• Грязь с днища авто может осыпаться и попасть в глаза. Нужно использовать защитные очки.

Монтаж

Ставить на место новый или отремонтированный резонатор — более чистая работа, чем демонтаж. Все сорванные и некачественные болты и хомуты меняются на новые. Резонатор ставится точно так и туда, где он был. Резьбы новых болтов желательно защитить медной смазкой.

В процессе эксплуатации резонатор не требует технического обслуживания. При возникновении проблем он как бы сам сообщает о них владельцу повышенным ревом или, наоборот, снижением мощности ДВС и шума. Это не такая труднодоступная часть, как коленвал. И замена не требует много времени. Поэтому проблемы с резонатором вполне устранимы.

Устройство резонатора

Резонатор, устройство выхлопной системы автомобиля. Какую именно функцию выполняет и на что именно влияет работа резонатора?

Как устроен резонатор, для чего нужен

Резонатор является частью системы глушителя автомобиля, поэтому есть мнение, что его основная функция – снижение уровня шума работы двигателя. Да, резонатор влияет и на это, но есть другие, не менее важные задачи. Резонатор отвечает за уменьшение сопротивления выхлопных газов при движении по выхлопной системе. Происходит это благодаря внутренней структуре устройства резонатора, при забивке которой автомобиль начинает работать в аварийном режиме.

В результате отмечается снижение мощности работы двигателя, повышается расход топлива, усиливается вибрация кузова, и, конечно же, повышается шум рабочего двигателя. Принятие решения о самостоятельном удалении резонатора и замене его просто частью трубы только усугубляет проблему. Полая труба не сможет справиться со сглаживанием колебаний, образующихся при сгорании топлива, не понизит температуру выбрасываемого газа, все это повлечет скорейший износ более дорогих деталей автомобиля.

Иногда резонатор удаляют и вместо него как раз монтируют трубу, но делать это должен профессиональный мастер после проведения определенных расчетов для каждого автомобиля индивидуально. Ведь кроме повышения шума, нарушается и состав выбрасываемого в атмосферу газа, это может стать причиной отказа при прохождении ТО.

Устройство резонатора и принципы работы

Резонатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого размешается система перегородок с нанесенной перфорацией. Работа устройства заключается в следующем:

Резонатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого размешается система перегородок с нанесенной перфорацией.

• Изменение колебания потока выбрасываемых газов. Амплитуда колебаний увеличивается, соответственно их частота уменьшается, это достигается созданием камер разного размера, нанесением перфорации на стенки, образующие препятствия для прохождения выхлопных газов по устройству. Это гасит интенсивность звуковых волн.
• Камеры, расположенные внутри корпуса резонатора расширяют и сужают поток газов во время прохождения через устройство.
• Трубки и преграды, расположенные внутри корпуса резонатора гасят пульсации высоких и средних частот, образующиеся в результате сгорания топлива. Достигается это опять же при помощи сложной внутренней структуры устройства.
• Проникая через отверстия перфорации в трубках, расположенных внутри резонатора, выхлопные газы скапливаются, и в какой-то момент стравливаются.

Некоторые виды резонаторов делятся на внутренние камеры, каждая выполняет свою функцию. Например, последняя камера изготавливается из материала, который обладает звукоизоляционными свойствами, для гашения интенсивности звуковых волн работы системы ДВС.

Внешний корпус устройства чаще всего изготавливается из нержавейки, или, более дешевый вариант – стали с нанесением слоя алюминия, защищающего резонатор от коррозии. Резонаторы, выполненные из нержавеющей стали более устойчивы к коррозии, но из-за высокой стоимости устанавливаются не на все современные автомобили.

Устройство прямоточного резонатора

Прямоточный резонатор является разновидностью резонатора, еще его называют спортивным. Этот вид устройства имеет другую внутреннюю структуру – камеры внутри корпуса резонатора отсутствуют, сопротивления при движении не возникает. Это приводи к тому, что выхлопные газы, проходя через резонатор, не меняют направления, пульсации выхлопа не сглаживаются, звук работы систем автомобиля не гасится.

Прямоточный резонатор не монтируется заводом-изготовителем авто. Как правило, им заменяют «родной» резонатор при тюнинге системы глушителя. Учитывая все аспекты работы резонатора и работу всех устройств, на которые он оказывает влияние, такую замену необходимо производить очень осторожно и только у профессионалов. Некачественная замена, подбор резонатора, не отвечающего требованиям автомобиля, может повлечь за собой ремонт других систем, негативно сказаться на комфорте автомобиля.

Что такое резонатор и нужен ли он? — DRIVE2

В автомобильных кругах вы слышите, как много людей говорят о резонаторах. Это глушитель? Является ли это частью стереосистемы? Что такое резонатор? Резонатор является частью вашей выхлопной системы, но это не глушитель. Его иногда называют предварительным глушителем, потому что он установлен в выхлопной системе после каталитического нейтрализатора и перед глушителем. У некоторых автомобилей и грузовиков есть они, у других — нет.

Должен ли я заменить плохой резонатор или оставить?

Есть две ситуации, которые потребуют замены или установки резонатора. Во-первых, когда ваш автомобиль был оснащен резонатором с завода. Это подробно описано ниже. Вторая ситуация была бы, если бы вы добавляли пользовательскую выхлопную систему на свой автомобиль или грузовик. Пользовательские системы настроены больше для лошадиных сил, чем для тишины, но добавление резонатора замедляет работу до скучного рева, но при этом высвобождает выхлоп для двигателя, чтобы сделать максимальную мощность. Резонаторы часто используются в пользовательских выхлопных системах, чтобы дать им тот глубокий, хриплый звук, который так много автомобилей с высокими характеристиками, и хотят! Если ваш резонатор ржавеет, или вы ремонтируете свою выхлопную систему и задаетесь вопросом, стоит ли оставлять лишние килограммы, стоит. Его отсутствие может «сбить» настройки вашего двигателя.

Что делает резонатор?

Резонатор, установленный как часть выхлопной системы вашего автомобиля или грузовика, служит одной из основных целей — резонировать.

Это своего рода эхо-камера для выхлопной системы вашего автомобиля, приготавливая весь громкий шум, исходящий от вашего двигателя, для глушителя, чтобы заставить его замолчать. Но науки гораздо больше. Резонатор не просто удаляет звук, он меняет его. Когда ваш автомобиль был спроектирован, была команда акустических инженеров, которые были уверены, что любые звуки, которые приходят с вашего автомобиля во время вождения, настолько приятны, насколько это возможно.

Очевидно, самым приятным для многих было бы тихая машина! Вы могли бы спроектировать глушитель, который бы почти не выходил из выхлопной трубы автомобиля, но это было бы настолько ограничительным, что ваш автомобиль был бы ужасно медленным и выдавал ужасный звук и загрязнял атмосферу! Как и многие вещи в жизни, и в автомобилях, ответ — это компромисс. Глушитель подает достаточно шума, чтобы сделать вещи приятными. По мере разработки выхлопных систем, инженеры поняли, что вы можете играть со звуком до того, как он достигнет глушителя, и выпустите еще больше эффективности и мощности от двигателя, не делая его громче. Этот ответ был резонатором. Выпускные импульсы, поступающие в выхлопную систему на двигателе, заполняются звуками высоких и низких частот. Звуки отскакивают назад и вперед внутри трубы, немного меняясь, особенно когда они меняют направление внутри трубы. Инженеры поняли это и решили искать способ, которым они могли бы воспользоваться. Они узнали, что если они разработали пустую камеру для выхлопных газов, то импульсы будут отскакивать там — резонировать — и некоторые из них отменяют друг друга.

Как повезло, раздражающие более высокие тона с большей вероятностью будут отменены. Это значительно облегчило работу глушителя, не лишив при этом никакой эффективности или мощности от двигателя. Резонаторы продолжали развиваться на протяжении многих лет, и теперь большинство автомобилей используют эту технологию.
zen.yandex.ru/media/id/59…5a0aa2ca9b403c693b0cdbee?

особенности конструкции и частые неисправности

Чтобы заставить газы изменить направление движения, внутри корпуса резонатора установлены перфорированные перемычки и направляющие трубы с перфорацией. Перемычки образуют резонаторные камеры, а перфорация на направляющих трубах способствуют гашению скорости газов и, соответственно, изменению длины волновых колебаний. Из-за этого после резонатора в выхлопной системе существенно снижается уровень шума.

Как резонатор влияет на мощность

Каждая резонаторная камера содержит различный объем по сравнению с соседними, что также способствует выравниванию и изменению длины звуковых волн. Безусловно, это сказывается на производительности двигателя, поскольку для прохождения газов сквозь этот лабиринт необходимо дополнительное усилие. Его оценивают по-разному в зависимости от модели двигателя и типа выхлопной системы, но в общих чертах резонатор отбирает около 8-10% мощности двигателя.

Эту проблему пытались решить в 20-30-х годах прошлого века очень простым способом. На входе в систему выхлопа устанавливали элементарную заслонку и разветвитель. При открытой заслонке газы беспрепятственно вырывались наружу, издавая немалый шум, все это сопровождалось дымовой завесой, зато мощность двигателя резко вырастала на тех же 10-15%. Открывать глушитель разрешалось только за городом, поэтому въезжая, заслонку закрывали и шум стихал, насколько это позволяли глушители того времени.

Неисправности и решение проблем

Главный враг любого резонатора — это ржавчина. Бороться с ней традиционными методами бесполезно. Любое полимерное или органическое антикоррозионное покрытие, краска, грунт моментально выгорают при запуске двигателя. Поэтому инженеры еще в середине прошлого века начали применять несколько видов стали для изготовления систем выхлопа:

●      нержавеющая сталь, дорого, но очень эффективно, нержавеющие резонаторы тоже прогорают, но их ресурс в десятки раз выше обычных стальных систем;

●      алюминированная сталь, это конструкционная сталь стандартной толщины, но покрытая тонким слоем алюминия, служит в пределах пяти лет и это самый распространенный материал для бюджетных автомобилей;

●      обычная сталь, выкрашенная термостойкой краской-грунтом, выдерживает порядка года на наших дорогах.

Отсюда и первая неисправность резонатора — разгерметизация из-за прогара корпуса. В большинстве случаев проржавевший резонатор просто заменяют, но в редких случаях, когда состояние металла позволяет, можно установить заплатку и протянуть еще пару месяцев.

Признаки прогара вполне понятны. Это прорыв газов наружу и высокий уровень шума в центральной части системы выхлопа. Чтобы убедиться в том, что корпус резонатора прогорел, необязательно его снимать. Опытный мастер и на подъемнике определит состояние системы и поставит ей диагноз. Однако в большинстве случаев ремонт резонаторной банки, поврежденной коррозией, не обоснован с точки зрения логики и траты денег. Лучше купить новый.

Вторая проблема, с которой может столкнуться водитель, закоксовка камер резонатора. Выяснить причину появления сажи в системе можно только с помощью полной диагностики двигателя, но скорее всего, нужно будет обратить внимание на систему зажигания, фазы газораспределения и состав топливо-воздушной смеси.

Что касается чистки резонаторных камер, то это имеет смысл в тех случаях, когда внешнее состояние корпуса удовлетворительное. Для очистки камер необходимо вскрывать корпус, удалять нагар и сажу, а после этого собирать резонатор с помощью сварки. Работы много, вскрывать и собирать банку долго, поэтому если сам резонатор не слишком дорогой и не из нержавеющей стали, а пробег системы выхлопа больше 80-90 тысяч км, рациональнее будет выглядеть его замена.

Стоит ли ставить прямоточный резонатор

Конструкция прямоточного резонатора отличается от обычного тем, что газы на пути к свободе не проходят через лабиринт камер и перфорированных труб, перегородок. Как правило, прямоток, или как его называют, стронгер, представляет собой тот же корпус резонатора, но внутри вместо камер, мембран и перегородок установлена сплошная перфорированная труба такого же диаметра, как и вся выхлопная система.

В случае установки стронгера звук, безусловно, изменится. Насколько прямоточный резонатор повлияет на мощность, может сказать только специалист, знакомый с конкретным, отдельно взятым двигателем и отдельно взятой выхлопной системой. Поэтому тешить себя мыслью, что после установки прямоточного резонатора мощность поднимется ощутимо, все же не стоит.

В любом случае, выхлопная система — это точно просчитанная цепь, в которой каждое звено имеет значение, а любое бездумное изменение ее характеристик прогнозировать очень сложно.

Что такое резонатор выхлопной системы

Работа двигателя на автотранспортных средствах, если говорить про ДВС, сопряжена с выработкой достаточно сильного шума. Но этот шумовой эффект водитель, его пассажиры, а также люди на улице практически не слышат.

Так было далеко не всегда. Первые машины, работающие на двигателях внутреннего сгорания, были очень шумными, создавали много дыма, а потому это становилось настоящей проблемой. Но решение через некоторое время придумали.

Каждый современный автомобиль обязательно оснащается глушителем. Уже из названия становится очевидно, что главной функцией глушителей является гашение и подавление шумов и звуков, возникающих от работающего мотора.

Система выхлопа устроена достаточно сложно, несмотря на кажущуюся простоту выполняемых функций. В её состав входит несколько элементов, одним из которых выступает резонатор. Относительно него у автолюбителей возникают вопросы. Их интересует, что это такое, зачем устанавливается и какие задачи выполняет в работе системы выхлопа и всего автомобиля.

Что это такое

Для начала следует разобраться, что такое резонатор в современном автомобиле и в чём задача этой детали выхлопной системы автотранспортного средства.

Резонатор глушителя или просто резонатор является неотъемлемой частью системы, отвечающей за вывод выхлопных газов работающего автомобиля. Учитывая то, как выглядит этот резонатор, многие называют его дополнительным глушителем. Он действительно похож на глушитель, но не является таковым. Это лишь часть системы выхлопа.

Не все до конца понимают, что же такое резонатор в машине с двигателем внутреннего сгорания. Часто его позиционируют как узел для снижения уровня шума работающего мотора. Но по факту это вторичный эффект, который достигается за счёт выполнения основной функции резонатора. Она заключается в обеспечении ровного потока отработанных газов по всей системе выхлопа автотранспортного средства.

Когда мотор работает, вне зависимости от количества совершаемых оборотов двигателя, в коллекторе образуются так называемые прерывистые параметры давления газа. Во многом на их частоту влияет количество цилиндров в ДВС и оборотов, совершаемых коленчатым валом. Резонатор позволяет как раз устранять эти прерывистые параметры или уровни давления.

Зачем используются резонаторы

Теперь более конкретно относительно того, для чего нужны резонаторы в автомобилях. Уже название даёт понять, что этот элемент отвечает за резонирование шума или звуковых потоков, которые образуются в процессе работы мотора.

Если говорить простым языком о том, зачем резонатор в выхлопной системе, то это гаситель звуковых колебаний в момент, когда выхлопные газы выходят из камеры сгорания. Но это далеко не все функциональные возможности компонента. На деле резонаторы выполняют одновременно несколько задач, хотя основной считается именно резонирование, либо гашение звуков. Преимущественно низкочастотных.

Специалисты утверждают, что резонатор в конструкции выхлопной системы служит не только для отвода газа и снижения уровня шума. Ещё один момент, для чего служит устройство, заключается в повышении полезной мощности силовой установки. Не зря спортивные автомобили подвергаются специальным доработкам, где стандартный резонатор меняется на более эффективный вариант. В таких случаях размещение элемента происходит непосредственно за прямотоком.

Прямоточная система выхлопа

Крайне важной функциональной особенностью резонатора является его способность снижать температуру выходящих выхлопных газов. Тем самым заметно продлевается срок службы всей системы и глушителя в частности.

Как дополнение можно отметить факт снижения уровня вредных выбросов за счёт участия резонаторов в работе выхлопной автомобильной системы.

Учитывая функции и назначение этого элемента, возникают вопросы касательно того, можно ли убрать из автомобиля резонатор, что произойдёт и какие последствия возможны. Некоторые считают удаление такого элемента глупостью. Но есть далеко не один такой водитель, который убирал конструкцию.

Для ответа на этот вопрос следует учесть, что будет при эксплуатации автомобиля без резонатора. Произойдёт следующее:

• значительно усилится звук работы выхлопной системы. Иногда он превышает все допустимые нормы, становится крайне неприятным и шумным. Во многом уровень шумности зависит от мощности двигателя и его оборотов;
• особенно заметным повышение шумности будет при низкочастотном диапазоне. Именно гашением низких звуков занимается резонатор;
• повысится температура выходящего выхлопного газа, который проходит через глушитель автомобиля. Это существенно снижает срок его службы. В скором времени глушитель придётся менять;
• нарушится штатное распределение ударных волн в газовой среде. Параллельно поменяются зоны разряжения. Всё это ведёт к заметным потерям двигателя по мощности;
• настройки по расходу топлива также нарушатся. Это приведёт к увеличению потребления горючего.

Полностью отказаться от использования резонатора можно только в определённых ситуациях, когда проводится комплексный тюнинг выхлопной системы с установкой дополнительных элементов и специальной настройкой. Если просто вынуть из выхлопа резонатор, и продолжить эксплуатировать автомобиль в таком состоянии, ничего кроме повышенного шума и ускоренного износа со всеми вытекающими последствиями это не даст.

Составляющие конструкции

Как уже ранее отмечалось, внешне резонаторы очень напоминают глушители. Из-за этого их легко перепутать новичку. А более опытные автомобилисты называют резонаторы малыми или дополнительными глушителями.

В действительности конструктивно это довольно сложный элемент, включающий в себя несколько слоёв. Причём каждый из этих слоёв отвечает за выполнение определённой функции.

Если познакомиться с устройством резонаторов автомобиля в разрезе, то действительно можно заметить существенное внешнее сходство со стандартным штатным глушителем транспортного средства.

Стоит внести некоторые уточнения относительно того, как устроен в автомобиле резонатор глушителя:

• конструкция представлена в виде нескольких камер, которые разделены между собой специальной сеткой;
• такое строение позволяет постоянно сужать и расширять потоки выходящих газов. Важно отметить, что выход газа происходит резкими рывками. Резонатор выравнивает эти рывки, что позволяет на выходе получить равномерный поток выработанного газового выхлопа;
• камеры внутри немного смещены, что позволяет менять направление движения выхлопа, тем самым сглаживая неравномерную пульсацию;
• гашение частоты выхлопа происходит за счёт внутренней перфорации. С её помощью уровень шумности снижается.

Свои задачи автомобильный резонатор выполняет благодаря конструкции, которая предусматривает наличие большого количества закрытых полостей, соединённых друг с другом при помощи трубопровода и множества перфораций, то есть отверстий.

Предусмотренные конструкцией отверстия позволяют вызывать разночастотные колебания, меняющиеся за счёт трения.

Что же касается расположения, то этот элемент выхлопной системы устанавливается непосредственно между приёмным коллектором или нейтрализатором и штатным глушителем.

Но расположение может несколько отличаться. Это зависит от конкретно модели автотранспортного средства и производителя.

Важно понимать, что образующийся в двигателе газ при сгорании топливовоздушной смеси имеет огромную температуру. При этом функция резонатора автомобиля заключается в том, чтобы её снижать, уменьшая тепловую нагрузку на глушитель и идущие после резонатора элементы выхлопной системы.

Теперь что касается того, какая температура на выходе из камеры сгорания и под какими тепловыми нагрузками работает малый глушитель. В зависимости от конкретной автомобильной системы, температура может достигать отметки более 650 градусов Цельсия. После возгорания, отработанный газ идёт на впускной коллектор при экстремально высоких температурных показателях.

Доходя для резонатора глушителя автомобиля, температура снижается не так сильно. Потому крайне важно, чтобы резонатор изготавливался из высококачественных и жаропрочных материалов. При эффективной работе самого резонатора, он способствует падению температуры, благодаря чему нагрузка на глушитель оказывается существенно меньше. Это продлевает срок его службы и сохраняет в целостности всю выхлопную автомобильную систему.

Виды

Резонаторы или дополнительные глушители классифицируют в зависимости от того, на двигателях какого типа они используются.

Потому различаются 2 основных вида устройств.

1. Предназначенные для установки на двухтактные двигатели. Если транспортное средство оснащается подобным мотором, что в наше время встречается не так часто, то резонатор становится обязательным элементом компоновки выхлопной системы. Если резонатор будет отсутствовать, это моментально приведёт к увеличению количества потребляемого топлива. Изменится работа мотора в худшую сторону, снизится скорость и мощность. Это обусловлено тем, что удаляться будет не только отработанный выхлопной газ, но также и не до конца сгоревшее топливо. Отсюда падение скорости параллельно с увеличением расхода топлива.
2. Резонаторы, устанавливаемые на четырёхтактные силовые установки. В случае с такими двигателями резонатор может сыграть не на пользу автомобилю, а создать определённые дополнительные проблемы. Демонтаж позволяет увеличивать уровень мощности двигателя примерно на 15%. Опытные автомобилисты считают, что на четырёхтактных моторах резонатор только мешает нормальной работе двигателя. Да, если его убрать, мощность действительно повысится. Но одновременно ухудшится экологичность транспортного средства, выхлоп начнёт загрязнять окружающую среду. Потому на 4-тактных моторах всё равно стоят резонаторы, позволяющие достичь требуемых экологических норм.

Есть ещё одна дополнительная классификация, которая различает резонаторы по их конструктивным особенностям.

На некоторые автомобили устанавливаются стандартные элементы моноблочного типа. Но постепенно практически все переходят на комбинированные устройства.

Второй тип резонаторов состоит из двух основных частей. Это классическая конструкция с трубой и перегородками, а также камера, заполненная специальными материалами, обладающими свойствами шумопоглощения. Зачастую в конструкциях используют материалы на основе базальтового волокна.

Комбинированные устройства являются более эффективными, современными и полезными в работе автомобильных двигателей и выхлопных систем. Потому на большинстве автотранспортных средств встречаются именно такие типы резонаторов.

Малые глушители или резонаторы глушителя разделяют по их размерам. Различают следующие подкатегории:

• короткие;
• средние;
• длинные.

Ещё иногда классифицируют резонаторы в зависимости от их объёма. Это полезный способ классификации, поскольку во многом именно от объёма зависит, насколько эффективным окажется резонатор в конструкции автомобильной выхлопной системы. Если будет наблюдаться дефицит объёма в резонаторе, то в момент резкого нажатия водителем на педаль газа уровень шума окажется крайне высоким. Кому-то этот звук нравится, а потому специально устанавливаются резонаторы. Но из соображений безопасности системы выхлопа, а также из уважения к окружающим людям, лучше устанавливать устройств с достаточным рабочим объёмом.

Резонаторы или малые глушители изготавливаются из различных материалов. Наиболее бюджетные конструкции создают на основе алюминированной стали. Хотя в действительности это самая простая сталь, поверх которой наносится небольшой слой алюминия. Выглядят, как полноценно алюминиевые, но по факту не способны выдерживать значительные нагрузки. Требуют более частой замены. Слой алюминия только временно предотвращает образование коррозии на устройстве.

Резонатор глушителя автомобиля

Если автомобилист хочет получить действительно качественный, долговечный и эффективный резонатор, когда стандартный заводской элемент не устраивает или износился, оптимально выбирать конструкции на основе нержавеющей стали с двойным корпусом.

Выхлопная система постоянно подвергается сильным нагрузкам в виде высокой температуры. В результате периодически происходят сбои в нормальной работе всего автомобиля. Чтобы поломка резонатора или иного компонента не стала неожиданностью для автовладельца, настоятельно рекомендуется проводить профилактическую проверку и диагностику работоспособности узла. Заметив первичные признаки неисправностей, можно своевременно принять меры, провести ремонтно-восстановительные работы или просто полностью заменить вышедший из строя резонатор.

Отличия резонатора и пламегасителя

Можно довольно часто встретить рассказы автомобилистов, которые устанавливали в выхлопную систему своего транспортного средства пламегаситель. Но не все знают, что это такое и чем вообще отличаются резонатор от пламегасителя.

Некоторые утверждают, что единственным отличием является название. Другие заявляют о существенной разнице между этими двумя элементами. Следует разобраться в вопросе более детально.

Существует устройство, которое почему-то в России и странах СНГ часто называют пламегасителем. Начнём с того, что элемент не гасит пламя. Отсюда и возникают вопросы относительно странного названия. Но в выхлопную систему конструкция действительно устанавливается.

Причём пламегасители размещают непосредственно за приёмной трубой. По факту эта конструкция выполняет задачи дополнительного резонатора. Но тут стоит внести некоторые поправки.

В России экологические нормы далеко не такие строгие, как в Европе. Из-за этого довольно часто на машинах можно встретить ситуации, как на законное место каталитического нейтрализатора, то есть катализатора, устанавливают пламегаситель. Хотя катализатор позволяет как раз снизить уровень вредных выбросов в нашу с вами атмосферу.

По выполняемой роли в выхлопной системе автотранспортного средства пламегаситель действительно во многом напоминает резонатор. К его основным функциям можно отнести реализацию следующих задач:

• частично компенсирует импульсы, которые возникают при детонации топливовоздушной смеси внутри камер сгорания;
• частично компенсирует шумовые или звуковые волны низкочастотного диапазона;
• упорядочивает перемещение отработанного газа;
• снижает температуру отработанного газа.

Теперь что касается непосредственно интересующих нас отличий между резонатором и так называемым пламегасителем.

Разница в 2 основных вещах:

1. Пламегасители обязательно должны изготавливаться из высококачественных материалов. Это обусловлено его установкой непосредственно за приёмной трубой. Потому на гаситель воздействуют существенные температурные нагрузки и колебания. Если материал будет некачественным, элемент быстро выйдет из строя.
2. Резонатор эффективнее компенсирует звуковые волны, нежели пламегаситель. Ведь прямая обязанность резонатора как раз и заключается в том, чтобы компенсировать пиковые звуковые волны, упорядочивать звук, прежде чем он пойдёт в глушитель.

Учитывая эти факторы, можно сказать, что каждый элемент выполняет возложенные на него функции. Пламегаситель и резонатор вовсе не являются синонимичными устройствами. Это несколько разные элементы выхлопной системы автотранспортного средства. Но сходство между ними действительно есть.

Признаки неисправностей резонатора

Напоследок хочется добавить несколько слов относительно того, как можно определить возникновение неисправностей в работе резонатора.

Любые поломки, связанные с этим элементов, приводят к падению мощности двигателя, повышают уровень шума и способствуют увеличению расхода топлива.

Определить неполадки можно по нескольким характерным признакам. А именно:

• заметно повысилась громкость в работе выхлопной системы. Каждый автовладелец знает, насколько громко или тихо работает его выхлоп. Если же звук возрастает, глушитель функционирует слишком шумно, то это прямой признак выхода из строя резонатора. Он не справляется со своими задачами, а потому на глушитель выходит сильный шум, который не был предварительно погашен;
• звук дребезжания металла. Он доносится от места, где располагается узел резонатора. В такой ситуации высока вероятность того, что один из внутренних компонентов резонатора под воздействием температурных нагрузок уже прогорел полностью;
• падает мощность двигателя. Водитель нажимает на педаль газа, но не получает привычную отдачу. Разгон происходит медленнее, при этом растёт количество потребляемого топлива. Эти признаки характерны в случае снижения пропускной способности малого глушителя, то есть резонатора на автомобиле.

Если начал проявляться хотя бы один из перечисленных признаков, либо сразу несколько, требуется проверить состояние резонатора.

В зависимости от результатов проверки, можно обойтись мелким ремонтом, частичной заменой, либо же полной сменой вышедшего из строя резонатора.

Когда резонаторы прогорают, пытаться их запаять и заварить сварочным оборудованием не рекомендуется. Лучше заменить деталь полностью. Дополнительно следует узнать, почему элемент вышел из строя раньше положенного срока.

При грамотной эксплуатации резонаторы служат очень долго и не требуют периодической замены. Но в определённых условиях износ может наступить раньше времени. И тогда оптимальным решением проблемы станет замена.

Резонатор в выхлопной системе: устройство, принцип работы и способы замены или ремонта

string(10) "error stat" 

В процессе работы бензинового и дизельного моторов производится много шума, и выделяются выхлопные газы. Для отведения отработанных газов и уменьшения шумности агрегата предусмотрена выхлопная система, одним из элементов которой является резонатор. Он расположен как правило за катализатором и перед глушителем. В нем осуществляется максимально эффективное гашение шумов, издаваемых работающим мотором.

Принцип работы резонатора состоит в том, что отработанные газы двигателя сначала попадают в резонирующий блок, где снижается уровень шума, после чего продвигаются дальше по выхлопной системе, и выбрасываются в атмосферу. Габариты такого элемента, его внутренняя схема, напрямую зависят от шумности работы мотора. На эффективность функционирования детали также оказывает влияние его форма. Выход из строя резонатора выхлопной системы приводит к повышенному шуму при работе автомобиля, и загазованности салона авто.

Устройство и принцип действия резонатора

По своей форме резонатор очень напоминает глушитель, поэтому для многих автолюбителей это малый или дополнительный глушитель. На рынке представлены различные виды резонаторов для двухтактных и четырехтактных силовых агрегатов. Такой элемент имеет сложную и многослойную конструкцию, что видно в разрезе, каждая составляющая которой имеет свое функциональное предназначение.

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.

Процесс снятия/установки резонатора

В случае выявления неисправности потребуется снятие и установка новой детали. Для проведения таких работ потребуется:

• новый резонатор;
• набор специальных прокладок;
• крепеж с уплотнительными кольцами;
• антикоррозионный спрей;
• набор гаечных ключей.

Замена резонатора должна производиться в гараже, поскольку для этого потребуется яма. Схема работ предусматривает следующие действия. Перед тем, как снять деталь спреем, например WD-40, обрабатываются болтовые соединения резонатора, после чего их необходимо раскрутить.

При возникновении проблем при снятии детали, обработку спреем следует повторить. Затем отсоединяется хомут крепления, и после разъединения труб извлекается уплотнитель. После этого снимите прогоревший резонатор, для чего все крепления должны быть разъединены. Для установки нового резонатора все описанные операции нужно сделать в обратном порядке.

При проведении замены резонатора глушителя следует обращать внимание на качество соединения детали с глушителем. Проверяемый элемент не должен иметь зазоров, поскольку это приводит к уменьшению эффективности работы резонатора, и появлению громкого шума при работе двигателя.

Возможные неисправности резонатора

Неисправный резонатор глушителя способствует не только увеличению шума при работе мотора, но и к снижению его мощности, а также к проникновению выхлопных газов в салон автомобиля. О наличии поломок устройства свидетельствуют следующие признаки:

• неудовлетворительная работа глушителя, связанная с выходом из строя резонатора. Показателем этого является увеличение шумности работы автомобиля.
• появление звука дребезжащего металла. Это связано с разрушением внутренней части резонирующего блока, что приводит к нарушению крепления одной из неработающих камер.
• уменьшение мощности двигателя. Происходит в связи с уменьшением пропускной способности дополнительного глушителя.

Под воздействием высоких температур изделия часто прогорают, и установить их целостность позволяет визуальная проверка. При выявлении одного из указанных признаков неисправности следует заменить резонатор. Не обязательно покупать оригинальный, можно подобрать один из универсальных резонаторов. Обращение в автомастерскую потребует определенных затрат, поэтому дешевле поменять резонатор самостоятельно. Но при отсутствии навыков, как проверить его работоспособность, лучше довериться специалистам. Во избежание неприятных сюрпризов рекомендуется производить периодическую диагностику и своевременное обслуживание.

Правильно функционирующий резонатор глушителя обеспечивает не только комфортную эксплуатацию автомобиля, но и соответствующие параметры работы двигателя, что сказывается на сроке его службы.

Если у вас возникли вопросы — оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

Устройство глушителя автомобиля

Дата публикации: 31 октября 2016.
Категория: Автотехника.

Если бы не созданный французской компанией Panhar-Levassor первый в мире глушитель, то возможно сегодня бензиновых автомобилей не было бы. Выхлопная система позволила «успокоить» ДВС и дать этому мотору «вторую жизнь».

Первоначально глушители выполняли не много функций и считались больше вспомогательной составляющей, нежели важной, как другие агрегаты. Однако с течением времени выхлопные системы начали играть более значительную роль. Сегодня благодаря глушителям удается не только значительно снижать уровень шума от работающего мотора, но и уменьшать температуру выхлопных газов, выводить отработанные газы за пределы авто и уменьшать уровень вредных выбросов в окружающую среду.

Исходя из этого, стоит обратить внимание на строение глушителя, а также на его разновидности.

Основные элементы выхлопной системы

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.

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». При этом уровень сопротивления будет значительно ниже, а на мощность двигателя не будет расходоваться. Однако стоит учитывать, что из-за зеркального эффекта температура выхлопной трубы будет повышаться.

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

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

В заключении

Конструкция автомобильных глушителей постоянно претерпевает изменения, хоть общий принцип работы и сама конструкция остается неизменной уже много десятков лет. Сегодня это не обычная металлическая «банка» а полноценная система, которая обеспечивает правильную работу двигателя автомобиля. Именно поэтому, если из глушителя начинает идти пар или раздаются хлопки, необходимо незамедлительно производить диагностику и ремонт этого немаловажного узла.

Резонатор. Устройство резонатора (среднего глушителя)

Первый, промежуточный, средний глушитель — как только не называют этот компонент выхлопной системы. Но во всех случаях в виду имеется резонатор. Рассмотрим, что это за устройство, за что отвечает и как работает.

Назначение, принцип работы и устройство резонатора

Если спросить любого мало-мальски разбирающегося в устройстве машины автомобилиста о назначении резонатора, он ответит, что данный элемент обеспечивает уменьшение уровня шума. В принципе, такое утверждение верно. Но большинство из нас не подозревают, что у этого компонента выхлопной системы есть и другие функции. Помимо уменьшения звука резонатор отвечает и за уменьшение сопротивления системы движению выхлопных газов (и происходит это за счет сглаживание пульсаций). Подтверждением этому является тот факт, что выхлопная система без резонатора на многих автомобилях работает не совсем корректно. Само-собой повышается шумность, а вместе с этим многие автомобилисты, кто решился на необдуманный шаг и самовольно удалили резонатор, заменив его отрезком трубы, жалуются на то, что авто не держит обороты ХХ. И происходит это, как раз за счет того, что повышается обратное сопротивление системы, и нету сглаживания пульсаций (выхлопные газы же поступают не одновременно от всех цилиндров, а, так сказать, «партиями»). Поэтому труба вместо резонатора — «не есть хорошо»: это, в принципе возможно, но доверять такую переделку нужно профессионалам, которые проведут необходимые расчеты и сделают все правильно. Также в этом элементе происходит снижение кинетической энергии выхлопных газов и уменьшение их температуры (порядка 300-400 градусов на выходе против 700-800, а то и боле — на входе резонатора).

Как устроен и работает резонатор

Работа данного элемента основана на следующих физических процессах:

• Расширение и сужение потока выхлопных газов. Это обеспечивается за счет использования нескольких камер в рассматриваемом элементе.
• Гашение средне- и высокочастотных пульсаций. Выхлопные резонаторы для автомобилей имеют для этого внутри трубопроводы, размещающиеся со смещением относительно друг друга.
• Интерференция звуковых волн. За счет этого происходит увеличение суммарной амплитуды, а, следовательно — уменьшение частоты колебаний. Добиваются этого за счет использования камер разного объема, а также при помощи перфорационных отверстий на трубах внутри резонатора.
• Использование закрытых камер, в которых накапливаются газы. Поступая через перфорационные отверстия газы стравливаются в определенный момент времени.

Также, в зависимости от конструкции, средняя часть глушителя (или резонатор) может иметь несколько камер. Последняя, для уменьшения шумности, может производиться с использованием специального звукоизоляционного материала. Что касается корпуса, оригинальный или универсальный резонатор выхлопной системы может выпускаться из нержавеющей стали, или так называемой алюминиевой стали (покрытой слоем алюминия для защиты от коррозии). Первый вариант — более дорогостоящий, но он характеризуется лучшими показателями устойчивости к коррозии.

Прямоточный резонатор

Одной из разновидностью рассматриваемого элемента выхлопной системы является прямоточный (или спортивный) резонатор. Его отличие от «обычного» заключается в том, что здесь имеет место более низкое обратное сопротивление. И получается оно в ущерб сглаживанию пульсаций и уменьшению звука. Такой резонатор, как правило, не имеет камер и не изменяет направление движения потока выхлопных газов. По сути это — ровный «тоннель», имеющий перфорированные стенки. А это значит что, учитывая рассмотренные выше проблемы, которые могут быть вызваны пульсациями, выбирать такой элемент для своего авто нужно очень тщательно. А лучше доверьте это дело профессионалам. Итак, мы разобрались, для чего нужен резонатор и как он работает. Если вам нужен ремонт или замена данного элемента (в том числе и установка прямоточного), обращайтесь к специалистам GSAvto. 

Выхлоп на V8. Часть 2 — резонатор. Мой вариант. — DRIVE2

Собственно вариант глушителя я описал в предыдущей записи.
Так что такое глушитель? Это устройство для глушения шума от выхлопа.
Что такое резонатор? Грубо говоря предварительный глушитель.

Что же влияет на звук выхлопа и его громкость? Основное:
1. Сам двигатель, т.е. число цилиндров и порядок их работы.
2. Коллектор
3. Диаметр, сужения, изгибы, схождения трубы
4. Наличие различных устройств гашения шума (катализатор, резонатор, пламегаситель, искрогаситель, глушитель)

Так как резонатор изготавливал не в первый раз, то было решено его немного доработать. К тому же прошлые резонаторы были круглой формы, на это раз для увеличения объема решил сделать овальный.
Как и в случае с глушителем делаем заготовки

Заготовки

и свариваем две половинки между собой.

три стенки для большей жесткости

Суть конструкции проста: труба с большим количеством дыр… но расположение дыр и прочие нюансы так же играют роль.

все дыры под углом

Дыры расположены под углом, что лучше сказывается на глушении шума и соответственно уменьшает диаметр трубы.
Не так все просто как кажется на первый взгляд. Для начала необходимо все разметить, рассверлить сверлом малого диаметра для более четкого позиционирования отверстий, далее нужным диаметром сверла, затем зачистить трубу изнутри (наверное самый противный и нудный процесс), далее придать угол отверстиям.
Далее делаем заготовку корпуса

и заполняем камеру наполнителем, чем больше, тем лучше. Обматываем проволокой для более плотного слоя

и закрываем (самый томительный и требующий аккуратности процесс).

Тут как обычно первый блин комом (я про овальный корпус). Вроде сделал допуск в 1см внахлест и… пришлось накидывать полосу))) так как не получилось почти в стык.

внахлест немного на рассчитал

Конечно есть куда стремиться, но и так уже радует глаз. До эстетической красоты далековато, а свое назначение он выполнит по полной. Кстати, это мой не самый большой резонатор)))

Длинна 39 см. Труба 60 мм с сужением на 53мм.
Вес 3,2 кг.

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 — это… Что такое Резонатор?

Резона́тор — колебательная система, в которой происходит накопление энергии колебаний за счёт резонанса с вынуждающей силой. Обычно резонаторы обладают дискретным набором резонансных частот.

В технике обычно встречаются резонаторы с колебанием электромагнитных или механических величин. Конструкция резонатора сильно зависит от его резонансных частот.

Механические резонаторы

Механические резонаторы можно разделить на две условные группы:

• Резонатор накопительного действия.
• Резонатор мгновенного действия.

Резонатор накопительного действия

Отличительной чертой такого резонатора является накопление энергии внешнего воздействия за счет уменьшения частоты собственных колебаний. С математической точки зрения любой резонатор, период колебаний которого строго больше периода колебаний возмущающей силы является накопительным. Классическим примером являются качели. Усиление выходной мощности происходит за счет сложения мощностей нескольких колебаний возмущающей силы.

Резонатор мгновенного действия

Под «мгновенным действием» подразумевается совершение одного периода колебания резонатора за время, не большее периода колебания возмущающей силы. Примером такого резонатора может служить резонатор Гельмгольца. Усиление в таких резонаторах может происходить за счет:

• смещения по времени мощности резонансной частоты на входе, то есть плавно меняясь на входе резонатора мощность может увеличится на выходе за счет уменьшения длительности сигнала;
• поглощения энергии других(не резонансных) частот. Этот эффект используется певцами при практике резонансного пения;
• поглощения теплового движения окружающего пространства.

Резонаторы мгновенного действия могут иметь коэффициент усиления до 40 дБ (10 000 раз).

Электромагнитные резонаторы

В генераторах СВЧ^[1]-излучений (клистрон, магнетрон) резонаторы представляют собой металлическую конструкцию, используемую для генерации волн определённой длины.

Ссылки

См. также

Примечания

УСТРОЙСТВО РЕЗОНАТОРА ДЛЯ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ СГОРАНИЯ

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания и к способу управления системой сгорания. В частности настоящее изобретение относится к устройству резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания, которая может быть отрегулирована, чтобы демпфировать колебание, имеющее частоту, которая изменяется после изменения условий работы камеры сгорания. Дополнительно, настоящее изобретение относится к способу работы системы сгорания предусматривающему демпфирование колебаний давления в камере сгорания, регулируемое для других условий работы камеры сгорания.

Уровень техники

В камере сгорания, такой как камера сгорания газовой турбины, сгорает смесь топлива и сжатого воздуха. Таким образом, сжатый воздух и топливо подают в камеру сгорания, и продукт сгорания удаляют из камеры сгорания, получая поток материала. Из-за подачи топлива и сжатого газа и по мере падения давления продукта сгорания в камере сгорания возбуждаются колебания, которые могут быть охарактеризованы частотой колебаний давления. Частота колебаний давления может, в частности, зависеть от массы и/или скорости потока подаваемого топлива и подаваемого сжатого воздуха, а так же от массы и/или скорости потока удаляемого продукта сгорания, и может также зависеть от конфигурации камеры сгорания. Типичные частоты колебаний давления могут находиться в диапазоне между 50 Гц и 1500 Гц, в частности, около приблизительно 100 Гц.

Эти колебания давления оказывают негативное влияние на работу камеры сгорания, в частности, на эффективность газовой турбины, содержащей камеру сгорания. Для демпфирования колебаний давления в камере сгорания известно соединение, так называемого, резонатора Гельмгольца с камерой сгорания, так, что внутренняя часть резонатора Гельмгольца соединяется сообщаясь с пространством сгорания, определенным камерой сгорания.

Из DE 102005052881 A1 известно нагревательное устройство, включающее в себя камеру сгорания, в котором камера сгорания, соединена с каналом потока, который соединен с резонатором Гельмгольца для демпфирования колебаний давления. Температура газа, содержащегося в резонаторе Гельмгольца, может изменяться для адаптации рабочей частоты резонатора Гельмгольца к колебаниям в камере сгорания.

В EP 0974788 A1 раскрыт резонатор Гельмгольца с компоновкой сопла для генерирования смеси воздуха и жидкости перед подачей в канал потока для демпфирования колебаний в канале потока.

В GB 2288660 A раскрыто устройство для демпфирования термоакустических колебаний в камере сгорания газовой турбины, в котором резонатор Гельмгольца, соединен с камерой сгорания для демпфирования колебаний в камере сгорания. Этот документ также раскрывает систему управления, которая управляет нагревательным элементом для нагрева газа в резонаторе Гельмгольца на основе сдвига фаз двух давлений, измеренных в камере сгорания и в резонаторе Гельмгольца, соответственно.

Выше было отмечено, что камера сгорания, может работать неудовлетворительно при изменяющихся условиях работы. Может возникнуть потребность в устройстве резонатора, которое пригодно для демпфирования колебаний давления в камере сгорания, которое, в частности, адаптируемо для разных условий работы камеры сгорания. В частности, может потребоваться устройство резонатора, которое соответствует для демпфирования колебаний давления на разных частотах, которые быстро изменяются по времени и может потребоваться способ работы системы сгорания в разных условиях работы.

Сущность изобретения

Эта потребность может быть удовлетворена в соответствии с предметом изобретения по независимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

В соответствии с вариантом осуществления предусмотрено устройство резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания, в котором устройство резонатора содержит контейнер, заполненный газом; отверстие в контейнере; и нагревательный элемент, выполненный с возможностью генерировать пламя, в котором пламя предназначено для нагрева газа в контейнере.

Камера сгорания может, в частности, представлять собой камеру сгорания газовой турбины. Устройство резонатора может быть выполнено с возможностью соединения с камерой сгорания так, что отверстие в контейнере предусматривает сообщение между внутренней частью камеры сгорания и внутренней частью контейнера. В зависимости от конфигурации контейнера, типа газа, заполняющего контейнер, температуры газа, заполняющего контейнер, давления газа, заполняющего контейнер, и/или конфигурации отверстия в контейнере, у устройства резонатора может быть некоторая резонансная частота, представляющая частоту колебаний давления, происходящих в устройстве резонатора во время резонанса.

В частности контейнер может содержать участок корпуса и участок горлышка, соединенный с участком корпуса, в котором участок горлышка представляет собой сужение и имеет отверстие на дистальном конце горлышка относительно участка корпуса. В частности, также конфигурация, в частности, эффективная длина горлышка и объем участка корпуса и участка горлышка, и/или площадь поперечного сечения участка горлышка могут влиять на резонансную частоту устройства резонатора. В частности, устройство резонатора может функционировать как резонатор Гельмгольца для демпфирования колебания давления.

Нагревательный элемент может быть соединен с контейнером (либо с участком корпуса или с участком горлышка контейнера) так, что, пламя, генерируемое нагревательным элементом, нагревает газ внутри контейнера. Устройство резонатора может содержать один или больше нагревательных элементов, скомпонованных в разных положениях.

В частности пламя, генерируемое нагревательным элементом, может обеспечивать, например, используя материал потоковой подачи, конвекцию газа, заполняющего контейнер так, чтобы вариации температуры в разных местоположениях в контейнере быстро балансировались, чтобы обеспечить однородное, или, по меньшей мере, приблизительно однородное распределение температуры в пределах контейнера. Благодаря установке нагревательного элемента, выполненного с возможностью генерировать пламя, температура газа, заполняющего контейнер, может быть быстро изменена, таким образом, быстро изменяя резонансную частоту устройства резонатора. Таким образом, устройство резонатора позволяет демпфировать колебания давления в камере сгорания в разных условиях работы. Таким образом, эффективность камеры сгорания, оборудованной устройством резонатора, может быть улучшена. Дополнительно, нет необходимости предусматривать другие устройства резонатора для других условий работы камеры сгорания.

В соответствии с вариантом осуществления нагревательный элемент выполнен с возможностью генерировать пламя, используя горение в плазменной среде. Краткий обзор технологии сгорания в плазменной среде представлен в публикации «Plasma Assisted Combustion Technologies» by Matveev, S. Matveeva, E. Kirchuk, Proceedings of the European Combustion Meeting 2009 и на веб-сайте http://www.plasmacombustion.com/iwepac.html. При сгорании в плазменной среде формируется плазма, например, в результате приложения высокого электрического поля, установленного между двумя электродами, которая поддерживает горение топлива. Кроме того, процесс сгорания может быть ограничен или локализован в пределах небольшого объема при размещении потока газа, в частности, в виде спирального потока газа, окружающего ядро процесса сгорания. Процесс сгорания может также быть ограничен или локализован в пределах узкого пламени, получаемого в выходном отверстии, или в сопле устройства сгорания в плазменной среде. Технология сгорания в плазменной среде дополнительно отличается высокой тепловой энергией, высокой температурой пламени и высокой скоростью удаления из плазмы горящих материалов в устройствах сгорания в плазменной среде. Из-за большой тепловой энергии, высокой температуры пламени и возможности точного управления параметрами пламени резонансная частота устройства резонатора может быть быстро изменена для демпфирования колебания давления в камере сгорания в разных условиях работы.

В соответствии с вариантом осуществления пламя содержит поток газа, имеющий скорость от 25 м/с до 500 м/с, в частности, от 50 м/с до 300 м/с. В частности, нагревательный элемент может быть выполнен с возможностью генерировать пламя содержащее протекающий газ, имеющий скорость от 25 м/с до 500 м/с, более конкретно от 50 м/с до 300 м/с. Благодаря высокой скорости раскаленных и горячих материалов, составляющих пламя, тепловая энергия, находящаяся в пределах пламени, быстро распределяется по контейнеру устройства резонатора, в результате конвекции. Таким образом, резонансная частота устройства резонатора может быстро изменяться так, чтобы соответствовать разным условиям работы в камере сгорания.

В соответствии с вариантом осуществления нагревательный элемент обеспечивает (либо выполнен с возможностью обеспечения, или выполнен с возможностью подачи) тепловую энергию от 0,01 кВт до 3 кВт, в частности, от 0,1 кВт до 3 кВт, в частности, от 1 кВт до 3 кВт. Благодаря такой высокой тепловой энергии нагревательного элемента, газ внутри контейнера быстро изменяет свою температуру при нагреве нагревательного элемента. Таким образом, устройство резонатора особенно пригодно для значительного изменения температуры газа внутри контейнера, что, в свою очередь, обеспечивает возможность значительного изменения скорости звука газа внутри контейнера, что, в свою очередь, позволяет значительно изменять резонансную частоту устройства резонатора.

В соответствии с вариантом осуществления пламя имеет температуру от 500°C до 3000°C. В частности, нагревательный элемент физически выполнен с возможностью (или выполнен таким образом) генерировать пламя с температурой от 500°C до 3000°C. Под температурой пламени понимают, определение температуры материала в области объема, определенной материалом, излучающим свет пламени, в котором происходят химические реакции. Таким образом, устройство резонатора выполнено с возможностью демпфирования колебаний давления, имеющих большой диапазон частот.

В соответствии с вариантом осуществления нагревательный элемент содержит обратный вихревой плазменный генератор. Обратный вихревой плазменный генератор, в частности, может содержать цилиндрический контейнер, в пределах которого генерируется, так называемый, обратный вихревой поток (то есть, спиральный поток в направлении, обратном направлению осевого потока смеси топлива и воздуха) первого газа (например, воздуха). Дополнительно, второй газ (например, воздух и топливо) может быть подан с одного торца цилиндрического контейнера вдоль осевого направления (например, вдоль оси симметрии контейнера), который может, таким образом, быть ограничен или локализован рядом с осью симметрии контейнера. Как первый газ, так и второй газ могут быть ионизированы, и второй газ может спонтанно воспламеняться (или в результате приложения электрического поля) во время его протекания через цилиндр, в результате чего образуется пламя на выходе из цилиндра. В частности, пламя может состоять из раскаленного или горячего (химически реагирующего) материала, имеющего скорость от 50 м/с до 300 м/с.

В соответствии с вариантом осуществления нагревательный элемент выполнен с возможностью генерировать плазменный факел.

В соответствии с вариантом осуществления, вариант осуществления устройства резонатора состоит из системы сгорания, которая дополнительно содержит камеру сгорания для определения пространства горения для горения топлива, в котором контейнер устройства резонатора соединен с камерой сгорания таким образом, что внутренняя часть контейнера сообщается с пространством сгорания через отверстие устройства резонатора, в котором, в частности, устройство резонатора имеет резонансную частоту, равную частоте колебаний давления в камере сгорания в условиях нормальной нагрузки. В частности, резонансная частота может быть, по меньшей мере, приблизительно равна (то есть, по меньшей мере, с точностью до 10%, в частности, с точностью до 5% равна) частоте колебаний давления в камере сгорания при нормальных условиях нагрузки. Таким образом, резонансная частота устройства резонатора может быть определена, как резонансная частота, когда газ, заполняющий контейнер устройства резонатора, имеет температуру окружающей среды, в частности, температуру 50°C-15°C, в частности, температуру 20°C.

Под «нормальными условиями нагрузки» следует понимать режим работы, который не является запуском или остановкой работы газовой турбины. В частности, камера сгорания может работать с, по существу, немодифицируемой подачей топлива и имеет, по существу, неизменную температуру в течение длительного времени. «Нормальные условия нагрузки» могут определять режим работы, при котором камера сгорания имеет наибольшую эффективность. «Нормальные условия нагрузки» можно рассматривать, как установившееся состояние камеры сгорания и газовой турбины, во время которого необходимы только незначительные действия по управлению.

Пространство сгорания может быть акустически связано с внутренней частью контейнера устройства резонатора через отверстие таким образом, что колебание давления, возникающее в камере сгорания в ходе процесса сгорания или из-за подачи или потока воздуха и топлива, или из-за потока выпускаемого продукта сгорания, может быть передано в отверстие, вызывая возбуждение колебаний воздуха, заполняющего контейнер устройства резонатора. При этом может возникать сдвиг по фазе между колебаниями в камере сгорания и колебаниями в контейнере устройства резонатора таким образом, что колебания внутри камеры сгорания демпфируются, в частности, в результате ослабляющей интерференции с колебаниями внутри контейнера устройства резонатора. В результате возможности нагрева устройства резонатора его резонансная частота может быстро изменяться, что также демпфирует колебания давления в камере сгорания, возникающего в других условиях, чем нормальные условия нагрузки. Таким образом, камера сгорания может использоваться в широком диапазоне рабочих условий или условий нагрузки, не требуя больше, чем одного устройства резонатора.

В соответствии с вариантом осуществления, система сгорания дополнительно содержит зонд измерения давления, предназначенный для измерения колебаний давления в пространстве сгорания; зонд измерения температуры, предназначенный для измерения температуры газа внутри контейнера; и систему управления, выполненную с возможностью управления нагревательным элементом на основе измеряемых колебаний давления в пространстве сгорания и измеряемой температуры внутри контейнера.

Зонд для измерения давления может представлять собой любой датчик для определения колебаний давления. В частности, один или больше зонда (зондов) для измерения давления может быть установлен в одном или больше местах внутри пространства сгорания. Отверстие устройства резонатора, в частности, расположенное на дистальном конце участка горлышка устройства резонатора, может быть размещено и может быть соединено с камерой сгорания в месте, где происходят наибольшие колебания давления внутри камеры сгорания. Таким образом, эффективность функции демпфирования устройства резонатора может быть оптимизирована. Дополнительно, или в качестве альтернативы, оптимальное место размещения устройства резонатора, в частности, оптимальное место размещения отверстия устройства резонатора, обеспечивающее сообщение между контейнером устройства резонатора и камерой сгорания, может быть выведено в результате компьютерного моделирования всей системы сгорания, камеры сгорания или с помощью экспериментальных тестов.

Зонд для измерения температуры может представлять собой любой датчик для измерения температуры. Один или больше зондов для измерения температуры могут быть установлены в одном или больше местах внутри контейнера, обеспечивая возможность измерения распределения температуры в контейнере.

Система управления может быть соединена с одним или больше зондами измерения давления, с одним или больше зондами измерения температуры и с нагревательным элементом для считывания измеренных значений и передачи сигналов управления в нагревательный элемент, для регулирования тепловой энергии, температуры пламени нагревательного элемента и/или других параметров нагревательного элемента. Система управления может содержать модуль обработки, предназначенный для обработки измеренных значений и, в частности, для вывода частоты колебаний давления в пространстве сгорания. Дополнительно, система управления может содержать программный код в модуле обработки для вывода температуры газа в пределах контейнера, для которого устройство резонатор имеет конкретную резонансную частоту, в частности, частоту колебаний давления внутри пространства сгорания, измеряемую, используя один или больше зондов для измерения давления. Система управления может дополнительно содержать модуль сохранения для сохранения параметров системы и программного кода.

В соответствии с вариантом осуществления, система управления выполнена с возможностью управления нагревательным элементом для изменения температуры газа внутри контейнера, когда камера сгорания работает в условиях, отличающихся от условий нормальной нагрузки, таким образом, что частота колебаний давления внутри пространства сгорания равна (в частности, по меньшей мере, приблизительно равна, в частности, по меньшей мере, в пределах точности 10%, в частности, равна в пределах точности 5%) резонансной частоте контейнера, заполненного газом, изменяющейся в результате изменения температуры газа внутри контейнера. Таким образом, колебания давления в камере сгорания могут быть эффективно демпфированы с помощью устройства резонатора, даже в разных условиях нагрузки камеры сгорания. Таким образом, камера сгорания может оптимизировано работать в разных рабочих условиях.

В соответствии с вариантом осуществления, предусмотрен способ работы системы сгорания, в котором способ содержит: сжигают топливо в пространстве сгорания, определенном камерой сгорания; генерируют колебания давления в камере сгорания, в частности, путем сжигания топлива; генерируют пламя, используя нагревательный элемент для нагрева газа в контейнере, связанном с камерой сгорания, и при этом внутренняя часть контейнера сообщается с камерой сгорания через отверстие в контейнере; и демпфируют колебания давления внутри камеры сгорания. Колебания давления внутри камеры сгорания, в качестве альтернативы или в дополнение, могут генерироваться потоком топлива и/или воздуха, подаваемого в камеру сгорания. Демпфирование колебаний давления внутри камеры сгорания может возникать в результате акустической связи между пространством сгорания и внутренней частью контейнера устройства резонатора. Таким образом, частота колебаний давления в камере сгорания может, по меньшей мере, приблизительно соответствовать резонансной частоте устройства резонатора, сформированного контейнером и отверстием в контейнере, в котором такая резонансная частота устройства резонатора может зависеть от температуры газа внутри контейнера.

В соответствии с вариантом осуществления способ работы системы сгорания дополнительно содержит: измеряют колебания давления в пространстве сгорания, используя зонд измерения давления; измеряют температуру газа в контейнере, используя зонд измерения температуры; и управляют нагревательным элементом на основе измеренных колебаний давления и измеренной температуры, используя систему управления. Таким образом, в частности, нагревательным элементом можно управлять так, чтобы резонансная частота устройства резонатора, по меньшей мере, приблизительно соответствовала частоте колебаний давления в пределах пространства сгорания.

В соответствии с вариантом осуществления способ работы системы сгорания дополнительно содержит: управляют нагревательным элементом для изменения температуры газа внутри контейнера, когда камерой сгорания управляют в условиях, отличающихся от нормальных условий нагрузки так, что частота (изменившаяся по сравнению с частотой в условиях нормальной нагрузки) колебаний давления внутри пространства сгорания равна (в частности, по меньшей мере, приблизительно равна, в частности равна, по меньшей мере, в пределах точности 10%, 5%) резонансной частоте контейнера, изменившейся после изменения температуры газа внутри контейнера. Таким образом, колебания давления в камере сгорания могут быть эффективно демпфированы устройством резонатора даже в условиях изменившейся нагрузки в камере сгорания.

В соответствии с вариантом осуществления способ работы системы сгорания дополнительно содержит этап на котором увеличивают температуру газа внутри контейнера со скоростью, по меньшей мере, 50°C в секунду. В результате изменения температуры газа внутри контейнера с такой высокой скоростью, резонансная частота устройства резонатора может быстро изменяться, что обеспечивает возможность, соответственно, быстро изменять нагрузку камеры сгорания при постоянном демпфировании колебаний давления внутри камеры сгорания.

Следует отметить, что варианты осуществления изобретения были описаны со ссылкой на разные предметы изобретения.

В частности, некоторые варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения, направленные на способ, тогда как другие варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения, направленные на устройство. Однако для специалиста в данной области техники из приведенного выше и следующего описания, будет понятно, если только не будет указано другое, что в дополнение к любой комбинации свойств, принадлежащих одному типу предмета изобретения, также любая комбинация между свойствами, относящимися к разным предметам изобретения, в частности, между свойствами пунктов формулы изобретения, направленными на способ, и свойствами пунктов формулы изобретения, направленными на устройство, рассматривается, как раскрытая в пределах данного документа.

Аспекты, определенные выше, и дополнительные аспекты настоящего изобретения, будут понятны из примеров варианта осуществления, которые будут описаны ниже, и поясняются со ссылкой на примеры варианта осуществления. Изобретение будет описано более подробно ниже со ссылкой на примеры варианта осуществления, но которым изобретение не ограничено.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылкой на приложенные чертежи.

На фиг.1 схематично показано устройство резонатора в соответствии с вариантом осуществления.

На фиг.2 схематично показан обратный вихревой плазменный генератор, который может использоваться в качестве нагревательного элемента в устройстве резонатора, представленного на фиг.1 в соответствии с вариантом осуществления.

На фиг.3 схематично показана система сгорания в соответствии с вариантом осуществления и способ работы системы сгорания в соответствии с вариантом осуществления.

Подробное описание изобретения

Иллюстрация на чертежах является схематичной. Следует отметить, что на разных чертежах, аналогичные или идентичные элементы обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций или номерами ссылочных позиций, которые отличаются от соответствующих номеров ссылочных позиций только первой цифрой.

На фиг.1 схематично представлено устройство 101 резонатора предназначенное для демпфирования колебаний давления в камере сгорания. Устройство 101 резонатора содержит контейнер 102, который заполнен газом, таким как воздух, и содержит нагревательный элемент 103, который выполнен, как обратный вихревой плазменный генератор. Контейнер 102 устройства резонатора содержит участок 104 корпуса и участок 105 горлышка. Участок 104 корпуса содержит цилиндрический контейнер, который соединен с возможностью сообщения с участком 105 горлышка, который также имеет цилиндрическую форму, но имеет намного меньший диаметр D2, по сравнению с диаметром D1 участка 4 корпуса устройства 101 резонатора. Участок корпуса имеет длину L1, и участок горлышка имеет длину L2.

На дистальном конце участка 105 горлышка устройство 1 резонатора имеет отверстие 106, через которое устройство 1 резонатора может соединяться с возможностью сообщения с пространством сгорания камеры сгорания для демпфирования колебаний давления в камере сгорания.

Конфигурация устройства 101 резонатора управляет резонансной частотой f устройства резонатора в соответствии со следующей формулой:

со следующими обозначениями:

S — площадь поперечного сечения горлышка резонатора;

V — объем резонатора;

l’ — эффективная длина горлышка резонатора, которая основана на геометрической длине L2 горлышка;

c — скорость звука.

Частота устройства резонатора может составлять, например, 100 Гц, когда газ, заполняющий контейнер 2, имеет температуру 20°C. Изменение температуры газа, заполняющего контейнер 102, изменяет, в результате изменения скорости c звука, резонансную частоту f устройства резонатора.

Для изменения температуры газа, заполняющего контейнер 102, обратный вихревой плазменный генератор 103 присоединен к внешней стенке участка 104 корпуса устройства 101 резонатора так, что пламя, генерируемое обратным вихревым плазменным генератором 103, продолжается во внутреннюю часть контейнера 102, нагревая газ, заполняющий контейнер 102. Таким образом, нагревательным элементом 103 управляют через шину 107 управления, которая соединена с системой 109 управления. Устройство 101 резонатора также оборудовано зондом 111 измерения температуры, предназначенным для измерения температуры газа, заполняющего контейнер 102. Сигнал, представляющий измеренную температуру, подают через шину 113 управления в систему 109 управления.

По требованию система 109 управления выполнена с возможностью регулировать резонансную частоту f устройства 101 резонатора путем регулирования температуры газа внутри контейнера 102, активируя нагревательный элемент 103 до тех пор, пока температура газа, заполняющего контейнер 102, измеряемая с помощью зонда 111 измерения температуры, не станет равной температуре, соответствующей требуемой резонансной частоте устройства 101 резонатора.

В других вариантах осуществления один или больше дополнительных нагревательных элементов могут быть прикреплены к устройству резонатора на участке 104 корпуса или на участке 105 горлышка для нагрева газа, заполняющего контейнер 102. В других вариантах осуществления один или больше дополнительных зондов измерения температуры могут быть размещены в разных местах расположения внутри контейнера 2 для измерения температуры заполняющего газа.

На фиг.2 схематично представлены принципы обратного вихревого плазменного генератора 203, который может использоваться в качестве нагревательного элемента 103 в устройстве 101 резонатора, представленного на фиг.1. Обратный вихревой плазменный генератор 203, показанный на фиг.2A, и 2B, содержит, по существу, цилиндрический контейнер 215, который содержит множество сопел 217, расположенных на одном торце цилиндра 215, окруженного цилиндрическим контейнером 215 вдоль окружности. Используя сопла 217, первый газ, такой как воздух, подают вдоль направления 216 в цилиндрический контейнер 215 для выполнения спиралевидного движения, обозначенного, как спираль, такая как линия 219, внутри контейнера 215.

В основании цилиндрического контейнера 215, противоположно торцу, на котором установлены сопла 217, второй газ подают вдоль осевого направления 221. Первый газ, поступающий вдоль направления 216, а также второй газ, поступающий вдоль направления 221, ионизируют, и второй газ, в частности, содержит воздух и топливо. Во время его прохода через цилиндрический контейнер 215, второй воздух воспламеняется, в котором процесс сгорания ограничен в пределах небольшого объема вокруг оси 223 симметрии цилиндрического контейнера 215. Пламя сгорающего первого газа выходит из цилиндрического контейнера 215 через отверстие 225 вдоль направления 227, по существу, параллельно оси 223 симметрии. Таким образом, сгорающий первый газ впрыскивают в участок 104 корпуса (не показан на фиг.2) устройства резонатора.

Как представлено на фиг.2B, первый газ, поступающий вдоль направления 216 через сопла 217, протекает радиально во внешний участок цилиндрического контейнера 215, в направлении, противоположном направлению 221 первого газа, но изменяет свое направление распространения на противоположное в определенном радиальном положении, ближе к оси 223 симметрии, таким образом, что для радиальных положений ближе к оси 223 симметрии, чем это конкретное радиальное положение, первый газ распространяется, по существу, в том же направлении, что и второй газ. Таким образом, эффективная тепловая изоляция процесса сгорания, ограниченного и локализованного внутри небольшого объема вокруг оси 223 симметрии от стенок контейнера 215, достигается таким образом, что на обратном вихревом плазменном генераторе 203 можно удерживать руку во время его работы.

Вместо использования обратного вихревого плазменного генератора 203 также можно использовать плазменный факел или другие устройства сгорания в плазменной среде, могут использоваться в качестве нагревательного элемента 103 в устройстве 101 резонатора, представленного на фиг.1.

На фиг.3 схематично показана система 329 сгорания и способ работы системы 329 сгорания в соответствии с вариантом осуществления. Система 329 сгорания содержит камеру 330 сгорания, определяющую пространство 331 сгорания, в пределах которого может происходить горение топлива. Через сопла 333 топлива сжатый воздух также подают в пространство 331 сгорания.

При подаче топлива и сжатого воздуха, так же, как после сгорания топлива, колебания давления сжатого воздуха возбуждаются в пределах пространства 331 сгорания, которые неблагоприятно воздействуют на работу системы 329 сгорания. Обычно эти колебания давления не генерируются преднамеренно, но они могут возникать по разным причинам. Чтобы демпфировать эти колебания давления, система 329 сгорания содержит устройство 301 резонатора, которое содержит контейнер 302, сформированный в виде корпуса 304 контейнера и участка горлышка 305 контейнера. Через отверстие на дистальном конце участка 305 горлышка внутренняя часть контейнера 302 соединяется так, что она сообщается с пространством 331 сгорания.

Система 309 управления соединена через линию 335 передачи данных с зондом 327 измерения давления, который измеряет давление внутри пространства 331 сгорания. Система 309 управления дополнительно выполнена с возможностью выводить частоту колебаний давления, измеренную в результате присутствия зонда 327 измерения давления, как обозначено на схеме 339, для которой показана амплитуда и частота колебаний давления, возникающих в камере 331 сгорания, в зависимости от их частоты f. Колебания частоты f₀ имеют амплитуду, превышающую пороговое значение S, как обозначено на схеме 339. Система 309 управления выполнена с возможностью идентификации температуры в пределах устройства 301 резонатора таким образом, что устройство 301 резонатора имеет резонансную частоту, равную нежелательной частоте колебаний давления, измеренной внутри пространства 331 сгорания, которая равна f₀. После идентификации целевой температуры устройства 301 резонатора, система 309 управления управляет двумя нагревательными элементами 303, прикрепленными к устройству 301 резонатора для нагрева газа, заполняющего контейнер 302, для регулирования его резонансной частоты до частоты f₀. После нагрева газа, заполняющего контейнер 302 устройства 301 резонатора, устройство 301 резонатора изменяет свою резонансную частоту так, чтобы она была равна f₀. Поскольку устройство 301 резонатора сообщается с пространством 331 сгорания через отверстие 306, устройство резонатора демпфирует колебания давления на частоте f₀,_{возникающей в пространстве 331 сгорания. Температуру внутри устройства 301 резонатора измеряют через зонд 311 измерения температуры и соответствующий сигнал передают в систему 309 управления, которая может использоваться для регулировки по цепи обратной связи.}

Следует отметить, что термин «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и артикли «a» или «an» не исключают множество. Также элементы, описанные в ассоциации с разными вариантами осуществления, могут быть скомбинированы. Следует также отметить, что знаки ссылочных позиций в формуле изобретения не следует рассматривать, как ограничение объема изобретения.

Для того чтобы резюмировать описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения, можно отметить следующее:

Устройство резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания содержит контейнер, заполненный газом; отверстие в контейнере; и нагревательный элемент, выполненный с возможностью генерировать пламя, в котором пламя предназначено для нагрева газа, находящегося внутри контейнера.

Замена резонатора Рено Логан

Резонатор — устройство, являющееся частью выхлопной системы автомобиля Рено Логан. Часто это изделие называют дополнительным или средним глушителем, но по факту это отдельный узел, выполняющие определенные задачи, имеющий определенную конструкцию и принцип действия. Особенность этого глушителя — в способности эффективно гасить резонансную частоту, распространяемую в системе выхлопа. При этом выходящие газы не встречаются с дополнительным сопротивлением, что исключает снижение мощности мотора. В чем же особенности такого глушителя? Какие функции он выполняет? Как производится замена резонатора Рено Логан? Эти и другие моменты подробно рассмотрены в статье.

 

В чем принцип действия и особенности резонатора?

Одна из главных задач среднего (дополнительного) глушителя заключается в удалении отработавших газов и их отвод от мотора. Впоследствии вышедшие ОГ распределяются по системе выхлопа и оставляют пространство для выхода новой партии газов. По заявлению опытных мастеров, средний глушитель обеспечивает нормализацию давления в выхлопной системе Рено Логан. Как следствие, возрастает эффективность и мощность силового узла.

Интересен тот факт, что резонатор внешне и конструктивно схож со своим «собратом» (задним глушителем). Ниже выделим основные моменты, объединяющие между собой рассматриваемые устройства (средний и главный глушитель):

• В резонаторе предусмотрена группа разных камер, благодаря которым производятся периодические колебания объема ОГ (сужение или увеличение). Благодаря этому эффекту, происходит сглаживание неравномерности пульсации.

• В секциях устройства имеет место определенное смещение, из-за чего происходит корректировка проходящего потока выхлопных газов, а также устранение неравномерности пульсаций.
• Наличие большого числа отверстий во внутренней металлической трубе гарантирует погашение частоты выходящих ОГ. Как следствие, автомобиль становится тише, даже при повышенных оборотах мотора.

Таким образом, резонатор Рено Логан можно по праву назвать неизменной составляющей глушителя. Это устройство расположено между двумя элементами — главным глушителем и каталитическим преобразователем. К слову, в различных моделях местоположения узла может меняться. От этого напрямую зависят ходовые качества авто, мощность мотора и даже уровень комфорта внутри транспортного средства. Вот почему резонатор Рено нуждается в особом внимании и замене (в случае выхода из строя).

Когда менять резонатор: симптомы выхода устройства из строя

Как отмечалось выше, выход из строя дополнительного глушителя Рено негативным образом влияет на уровень комфорта и мощность мотора. По этой причине автовладелец должен своевременно выявить неисправность и произвести замену вышедшего из строя изделия (до появления более серьезных поломок).

Так, распознать неисправность резонатора удается по следующим признакам:

• Ухудшение работоспособности устройства, выражаемое в увеличении гула при работе двигателя. В случае поломки резонатора страдает и главный глушитель. При этом звук в процессе движения становится таким, как будто бы устройство и вовсе не работает.
• Появление дребезга, имеющего металлический характер. Как правило, такой звук доносится из области установки среднего глушителя Логана. При появлении таких шумов можно говорить о прогорании одного из внутренних элементов среднего глушителя. По этой причине происходит «болтание» или отрыв какого-то из отсеков. Ремонт устройства здесь бесполезен — спасает только замена.
• Снижение мощности мотора. Из-за выхода из строя резонатора Рено падает пропускная способность глушителя. Как следствие, пульсации выхлопных газов, которые выходят из двигателя, гасятся менее эффективно. В итоге это влияет на работу двигателя в целом, на его мощность.

Если хотя бы один из перечисленных симптомов был обнаружен в процессе эксплуатации, это требует оперативной реакции со стороны автолюбителя. Как уже упоминалось, решение лежит только в замене устройства, ведь ремонтировать его невозможно. Чтобы заменить резонаторный глушитель на Renault вовсе не обязательно ехать на СТО. Все работы можно с легкостью произвести самостоятельно, без привлечения дорогостоящих мастеров.

В процессе эксплуатации средний глушитель Логана регулярно подвергается негативным воздействиям. Чтобы не допустить выхода устройства из строя и последующих «побочных» эффектов, важно своевременно делать профилактику и менять устройство еще до его поломки.

Специалисты рекомендуют делать замену раз в 20 тысяч километров.

 

Если же в процессе эксплуатации и проявляются неполадки  резонатора, распознать их на слух способен даже малоопытный автолюбитель. При этом старайтесь не экономить на покупке дешевых подделок — отдавайте предпочтение оригинальным резонаторам или рекомендованным аналогам от других производителей. Если же не следовать этому совету, то уже через 1-2 тысячи километров может потребоваться новое ТО.

Замена резонатора Рено Логан: шаг за шагом

Чтобы поменять средний глушитель на Логане, вам может потребоваться ряд инструментов — торцевая головка на «десять», болгарка с кругом для резки металла, штангенциркуль для проведения измерений и удлинитель. Если устройство будет привариваться, найдите сварочный аппарат.

Далее действуйте так:

• Поднимайте авто.

• Скручивайте крепежные болты, удерживающие коллектор выпуска. Для отсоединения достаточно выкрутить четыре болта.
• Снимайте все резинки, после чего можно демонтировать всю систему в комплексе.

Замену резонатора можно делать прямо на автомобиле, но на практике это неудобно.

• Распиливайте систему в двух точках. Как упоминалось, средний глушитель расположен между катализатором и виброгасителем (находится под селектором КПП), также около пружины задней подвески (той, что слева).
• Подготавливайте сварочный аппарат и приваривайте новый глушитель.

• Возвращайте все узлы на места.

В завершение стоит отметить ряд вариантов тюнинга выхлопной системы:

 

• Установка прямоточного глушителя, который монтируется на стандартные посадочные места.
• Вместо одного среднего глушителя устанавливается сразу два устройства. При этом для второго глушителя придется делать отдельный крепеж.
• Монтаж спортивной выхлопной системы. Как следствие, из «штанов» выходит сразу пара трубок. Следовательно, крепежи придется переделывать под новый глушитель.

Как видно, замена дополнительного глушителя Рено не вызывает проблем. Главное — иметь хотя бы небольшие навыки выполнения сварочных работ.

Резонатор глушителя выхлопной системы автомобиля — для чего нужен и принцип работы

Без качественной выхлопной системы современный автомобиль по звучанию ничем не отличался бы от трактора. Проблема в том, что любой мотор в процессе работы будет издавать громкие звуки, так как в его цилиндрах происходят взрывы, за счет которых вращается коленчатый вал.

Причем от силы этих микровзрывов зависит мощность двс. Так как при сгорании воздушно-топливной смеси выделяются вредные газообразные вещества и большое количество тепла, каждый автомобиль оснащается специальной системой отвода газа от мотора. В ее устройство входят несколько похожих друг на друга элементов. О глушителе и катализаторе было рассказано в отдельных обзорах. Теперь рассмотрим особенности резонатора.

Что такое резонатор глушителя?

Внешне резонатор напоминает уменьшенную версию основного глушителя. Эта деталь находится в начале выхлопной автомобиля, сразу за каталитическим нейтрализатором (если такой имеется в конкретной модели машины).

Деталь изготавливается из стали, которая должна выдерживать высокую температуру. Газ, выходящий из выпускного коллектора мотора, очень горячий и движется прерывистым потоком. Резонатор – один из первых элементов, который стабилизирует выхлоп. За очистку продуктов горения, а точнее для их нейтрализации отвечают другие детали, например, в дизелях это сажевый фильтр, а в большинстве бензиновых моторов – каталитический нейтрализатор.

Так как сгоревшие газы имеют высокую температуру, автомобильный резонатор изготавливается из металла, который выдерживает сильный нагрев, но при этом не деформируется и не теряет своей прочности.

История появления резонатора в выхлопной системе

С появлением первых двигателей внутреннего сгорания остро стал вопрос снижения шума и очищения выхлопа. Вначале выхлопные системы имели примитивное строение, но со временем для повышения эффективности работы системы в нее добавлялись разные вспомогательные элементы.

В первой половине 1900-х годов в выхлопную систему был добавлена небольшая металлическая колба с перегородками, о которые ударялись горячие газы, что приводило к снижению шумов выхлопа. В современных машинах резонаторы имеют разную форму и конструкцию.

Для чего он нужен?

Основная функция данного элемента, как и у глушителя – снижать уровень шума выхлопа, и отводить поток за пределы кузова автомобиля. Сгоревшие газы на выходе из мотора имеют высокую температуру, поэтому наличие объемных деталей позволяет снизить этот показатель до безопасного значения. Благодаря этому люди, проходящие очень близко к выхлопной трубе машины, не получат ожогов.

От устройства малого глушителя зависят мощностные характеристики двигателя. По этой причине в тюнинг спортивных авто входит модернизация также и этой части выхлопной. Некоторые модели резонаторов участвуют в очистке выхлопа от вредных веществ, содержащихся в потоке.

Принцип работы резонатора

Когда работает двигатель, в выпускной коллектор из цилиндров через клапаны поступает горячий газ. Поток объединяется в приемной трубе и с большой скоростью поступает в катализатор. На этом этапе происходит нейтрализация ядовитых веществ, входящих в состав выхлопных газов.

Далее этот поток (а он до сих пор не успевает остудиться и замедлиться) попадает в емкость малого глушителя. Температура выхлопа в этом узле еще достигает показателя более 500 градусов по Цельсию.

В полости резонатора имеется несколько перегородок и перфорированных труб, установленных напротив стенок этих перемычек. Когда из основной трубы газ поступает в первую камеру, поток ударяется о перемычку и отражается от нее. Далее он сталкивается с новой порцией выхлопных газов, и часть объема поступает через перфорированную трубу в следующую камеру, в которой происходит аналогичный процесс.

Когда выхлоп попадает в резервуар, поток смешивается и проходит несколько стадий отражения от перемычек, происходит поглощение звуковых волн и газ постепенно остывает. Далее он по выхлопной трубе поступает в основной глушитель, где происходит идентичный процесс, только с большим количеством ступеней. В нем происходит окончательное охлаждение газа и стабилизация звуковой волны.

От пропускной способности этого элемента зависит КПД двигателя. Чем меньше сопротивление выхлопа, тем легче отработанные газы удаляются из цилиндров, благодаря чему коленвалу легче вращаться, и ему не нужно использовать часть энергии на удаление продуктов горения. Эта особенность используется для создания спортивных выхлопных систем. По этой причине такие машины очень громко работают. Однако полностью эту деталь удалять из системы нельзя, так как без выхлопной системы машина будет менее динамичной.

Подробней о работе выхлопной системы и резонаторе в отдельности рассказывается в данном видео:

Из чего состоит резонатор?

В зависимости от модели запчасть будет иметь свое строение – производители разрабатывают разные модификации. Колба резонатора состоит из нескольких камер, разделенных металлическими перегородками. Эти элементы называются отражателями. Они выполняют важную функцию – замедляют поток выхлопа и делают его тише.

В отражателях устанавливаются трубки (в некоторых случаях с перфорацией), по которым поток поступает в следующую камеру. Одни модели изготавливаются полностью полыми, а другие между камерами и трубками имеют уплотнитель, который не может сгореть, даже если бы выхлопные газы поступали прямо из камеры сгорания мотора. Этот материал обеспечивает дополнительное гашение звуковой волны.

Виды резонаторов

Производители используют свои инновационные разработки, чтобы максимально снизить сопротивление, образующееся в выхлопной системы авто, но при этом чтобы система издавала минимум шума. Постоянные попытки достичь баланса между производительностью мотора и эффективностью системы выпуска привели к тому, что на рынке автомобильных запчастей существует большое разнообразие среди резонаторов.

Такое разнообразие сложно классифицировать, поэтому в данном обзоре упомянем только два вида резонаторов:

• Для двухтактных моторов деталь имеет большую практическую пользую. При работе такого мотора силовой агрегат частично удаляет и несгоревшее топливо. Если убрать из выхлопной резонатор, это значительно скажется на мощностных характеристиках ДВС, причем в сторону уменьшения тяги и повышения прожорливости агрегата;
• Для четырехтактных двигателей наличие резонатора наоборот снижает КПД (в некоторых случаях замеры показали разницу в 15 процентов). Но при этом экологические показатели понижаются. По этой причине модернизация выхлопной системы спортивных авто либо исключает наличие резонатора, либо вместо него устанавливается прямоточный аналог (например, стронгер).

Признаки неисправности резонатора

Итак, применение резонатора в выхлопной системе – надежное средство, понижающее шум автомобиля в процессе работы мотора и позволяет транспортному средству пройти экологический тест.

Если резонатор выйдет из строя, это может отрицательно сказаться на характеристиках мотора. Данная запчасть неразборная, поэтому в случае появления каких-либо неисправностей ее просто меняют на новую.

Большинство поломок определяются на звук и диагностируются при визуальном осмотре. Вот самые распространенные поломки резонатора:

• Дребезжащие звуки во время работы мотора. Часто это похоже на удары металлических частей друг о друга. Причина – прогорел отражатель или трубка внутри банки;
• Громкий и прерывистый выхлоп – корпус прогорел или проржавел. Нередко это является следствием некачественной сварки или плохого соединения труб;
• Мотор резко потерял мощность – внутри банки либо деформировалась, либо отпала деталь, которая перекрыла проход выхлопным газам.

Если изменился звук работы выхлопной системы, вывод один – проблема в резонаторе или в основном глушителе, и деталь нужно заменить.

4.9 / 5 ( 57 голосов )

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ

Резонаторы — Схемы — Энциклопедия по машиностроению XXL

Отметим, что резонатор с подобным описанному выше петлеобразным ходом оптической оси может быть выполнен и неустойчивым, сохранив все преимущества призменного резонатора по схеме на рис. 3.19, в.  [c.150]

Схемы резонаторов показаны на рис. 4.32. В дальнейшем схему на рис. 4.326 мы будем называть обычным кольцевым резонатором, а схему на рис. 4.32в — параметрическим кольцевым резонатором. Видимое различие этих двух схем состоит в том, что обычная система зеркал возвращает волну саму в себя и в пассивном режиме, в то время как в параметрическом кольце после полного обхода резонатора фотоны генерационной волны навсегда покидают его. При этом новая порция фотонов впрыскивается в резонатор за счет дифракции волны накачки [66].  [c.166]

В п. 4.2.5 были изложены теоретические основы действия двустороннего обращающего зеркала с взаимно некогерентными пучками накачки. Ниже в гл. 7, будут продемонстрированы его богатые возможности в коррекции волновых фронтов лазерных пучков, их сведения и др. Здесь же в соответствии с темой 6.4 опишем синхронизацию лазеров с помощью двустороннего обращающего зеркала [23]. Два аргоновых лазера с длинами резонаторов Lj = 1,3 м и L2 = 13 м вместе с двусторонним обращающим зеркалом на ВаТ Рз образовывали гибридный лазер с активными средами в обоих плечах единого резонатора по схеме рис. 6.5г. Зеркало З2 было заменено элементом с переменным пропусканием Т 0,2, а зеркало Зз убиралось. С помощью продольного перемещения уголкового отражателя УО производилось согласование оптических длин обоих плеч. При этом без какой-либо специальной стабилизации лазеров удалось получить связанную генерацию на единых частотах в течение 1 мс.  [c.206]

Рис. 6.11. Гибридный лазер на неодимовом стекле с резонатором по схеме интерферометра Майкельсона

Свойства открытого оптического резонатора определяются рядом его конструктивных особенностей и, в первую очередь, так называемой схемой резонатора. Под схемой понимают число и взаимное расположение оптических элементов, образующих данный резонатор. Наиболее часто используемые схемы резонаторов изображены на рис. 1.1.  [c.6]

Волновые свойства резонатора (кроме схемы и конфигурации) определяются размерами диафрагм и их взаимным расположением в каждом плече резонатора. Рассмотрим одно плечо резонатора, расположенное между двумя плоскостями ограничивающих диафрагм, которые обычно совпадают с образующими элементами (рис. 1.3). Роль волновых эффектов, возникающих при прохождении потока энергии в данном плече, определяется числом зон Френеля, укладывающихся на отверстии одной диафрагмы при наблюдении из центра другой. В приближении плоских падающих волн число зон  [c.9]

Резонансные схемы с сосредоточенными постоянными (содержащие катушки индуктивности, конденсаторы и сопротивления) используются в диапазоне частот от нескольких десятков килогерц до примерно 200 Мгц. При более высоких частотах применяют схемы с распределенными постоянными, т. е. объемными резонаторами эти схемы рассматриваются в главе пятой.  [c.82]

Предположим вначале, что пьезоэлектрический резонатор, эквивалентная схема которого приведена на рис. 4.8, имеет лишь одии собственный резонанс (Л = 1). Импеданс 2(ш) такого резонатора можем записать в виде  [c.139]

Учитывая, что относительная ширина полосы пропускания полосового фильтра, выполненного по лестничной схеме, значительно меньше отношения емкостей i/2 pi, эта схема при использовании кристаллических резонаторов применяется редко. Напротив, в случае пьезокерамических резонаторов, в которых вышеприведенное отношение емкостей примерно в десять раз выше, чем в кварцевых резонаторах, указанная схема широко распространена [155].  [c.239]

Кристаллический генератор можно представить в виде параллельного соединения двух- или четырехполюсников, первый из которых есть пьезоэлектрический резонатор, а второй — активный функциональный блок. Последний обычно содержит туннельный диод, одно- или двухкаскадный транзисторный усилитель (или соответствующую интегральную схему). Характеристика активного функционального блока может не зависеть от частоты в этом случае частота генератора полностью определяется резонатором. Такие схемы называют апериодическими. Схема активного блока может также содержать частотно-зависимые элементы (реактивные сопротивления). Тогда грубая настройка частоты генератора осуществляется подбором реактивных сопротивлений, а тонкая настройка обеспечивается пьезоэлектрическим резонатором. Такие схемы используются для резонаторов, работающих на определенной гармонике.  [c.252]

В схему генератора на транзисторах кроме самого транзистора входит резонатор и схема положительной обратной связи. Обратная связь осуществляется как с помощью внешних цепей, так и благодаря внутренним процессам в транзисторе.  [c.98]

Наиболее эффективны лазеры на углекислом газе с поперечной относительно линии электрического тока продувкой газа. Схема такого лазера мощностью до 10 кВт приведена на рис. 3.7. Эта разновидность газового лазера использует интенсивную прокачку газа через резонатор 3 с охлаждением его в теплообменнике 4. Электрический разряд возбуждается между анодной плитой 2 и секционированным катодом I.  [c.123]

Резнатрон — мощный лучевой тетрод, предназначенный для генерирования колебаний в дециметровом диапазоне волн представляет со(к>й разборную электронную лампу с керамическими изоляторами, встроенными объемными резонаторами работает при непрерывной откачке газа и с водяным охлаждением применяется в схеме с заземленной сеткой в режиме непрерывной работы дает мощность до десятков киловатт при к. п. д. 40—60% 19].  [c.152]

В предыдущих параграфах, посвященных описанию принципа действия и конкретных схем лазеров, основное внимание концентрировалось на энергетической стороне дела, а именно, на методах образования достаточно большой инверсной заселенности и на усилении поля в активной среде. Существенную роль при этом играл резонатор, зеркала которого отражали падающий на них свет в активную среду и тем самым способствовали достижению порога генерации. Однако, помимо указанной функции, резонатор выполняет и другую — формирует пространственно когерентное и монохроматическое излучение.  [c.794]

С помощью соотношений (229.2)—(229.4) можно вычислить радиусы и Й2 гауссова пучка в плоскостях зеркал, что позволит судить об осуществимости различных схем резонатора. В самом деле.  [c.804]

Среди молекулярных лазеров значительное место занимают газодинамические лазеры. Для генерации излучения в газодинамическом лазере предварительно нагретый газ очень быстро охлаждают путем приведения его в движение вплоть до сверхзвуковых скоростей. Принципиальная схема газодинамического лазера приведена на рис. 35.18. Вначале рабочий газ в нагревателе 1 нагревают до высокой температуры, затем он поступает в сопло 2, где ускоряется и охлаждается. При этом из-за различных скоростей дезактивации молекул с разным запасом энергии в газе может образоваться инверсия заселенностей уровней энергии, когда концентрация более возбужденных молекул превышает концентрацию менее возбужденных. Далее этот газ попадает в резонатор 3, состоящий из двух зеркал, параллельных потоку. В резонаторе часть энергии, связанная с инверсией заселенностей уровней, превращается в направленное когерентное излучение, которое выходит через] полупрозрачное зеркало 4, образуя лазерный луч 5.  [c.292]

Накачка лазеров на красителях может осуществляться как при помощи излучения лазеров других типов (лазерная накачка), так и при помощи излучения импульсных ламп (ламповая накачка). Принципиальная схема первого жидкостного лазера, которая широко применяется и в настоящее время, приведена на рис. 35.20. Излучение рубинового лазера / падает на кювету 2 с раствором красителя, помещенную между двумя зеркалами 3, образующими резонатор. Излучение, генерируемое красителем, распространяется перпендикулярно к направлению распространения возбуждающего потока.  [c.294]

Существуют разные оптические схемы параметрических генераторов света. Одна из них показана на рис. 9.13, а. Оба зеркала резонатора (/ и 2) прозрачны на частоте накачки W. Для более низких частот зеркало 1 является полностью отражающим, а зеркало 2 характеризуется некоторым коэффициентом пропускания. Существуют параметрические генераторы света, где генерируется только одна световая волна, например волна на частоте Wi. Чтобы  [c.237]

Рис. 116. Схема установки с ОКГ 1 — кристалл рубина 2 и 3 — зеркала резонатора ОКГ 4 — импульсная лампа 5 — батарея конденсаторов 6 — металлический цилиндр 7 — насыщающийся фильтр 8, 9 — делительные стеклянные пластинки 10 — термоэлемент 11 — гальванометр 12 — фотоэлемент 13 — осциллограф 14 — белый экран 15 — ослабляющий светофильтр 16 — камера для фотографирования /7 —кассета с фотопластинкой

Рис. 118. Схема установки с гелий-неоновым ОКГ 1 — разрядная трубка 2, 3 — стеклянные окна 4, 5 — зеркала резонатора 6 — поворотная стеклянная пластина 7 — делительная пластина 8 — экран 9 — ирисовая диафрагма 10 — красный светофильтр 11 — диафрагма 12 — фотоэлемент 13 — микроамперметр 14 — линза 15 — эталон Фабри — Перо 16 — ослабляющий светофильтр 17 — камера для фотографирования 18 — кассета с фотопластинкой

Процесс волнового расширения газа. Схема волнового процесса показана на рис. 8.18, г. В резонаторе 4 генерируется интенсивный колебательный процесс, в результате которого появляется возможность передать часть энергии газа в виде теплоты ц внешнему приемнику с более высокой температурой, чем температура газа на входе в резонатор. Удельная холодопроизводительность  [c.315]Электронная схема обработки сигнала с выхода СВЧ резонатора обеспечивает цифровую индикацию величины удельного сопротивления и времени жизни носителей тока. Для записи распределения удельного сопротивления вдоль диаметра пластины предусмотрен вывод сигналов с электронного блока и с датчика координаты на двухкоординатный самописец.  [c.251]

Структурная схема прибора приведена на рис. 47, Блок СВЧ состоит из резонатора Р, механизма перемещения образца с датчиком координаты МП, светодиода СД, транзисторного генератора СВЧ с ферритовой развязкой, механизма вибрации индуктивного штыря датчика MB и детекторной секции Д. Электронный блок производит обработку сигнала с выхода детекторной секции для представления его в цифровом виде и вырабатывает импульсы тока для питания светодиода.  [c.252]

Рис. 21. Схема резонатора Гельмгольца

Рис. 67. Схема концентрического резонатора

Принципиальная схема глушителя с группой резонаторов показана на рис. 67. Резонансную частоту /р глушителя можно найти по формуле  [c.169]

Принципиальная схема квантового усилителя показана на рис. 2.16. Энергетическая накачка рабочего вещества, помещенного в объемный резонатор, производится через вход / усиливаемый сигнал с частотой (О 32, соот-  [c.335]

Наиболее широкое практические применение получили квантовые генераторы оптического диапазона, охватывающие участок спектра от ультрафиолетовой до субмиллиметровой области (X Л 0,1 — 800 мкм). На рис. 12.17 показана структурная схема лазера. Он состоит из рабочего вещества, помещенного в оптический резонатор, источника накачки и часто специального охлаждающего устройства, отводящего тепло от рабочего тела.  [c.337]

Направленность излучения телескопического резонатора по схеме на рис. 2,21, а довольно чувствительна к наличию аберраций первого порядка (клин, перекос зеркала) девиация оси излучения лазера при типичных увеличениях М = 2 5 в два-три раза превосходит угол отклонения света на вводимом в резонатор клине. Напротив, направление излучения на выходе резонатора по схеме на рис. 2.21, в при М [c.84]

Ясно, что первая схема может быть использована для создания генераторов с произвольными как линейными, так и кольцевыми конфигурациями резонаторов. Вторая схема возвращает падающий на него пучок во встречном направлении, поэтому она может быть использована только в линейном резонаторе. Третья схема, напротив, годится только для создания кольцевых однонаправленных генераторов, так как она обладает невзаимными свойствами — посылка сигнального пучка во встречном по отношению к рождающемуся пучку направлении не приводит к появлению дополнительного пучка, встречного по огаошению к исходному сигнальному.  [c.25]

Аналогичное детекторное устройство имеет и измерительный резонатор. Разница заключается в том, что детекторное устройство в резонаторе не примыкает непосредственно к цилиндру, а отнесено на значительное расстояние от него при помощи коаксиального кабеля 9. Благодаря этому на характеристике детектора не сказывается нагревание резонатора. В схеме использованы кристаллические кремниевые детекторы. Продетектирован-ные сигналы с пиковыми значениями напряжения около 0,2 мв подаются на два входа усилителя 14. В схеме использован электронный осциллограф 15. С горизонтальной развертки осциллографа с частотой 50 гц через блокировочный бумажный конденсатор (С = 0,1 мкф) и потенциометр (/ = 150 ком) подается модулирующее напряжение на отражатель клистрона генератора. Благодаря этому на вход усилителя 14 подается переменное напряжение с частотой повторения сигнала 50 гц.  [c.144]

Для измерения Со необходимо, включив снова резонатор в схему измерения, параллельно ему подсоединить подстроечный конденсатор и установить его величину такой, чтобы резонансный интервал уменьшился вдвое нри этом частота бесконечного затухания переместится ближе к частоте и займет положение fp. Установив на генераторе частоту /р, подстраиваем конденсатор до получения минимальлых показаний милливольтметра. Тогда — Сд. Емкость Со можно измерить и непосредственно, если имеется прибор для измерения малых емкосхей.  [c.19]

Параметрическое усиление служит физической основой для создания параметрических генераторов света. Принципиальная схема такого генератора показана на рис. 41.13. В резонатор, образованный плоскими зеркалами М.. и Мнелинейный кристалл К, вырезанный таким образом, что для волн, распространяющихся перпендикулярно зеркалам, выпoлня pт я векторные условия синфазности + А = либо к + к — к. Для возбуждения параметрической генерации применяется излучение второй (или третьей) гармоники рубинового или неодимового  [c.852]

Все выводы предыдущего параграфа справедливы при предположении, что источник внешнего воздействия на систему обладает бесконечно большой мощностью. Только в этом случае можно считать постоянными амплитуду напряжения (генератор напряжения) или амплитуду тока (генератор тока) и не учитывать обратное влияние системы на источник колебательной энергии. Учтем теперь, что реальный источник обладает конечной мощностью, и колебательная система оказывает на него обратное воздействие Рассмотрим механическую систему, эквивалентная схема кото рой представлена на рис. 10.17. Возбуждаемая струна характе ризуется плотностью р, натяжением Т и плотностью сил трения h В центре струны через пружину связи с коэффициентом упру гости k подключен генератор механических колебаний. Генера тор представлен в виде резонатора с массой М, образованного пружиной с коэффициентом упругости k и элементом трения, характеризуемым коэффициентом крез- Автоколебательные свойства резонатора учтены зависимостью йрез от амплитуды колебаний. Эта зависимость приведена на рис. 10.18 (мягкий режим). Величина Ар является амплитудой устойчивых стационарных колебаний генератора в отсутствие связи со струной.  [c.341]

В библиотеках программы PSpi e имеется несколько тысяч математических моделей элементов (диодов, биполярных и полевых транзисторов, операционных усилителей, стабилизаторов, тиристоров, компараторов, магнитных устройств с учетом насьпцения и гистерезиса, оптронов, кварцевых резонаторов, длинных линий с учетом задержек, отражений, потерь и перекрестных помех и др.) Библиотека открыта для включения моделей пользователя, имеются соответствующие инструментальные средства пополнения библиотеки. Предусмотрено взаимодействие аналоговой и цифровой частей схемы.  [c.145]

Если к пьезоэлементу приложить переменное напряжение, то в нем возникнут переменные механические колебания. Амплитуда их меняется при изменении частоты переменного поля при совпадении частоты поля с собственной (резонансной) частотой пьезоэлемента амплитуда приобретает максимальное значение. Это позволяет представить такой пьезоэлемёнт эквивалентной электрической резонансной схемой. Подобно колебательному электрическому контуру пьезоэлектрический резонатор характеризуют механической добротностью Q.  [c.159]

Толщину диэлектрического слоя, нанесенного на проводящую основу, можно контролировать резонанасным ра-диоволновым методом по изменению резонансной частоты измерительного резонатора. На этом принципе работает резонансный радиотолщиномер РРТ-73, структурная схема которого приведена на рис. 27.  [c.227]

---

Резонатор впускного воздуха

Резонатор воздушного фильтра можно практически на равных правах отнести и к системе забора воздуха для работы двигателя, и к системе выброса отработанных газов. При этом, немалое значение имеет резонатор и для того, чтобы глушить звук от выбросов выхлопных газов в атмосферу. Исходя из всего этого, чтобы понять, как именно функционирует и для чего нужен резонатор воздушного фильтра, необходимо подробно разобраться в особенностях функционирования тех систем, к которым он относится. Этим мы и займемся в сегодняшней статье. Расскажем также и о том, как заменить данную деталь своими руками.

1. Знакомимся с резонатором воздушного фильтра

Как известно, для нормального функционирования двигателя в его камеру сгорания должна подаваться специальная смесь, которая, помимо топлива, также включает в себя обычный воздух. Специально для подачи воздуха на автомобильном механизме обязательно присутствует впускной коллектора, а также воздушный фильтр, который не допускает попадания в камеру сгорания пыли. Именно перед фильтром как раз и устанавливается интересующий нас резонатор.

Необходимость в резонаторе возникает по следующей причине. Во время функционирования двигатель издает очень громкие звуки, которые порождают мини-взрывы топливной смеси внутри цилиндров. Поскольку взрывы эти происходят очень часто, двигатель во время работы издает непрерывный и достаточно монотонный гул. Естественно, этот звук передается в систему выхлопа и глушения, где его сила немного уменьшается. Однако уходит звук и в другую сторону – туда, откуда и подается воздух. Поэтому, чтобы глушить шум от работы цилиндров непосредственно в самом двигателе, и используется резонатор воздушного фильтра.

Такой резонатор представляет собой достаточно большую по размерам пластиковую емкость, полую внутри. Также внутри имеются одна или же несколько перегородок, благодаря которым и осуществляется «резонанс» звука от работы двигателя. Так как звуку для прохождения через резонатор приходится преодолеть своего рода туннель, его сила на выходе в разы уменьшается. Но данная функция резонатора является не единственной. Дело в том, что если бы на месте резонатора располагалась обычная трубка, в ней сталкивались бы два потока воздуха: один – это поток со звуком, стремительно несущийся от двигателя, а второй – это поток воздуха, всасываемого для создания горючей смеси. При этом, сопротивление двух потоков может быть таким высоким, что работа двигателя временно может прекращаться. Однако благодаря наличию резонатора эти потоки определенным образом разделяются и беспрепятственно проходят в разных направлениях.

Правда, существует небольшой нюанс, когда взаимное вытеснение встречных потоков воздуха все же происходит. Но виновником такой ситуации является не резонатор, а загрязнившийся воздушный фильтр, который попросту не позволяет проходить ни всасываемому воздуху, ни выходящему. Понятно, что преодолеть такую проблему можно достаточно просто, и все, что для этого нужно, – новый воздушный фильтр.

Существует также особенный вид резонатора воздушного фильтра, который позволяет предохранять двигатель автомобиля от попадания воды. Случиться подобное может как во время пересечения глубоких луж, так и от конденсата. Как известно, двигатель в таком случае может попросту получить гидроудар и безнадежно выйти из строя. Естественно, допускать этого нельзя ни в коем случае, поэтому такая задача как предохранение двигателя от влаги была возложена и на резонатор.

Еще одна функция резонатора – сглаживание колебаний воздуха, который всасывается в систему двигателя и подается в камеру сгорания. То есть благодаря конструкции данной детали происходит сглаживание пульсации воздушных потоков, которые могли бы подаваться порционно. Вызывает пульсацию работа цилиндров: когда всасывание воздуха осуществляется в одном цилиндре, в другом может осуществляться его выход. Из-за этого подача воздуха и становится неравномерной. Однако именно благодаря резонатору этот процесс происходит равномерно, создавая максимально «сбалансированную» топливную смесь и обеспечивая равномерную работу двигателя.

Хотя, на первый взгляд, такой фактор как равномерность подачи воздуха в камеру сгорания двигателя нельзя назвать существенным, если оценить его влияние на работу всех остальных узлов автомобиля, то потери от неправильного функционирования данной системы могут быть существенными. В частности, из-за этого может возрасти расход горючего, несущественно упадет мощность самого двигателя, намного быстрее начнут изнашиваться его основные узлы.

Но есть в этой бочке меда и своя ложечка дегтя. Дело в том, что входное отверстие интересующей нас детали обычно располагается очень высоко, что спровоцировано конструкционными особенностями резонатора. В результате этого в систему всасывается тот воздух, который уже успел достаточно разогреться в подкапотном пространстве. Естественно, такой воздух содержит в себе в разы меньше кислорода, необходимого для возгорания топлива, в результате чего мощность двигателя немного снижается, хотя и несущественно.

2. Формы резонатора воздушного фильтра

Если вам приходилось копаться в механизме автомобилей разных моделей, то наверняка вы замечали, что на каждой из них используются резонаторы разной формы. По сути речь идет исключительно о геометрических формах устройства, хотя иногда они могут отличаться и количеством перегородок, установленных внутри его. Необходимость в создании нескольких форм резонаторов возникла в связи с наличием разных характеристик разных двигателей. На сегодняшний день принято условно выделять две формы резонатора воздушного фильтра:

1. Моноблоки. Такое устройство, как правило, состоит из одной емкости с перегородками, которая и является препятствием для звука и «сепаратором» для двух встречных потоков воздуха.

2. Комбинированные устройства. В этом случае резонатор состоит из двух емкостей. Рациональность создания такой конструкции объясняется таким утверждением производителей, что якобы в одной емкости осуществляется подавление высоких частот звука, а во второй – низких. Аналогично подавлению звука происходит и выравнивание пульсации потоков воздуха. Здесь также обязанности двух емкостей разделяются: одна из них выполняет функцию ресивера, благодаря которому осуществляется выравнивание давления, а вторая обеспечивает выравнивание и равномерную подачу воздуха.

Однако, независимо от формы и типа резонатора, его важная роль в правильном функционирования двигателя автомобиля остается неоспоримой. В связи с этим, если устройство по тем или иным причинам выходит из строя, его необходимо обязательно заменить, иначе уже через несколько дней вы сможете заменить изменения в работе вашего автомобиля. Замена резонатора осуществляется достаточно просто, поэтому ее вполне можно осуществить и своими силами.

3. Замена резонатора воздушного фильтра Резонатор воздушного фильтра выходит из строя достаточно редко, однако к возникновению подобной ситуации также необходимо быть готовым. Чаще всего он попросту загрязняется пылью, которая всасывается в систему вместе с воздухом. Если слой пыли становится очень большим, проходимость потоков воздуха уменьшается, вместе с чем снижается мощность двигателя и растет расход топлива. Иногда справиться с подобной проблемой помогает обычный демонтаж устройства и его промывка. Однако, если подобная процедура не дала никакого результата, придется осуществлять замену резонатора.

Еще одна причина, по которой может возникнуть необходимость в замене – это механическое повреждение резонатора воздушного фильтра. Происходит это еще реже, чем его «закупоривание» пылью, однако в случае попадания автомобиля в аварию или разрыва двигателя повреждаться может не только данное устройство. Но прежде чем заняться непосредственно заменой, предстоит также приобрести новое устройство. Мы уже отмечали, что резонаторы могут иметь разную форму, в связи с этим может возникнуть проблема в процессе поиска устройства, идентичного по форме тому, которое ранее стояло на вашем авто. Однако подобрать правильный резонатор очень важно, и связано это со следующими факторами:

— форма и конструкция резонатора воздушного фильтра имеют очень большое значение для правильного функционирования двигателя – если установить другое по форме устройство, могут наблюдаться изменения и в работе мотора;

— обычно конструкторы разрабатывают такую форму резонатора, чтобы устройство могло без проблем помещаться среди других деталей и узлов автомобиля. Если приобрести слишком большой резонатор, он может попросту не поместиться в «чреве» автомобиля;

— разные резонаторы могут иметь разные размеры выходов, поэтому при выборе устройства, которое не совсем предназначено для вашего автомобиля, вам придется потратить немало времени для создания герметичных соединений между всеми элементами системы всасывания воздуха.

После покупки резонатора воздушного фильтра можно смело приступать к замене. Выполняется она следующим образом:

1. Снимаем часть «мордочки» автомобиля: с одной стороны необходимо демонтировать фару, бампер, также откручиваем пистоны, при помощи которых к бамперу крепится крыло, после чего снимаем и само крыло.

2. Благодаря этому мы получили полный доступ к двигателю и системе всасывания воздуха, и можем браться за демонтаж старого резонатора. Обычно крепится данное устройство при помощи двух болтов, которые, естественно, откручиваем. Посредством этого мы сможем также снять кронштейн крыла.

3. Демонтируем со старого резонатора патрубок, в результате чего старое устройство можно будет полностью снять и отложить в сторону. Внимательно осмотрев и очистив патрубок, натягиваем его на новый резонатор и крепим его на место старого.

4. Осуществляем обратную сборку всех деталей. После завершения работ можно сразу же прокатиться на автомобиле и прислушаться к звуку от работы двигателя. Если предыдущий резонатор на момент замены был уже существенно изношен, звук работы двигателя с новым устройством для вас станет настоящим наслаждением.

Источник: https://auto.today

Оптические резонаторы, напечатанные на 3D-принтере

Шепчущие галереи

Еще в конце 17 века в Лондоне было завершено строительство собора Святого Павла. В 1910 году лорд Рэлей разработал волновую теорию, чтобы описать необычное явление в куполе собора, известное как галерея шепота. Галерея шепота представляет собой круглое ограждение, часто под куполом или сводом, в котором шепот отчетливо слышен в других частях галереи. Акустические волны цепляются за стены и гораздо меньше затухают по мере того, как они проходят по окружности купола, что позволяет отчетливо слышать шепот в определенных точках помещения.В зависимости от окружности шепчущей галереи, только определенные высоты могут быть услышаны в предсказуемых резонансных режимах. Тот же эффект можно увидеть, когда свет вводится в оптические резонаторы разных типов, включая микрокапли.

Оптические резонаторы с микрокаплями

Световые волны, объединенные в микрокапли, имитируют поведение акустических волн, проходящих через шепчущую галерею. Свет может возбуждаться в капле и оставаться полностью внутренне отраженным внутри сфероида.Гладкость поверхности жидкости позволяет свету обходить ее от сотен тысяч до миллионов раз, в зависимости от потери интерфейса. При этом он конструктивно вмешивается в себя на своей резонансной частоте, набирая все больше и больше мощности за очень короткий промежуток времени. Даже если маломощный лазер подключен к резонатору капли, большой выигрыш в мощности вызовет деформацию воды на резонансной частоте света вдоль наибольшего радиуса кривизны капли.Эти микроскопические деформации могут быть использованы для изучения молекулярных взаимодействий, важных для биочувствительности из-за их высокой чувствительности. Есть много других применений этих капельных резонаторов с модой шепчущей галереи, включая применение в лазерной генерации и фильтрах в оптической связи.

Фон смачивания

«Смачивание» — это свойство жидкости при нанесении на поверхность.«Смачиваемость» поверхности относится к тому, сколько жидкости будет растекаться при нанесении на поверхность. Со смачиванием тесно связано понятие краевого угла. Как видно из частей a) и c) приведенного выше изображения, контактный угол — это угол, образованный между каплей жидкости на поверхности и самой поверхностью. Сильно смачиваемая поверхность имеет низкий угол смачивания, и наоборот.

Часть b) изображения демонстрирует капиллярное действие. Когда жидкость вводится в маленькую трубку, она поднимается на определенную высоту, определяемую радиусом трубки и углом контакта материала трубки.Оба этих основных смачивающих свойства важны для наших устройств.

Резонаторы для фонтанов

Как описано в предыдущем разделе, микрокапли можно использовать в качестве резонаторов в режиме шепчущей галереи.Однако очень трудно поддерживать стабильный размер и форму этих капель. Часть а) приведенного выше рисунка показывает, как микрокапля может прижаться к угловым границам головки одного из наших устройств. Поскольку краевой угол смачивания слишком велик, а смачивание слишком низкое, капля имеет сфероидальную форму, и жидкость не может преодолеть угловую границу. Однако такая капля подвержена сильному испарению из-за большого отношения площади поверхности к объему. Дополнительная жидкость должна подаваться с очень точной скоростью, чтобы противодействовать эффектам этого испарения.Эту точность чрезвычайно трудно поддерживать, поскольку скорость испарения зависит от многих переменных, многие из которых трудно поддерживать.

Мы представляем альтернативную технику создания жидкостных микрорезонаторов, которые мы называем «резонаторами фонтанов». В части b) рисунка показана схема этих резонаторов после обработки для большей смачивания. Испарение по-прежнему будет вызывать колебания жидкой пленки, поэтому потребуется активное пополнение. Часть c) рисунка показывает наше устройство с пассивным пополнением текучей среды.Основой для этих резонаторов служит 3D-печатная конструкция. Затем в структуру подается жидкость, которая будет течь по всей структуре из-за капиллярного действия и сильного смачивания. После обтекания конструкции жидкость снова возвращается в свой резервуар подачи. В результате образуется стабильная тонкая пленка рециркулирующей жидкости, покрывающая конструкцию. Как и микрокапля, эта пленка подвержена испарению, но поскольку вода постоянно циркулирует, толщина пленки остается постоянной, пока в резервуаре есть жидкость.

Часть a) приведенного выше рисунка показывает CAD-модель резонатора водяного фонтана. Устройство имеет примерно форму зубца с каналом, вырезанным в основании, и вертикальным капилляром в центре для обеспечения рециркуляции жидкости. Устройство спроектировано так, чтобы быть максимально гладким, однако известно, что процесс 3D-печати не сможет точно воссоздать эту плавность.В части b) рисунка показано SEM-изображение устройства. На этом изображении четко видны шероховатости и дефекты, вызванные процессом печати. Шероховатость, присущая 3D-печати, сделала ее непригодной для оптических устройств, но мы преодолеваем эту проблему, покрывая устройство жидкостью. В части c) показано устройство, покрытое водой. Как видно, пленка преодолевает шероховатость, вызванную процессом 3D-печати, в результате получается поверхность с оптическим качеством.

Методы анализа

После успешного создания конструкции из рециклирующей пленки необходим ее анализ.На рисунке выше показан процесс. Используя микроскоп, мы наблюдаем за сухим устройством и помещаем конец оголенного оптического волокна в рамку поля зрения. Волокно имеет известную ширину 125 микрон, и, поместив его в рамку с устройством, мы можем определить точный масштаб пикселей на изображении. Удаляя волокно, мы делаем снимок сухого устройства, затем смачиваем его и снимаем неподвижные кадры или видео пленки жидкости на устройстве. Анализируются три представляющих интерес кадра: кадр, в котором видно волокно, кадр сухого устройства и кадр устройства после достижения рециркуляции жидкости.Затем эти кадры преобразуются в оттенки серого и снова преобразуются в двоичное изображение (подробности процесса определения порога подробно описаны в следующем разделе). Ширина волокна от первого кадра измеряется в пикселях, и определяется коэффициент преобразования между пикселями и микронами. Затем можно рассчитать разницу в размерах между сухим устройством и влажным устройством.

Используя и повторяя этот метод, можно определить множество полезных показателей. Мы можем определить, где на устройстве пленка самая толстая или самая тонкая.В качестве альтернативы, сделав длинное видео, мы можем увидеть, как толщина пленки остается стабильной с течением времени из-за пассивного пополнения. Эти результаты более полно объяснены в следующих разделах.

Граничная неопределенность

Мы разработали наши методы визуализации, чтобы сделать их максимально точными; однако некоторая неопределенность остается.На изображении выше показано, как мы учитываем погрешность наших измерений.

Как описано в предыдущем разделе, для измерения толщины пленки видеокадры преобразуются в двоичные изображения. При преобразовании изображения в градациях серого в двоичное изображение выбирается пороговое значение. В изображении в градациях серого каждый пиксель имеет значение от 0 до 255, где 0 — черный, а 255 — белый. При преобразовании любые пиксели со значением ниже порогового значения будут преобразованы в белые, а пиксели выше будут преобразованы в черные.Определение подходящего порогового значения очень важно для точного измерения. Поскольку наши измерения сводятся к нескольким пикселям, небольшие отклонения порогового значения могут исказить результаты. Чтобы определить идеальное пороговое значение, мы выбираем прямоугольник пикселей внутри и снаружи края как для сухих, так и для влажных устройств. Мы находим среднее значение пикселей внутри каждого поля и используем среднюю точку двух значений в качестве порогового значения. Таким образом, даже если освещение меняется от изображения к изображению, пороговое значение будет соответствующим образом скорректировано.

Неопределенность, присущая процессу, возникает из-за постепенного перехода изображения от светлого к темному. Эти области неопределенности пикселей показаны в левой части приведенного выше изображения как для сухих, так и для влажных изображений устройства. Нижние левые столбцы показывают образцы срезов, взятых из двух вложенных изображений справа. Мы использовали среднее значение шкалы серого для фона и среднее значение шкалы серого устройства для расчета 80% области, которая отмечена голубым цветом выше. Допустимый край устройства и пленки устройства обозначен красным, и мы определили это значение, используя метод определения порога, показанный выше.Мы принимаем неопределенность в показанной переходной области, но из-за единообразия нашего процесса визуализации и метода автоматического определения порога всегда будет выбираться центр переходной области, что обеспечивает точное измерение толщины пленки между двумя изображениями.

Стабильность пленки

Как мы уже отмечали, нашим резонаторным устройствам требуется стабильность жидкой пленки, чтобы они были полезными и не переходили через модовый спектр.На рисунке выше показана стабильность пленки в течение нескольких часов. Мы сняли видео и измерения, как описано выше, и мы намеренно повредили пленку, капая воду рядом с устройствами, пополняя резервуар, прежде чем дать ей полностью испариться. Значения дискретных пикселей будут объяснены ниже, но мы отмечаем, что стандартное отклонение этого набора данных является субмикронным. Среднее значение толщины пленки 0,3 мкм.

Глубокая стабильная пленка

Красный набор данных, показывающий стабильность пленки, повторяется в левой части рисунка выше вместе с тремя другими точками измерения.В части a) показан образец корпуса смоченного устройства с четырьмя цветными линиями, определяющими, где были взяты наборы данных в части b). Мы также наложили сухое устройство на влажное, чтобы показать, насколько толстая пленка у шейки (желтый набор данных) и толще в определенных резервуарах с водой (синие и голубые наборы данных). Мы заявляем о стабильности пленки в красной, синей и голубой областях вдоль головки устройства. Горловина гораздо более восприимчива к изменениям толщины пленки, что можно увидеть по выступам при добавлении воды.Ближе к концу желтого набора данных находятся три метки времени, которые коррелируют с тремя кадрами в части c), которые показывают процесс испарения и то, как сам резервуар должен испаряться, чтобы испарилась пленка устройства.

Наши устройства напечатаны на 3D-принтере с использованием метода цифровой обработки света. Полученный полимер имеет микромасштабные пустоты, которые медленно заполняются жидкостью по мере адсорбции водного покрытия. Часть d) представляет собой схему, которая показывает, как, когда сухой и жидкий края устройства находятся на полпути между делениями пикселей камеры, камера должна выбрать, какой пиксель назначить.Эта ошибка дискретизации увеличивается, поскольку резонаторные устройства постоянно адсорбируют воду и расширяются. Горизонтальный сдвиг показан в части е), где устройство сдвигает на 6 пикселей в течение 2-часового эксперимента. Мы использовали анализ среднеквадратичной ошибки, чтобы отследить движение нашего расширяющегося устройства. Из-за разделения пикселей камеры, показанного в части d), горизонтальный сдвиг имеет области колебания, которые отмечены желтыми полосами. Тот же самый красный набор данных, определенный ранее, выравнивается над данными горизонтального сдвига с зеркальными желтыми полосами, чтобы показать, что пиксели выше и ниже 0.3 микрона — это артефакт дискретности, и пленка на самом деле довольно стабильна.

Подгонка вертикальной деформации к кривой Фика

Как указано выше, мы отслеживали движение устройства по мере адсорбции воды, были очевидны как горизонтальное, так и вертикальное смещение. На приведенном выше рисунке показано, как вертикальный сдвиг был намного более значительным из-за большого объема полимера, на котором установлено устройство.Красная линия представляет собой фикическую кривую вертикального натяжения из-за адсорбции, которая очень хорошо согласуется с синими данными, которые показывают измеренный нами вертикальный сдвиг. Возмущения воды также очевидны в этих данных, что согласуется с предыдущими цифрами.

Теперь, когда мы охарактеризовали наши устройства и созданные нами замечательные изогнутые тонкие пленки, мы гораздо лучше подготовлены к их использованию в качестве оптических резонаторов, что и является нашим текущим направлением исследований.

Миниатюрная технология, глобальное влияние: прорыв в резонаторах TI BAW создает новое электронное сердцебиение

Каждая электронная система имеет тактовый сигнал — тактовый сигнал, который помогает каждому компоненту работать в идеальной синхронизации.

На протяжении десятилетий дизайнеры использовали кристаллы кварца для создания этого электронного сердцебиения. Кристаллы колеблются, создавая точный ритм. Но когда эти дорогие кристаллы начинают изнашиваться, они могут дрожать или подпрыгивать, со временем снижая их точность.

Наша компания представляет два новых устройства, в которых используются резонаторы объемных акустических волн (BAW) как новый тип электронного сердцебиения. При ширине 100 микрон эти крошечные хронометры меньше диаметра человеческого волоса, но работают на частотах, намного превышающих частоты кристаллов кварца, и обеспечивают лучшую производительность системы.

С появлением более совершенных коммуникационных сетей и эпохи больших данных высокоточная синхронизация стала важной, поскольку огромные объемы данных передаются между системами по всему миру, соединяя врачей с пациентами, фермеров с животноводством, а здания с автомобилями.

Наши новые продукты на основе TI BAW обещают радикально улучшить производительность внутренних часов и ускорить работу приложений, от автоматизации зданий до виртуального здоровья.

В прошлом технология резонатора BAW использовалась для фильтрации сигналов в коммуникационных технологиях, таких как смартфоны.Наша компания впервые в отрасли использует эту технологию для обеспечения интегрированной функции синхронизации.

Кварц не нужен: представляем первый в отрасли беспроводной микроконтроллер без кристалла

Наши новые продукты включают в себя первый в отрасли бескристаллический беспроводной микроконтроллер (MCU), который объединяет в корпусе резонатор TI BAW. Этот микроконтроллер позволит инженерам-конструкторам создавать более простые конструкции меньшего размера, одновременно повышая производительность и снижая затраты. Это также ускорит время выхода на рынок, поскольку конструкторы смогут исключить процесс выбора, калибровки и установки внешних кристаллов кварца.

«Критически важным нововведением является возможность перемещать и анализировать огромные объемы данных для принятия точных, обоснованных решений», — сказал Рэй Аптон, наш вице-президент по подключенным микроконтроллерам. «Беспроводные сети лежат в основе этой миграции данных, а способность преодолевать последнюю милю через подключенные устройства — жизненно важная часть цикла данных».

Ожидается, что к 2022 году расходы на приложения IoT достигнут 1,2 триллиона долларов по сравнению с примерно 151 миллиардом долларов в 2018 году.* Этот быстрый рост указывает на то, что Интернет вещей глубоко проникает на многие рынки: 90 процентов руководителей компаний в сфере технологий, средств массовой информации и телекоммуникаций считают, что Интернет вещей занимает центральное место в их бизнес-стратегии. **

Наш новейший мультистандартный микроконтроллер SimpleLink ™ с технологией TI BAW может быть интегрирован в маломощные радиочастотные устройства, такие как бескристаллический Bluetooth ® с низким энергопотреблением и технологии Zigbee® для уменьшения проблем с радиочастотными характеристиками, создаваемых внешними устройствами. кристаллы.

Очистите свои часы: сетевой синхронизатор на основе TI BAW устраняет цифровой шум

Другой наш продукт с поддержкой BAW — это сетевой синхронизатор на основе TI BAW, который можно использовать в сочетании с кварцевыми кристаллами для удаления цифрового шума — или джиттера — из входных сигналов в подсистеме связи оборудования проводной или беспроводной инфраструктуры в данных. центральные опорные сети. Это принесет пользу телекоммуникационным системам, таким как сети 5G.

«Требования к синхронизации коммуникационной инфраструктуры завтрашнего дня выходят за рамки возможностей устройств, которые сегодня оснащены кварцевыми резонаторами», — сказал Ким Вонг, наш вице-президент и генеральный менеджер по высокоскоростным данным и часам.«Интегрируя резонаторы TI BAW непосредственно в устройства синхронизации, мы можем обеспечить сверхнизкие характеристики джиттера и устойчивость к вибрации и ударам, которые требуются растущему конвейеру данных, лежащему в основе этой трансформации коммуникаций».

Как работают эти крошечные хронометристы

Наш генератор TI BAW представляет собой схему электронного генератора, которая использует механический резонанс вибрирующего микроакустического резонатора (BAW) для генерации стабильного электрического сигнала посредством пьезоэлектрического эффекта.Этот точный сигнал на очень высокой частоте обеспечивает синхронизацию и синхронизацию электронных систем.

Продукция

TI на базе BAW предлагает инженерам-разработчикам несколько преимуществ:

• Меньший форм-фактор. Поскольку они интегрированы в корпуса микросхем, разработчикам схем больше не нужно будет использовать отдельные устройства синхронизации, установленные на печатных платах.
• В большинстве случаев меньшая мощность. Многие приложения Интернета вещей требуют быстрого включения систем синхронизации.Генератор на основе TI BAW просыпается в 100 раз быстрее, чем кристаллы кварца.
• Более низкий уровень цифрового шума. Наша микросхема сетевого синхронизатора обеспечивает более высокий уровень джиттера, чем лучшее устройство на рынке сегодня.
• Чистящие часы. Резонатор TI BAW обеспечивает сверхчистую опорную частоту, которая необходима для высокоскоростной передачи данных до сотен гигабит в секунду. Он также может быть интегрирован с радиочастотным (RF) чипом как однокристальное радиорешение.

Суть дела

По мере появления сетей 5G и коммуникационных технологий будущего поколения последствия будут варьироваться от бизнеса и коммерции до здравоохранения, сельского хозяйства и образования.

Когда инфраструктура связи будет создана для поддержки передачи огромных объемов данных, компании и правительства захотят предоставить беспроводное наложение для соединения точка-точка на последней миле, от объектов, обменивающихся данными друг с другом на складе, до связь между смартфонами и термостатами, пульсометрами и множеством других устройств.

«Наша технология резонаторов TI BAW проложит путь для следующего поколения промышленных и телекоммуникационных приложений, изменив наш подход к проектированию систем», — сказал Рэй.

На следующей неделе в Think. Инновации, ищите колонку директора по технологиям Ахмада Бахаи о том, как это нововведение повлияет на наш мир.

* Forbes.com: сводка прогнозов и оценок рынка Интернета вещей, декабрь 2018 г.
** Forbes.com: сводка прогнозов и оценок рынка Интернета вещей, декабрь.2018

Факультет машиностроения Техниона установил мировой рекорд в улучшении освещенности — ScienceDaily

Physical Review X недавно сообщил о новом оптическом резонаторе от Техниона — Израильского технологического института, который беспрецедентен по усилению резонанса. Разработанный аспирантом Джейкобом Хер-Олденом под руководством профессора Тала Кармона, резонатор из Техниона обладает рекордными возможностями по усилению резонанса.

Резонатор — это устройство, которое улавливает волны и усиливает или отражает их, отражая их от стены к стене в процессе, называемом резонансным усилением. Сегодня во всем мире существуют сложные и изощренные резонаторы различных типов, а также простые резонаторы, знакомые всем нам. Примеры этого включают резонаторную коробку гитары, которая усиливает звук, производимый струнами, или корпус флейты, который усиливает звук, создаваемый в мундштуке инструмента.

Гитара и флейта представляют собой акустические резонаторы, в которых звук отражается между стенками резонатора. В физике также есть оптические резонаторы, например, в лазерных устройствах. Резонатор, по сути, является одним из самых важных устройств в оптике: «Это транзистор оптики», — сказал профессор Кармон.

Вообще говоря, резонаторам нужно как минимум два зеркала для умножения отраженного света (как в парикмахерской). Но они также могут вместить более двух зеркал.Например, три зеркала можно использовать для отражения света треугольной формы, четыре — квадрата и так далее. Также можно расположить множество зеркал почти круглой формы, чтобы свет циркулировал. Чем больше зеркал в кольце, тем ближе структура идеального круга.

Но это не конец истории, поскольку кольцо ограничивает движение света одной плоскостью. Решение — сферическая структура, которая позволяет свету вращаться во всех плоскостях, проходящих через центр круга, независимо от их наклона.Другими словами, в трехмерном пространстве.

При переходе от физики к технике возникает вопрос, как сделать резонатор как можно ближе к сфере, которая будет чистой, гладкой и дает максимальное количество вращений для оптимального резонанса. Это задача, с которой столкнулись многие исследовательские группы, и в результате, среди прочего, был получен крошечный стеклянный резонатор в форме сферы или кольца, который удерживается рядом с узким оптическим волокном. Пример этого был представлен проф.Кармон два года назад в Nature.

Здесь все еще оставалось место для улучшения, поскольку даже стержень, удерживающий сферу, искажает ее сферическую форму. Следовательно, родилось желание создать плавающий резонатор — резонатор, не удерживаемый никакими материальными объектами.

Первый в мире микрорезонатор был продемонстрирован в 1970-х Артуром Ашкином, лауреатом Нобелевской премии по физике 2018 года, который представил плавающий резонатор. Несмотря на достижение, исследовательское направление вскоре было заброшено.Теперь, вдохновленный новаторской работой Ашкина, новый плавающий резонатор демонстрирует резонансное усиление за счет 10 000 000 циркуляций света по сравнению с примерно 300 циркуляциями в резонаторе Ашкина.

Левитирующий резонатор

В резонаторе, сделанном из зеркала, отражающего 99,9999% света, свет будет совершать около миллиона оборотов или «круговых обходов». По словам профессора Кармона, «если мы возьмем свет мощностью в один ватт, аналогичный свету вспышки в сотовом телефоне, и позволим ему вращаться вперед и назад между этими зеркалами, сила света будет усилена. примерно до миллиона ватт — мощность равна потреблению электроэнергии в большом районе Хайфы, Израиль.Мы можем использовать высокий световой поток, например, для стимулирования различных взаимодействий света с веществом в области между зеркалами ».

Фактически, миллион ватт состоит из одной и той же частицы света, которая движется взад и вперед через материю, но материя не «знает», что это та же самая частица света, которая многократно движется через материю, поскольку фотоны неотличимы. Он только «чувствует» великую силу. В устройстве этого типа также важно, чтобы миллион ватт проходил через небольшую площадь поперечного сечения.Действительно, устройство, разработанное Kher-Alden, проводит свет за 10 миллионов круговых поездок, в которых свет фокусируется на площади луча, в 10 000 раз меньшей, чем площадь поперечного сечения волоса. При этом Kher-Alden установил мировой рекорд в области резонансного усиления света.

Резонатор, разработанный исследователями Техниона, сделан из крошечной капли высокопрозрачного масла диаметром около 20 микрон — четверть толщины пряди волос. С помощью техники, называемой «оптическими щипцами», капля удерживается в воздухе с помощью света.Этот метод используется для удержания капли в воздухе без материальной поддержки, которая может повредить ее сферическую форму или испачкать каплю. По словам профессора Кармона: «Это гениальное оптическое изобретение, оптические щипцы, широко используются в биологических науках, химии, устройствах с микропотоком и многом другом, и именно исследователи-оптики почти не используют его — немного похоже на сапожник, ходящий босиком В настоящем исследовании мы показываем, что оптические щипцы обладают огромным потенциалом в области оптической инженерии.Можно, например, построить оптическую схему, используя несколько оптических пинцетов, которые удерживают множество резонаторов и при необходимости регулируют положение резонаторов и их форму ».

Крошечные размеры капли также улучшают сферическую целостность, потому что гравитация почти не искажает ее, поскольку по этим размерам она незначительна по сравнению с силами поверхностного натяжения на границе раздела жидкости, которые придают ей сферическую форму. В уникальной системе, разработанной исследователями Техниона, капля масла удерживается лазерным лучом и получает свет от другого волокна, которое также принимает свет обратно после прохождения через резонатор.

На основании свойств света, возвращающегося в волокно, исследователи могут узнать, что произошло внутри капли. Например, они могут выключить свет, попадающий в резонатор, и проверить, как долго фотон проживет в резонаторе, прежде чем он погаснет. Основываясь на этих данных и скорости света, они могут вычислить количество оборотов, которое фотон делает (в среднем) в капле. Результаты показывают мировой рекорд по усилению света: 10 000 000 вращений, которые проходят через площадь поперечного сечения около микрона в квадрате, увеличивая свет в 10 миллионов раз.

Одно устройство, много частот: исследователи Аргонны создают уникальный крошечный резонатор.

Одно дело, когда люди теряют счет времени, но что происходит, когда это делают наши часы? Во все более сетевом мире устройства должны быть более пунктуальными, чем когда-либо. Чтобы они продолжали работать так, как мы ожидаем, они зависят от целой армии крошечных вибрирующих компонентов.

Вывод, сделанный группой ученых из Центра наноразмерных материалов (CNM), пользовательского объекта Министерства энергетики США (DOE) в Аргоннской национальной лаборатории, в конечном итоге может помочь улучшить такие компоненты в ряде электронных устройств и даже создать устройства, которые имитировать биологические процессы.Исследователи впервые создали микромеханическое устройство, которое реагирует на внешние сигналы совершенно новым способом по сравнению с обычными. Их работа, проведенная группой из пяти учреждений, включая Аргонн, была недавно опубликована в журнале Physical Review Letters.

«Новинка здесь в том, что если вы правильно возбудите это резонаторное устройство, конструкция будет вибрировать со спектром, состоящим из множества равномерно распределенных частот, несмотря на то, что она управляется одной частотой.»- Даниэль Лопес, руководитель группы

Центра наноразмерных материалов.

Типичный резонатор в электронном устройстве реагирует на один сигнал с одной соответствующей частотой. В наручных часах, например, кварцевый резонатор вибрирует с определенной частотой при приложении определенного напряжения, и эта вибрация отмечает время. Но многозадачная сеть устройств может потребовать ответов на более чем одной частоте, и здесь все усложняется.

«Для каждого устройства, работающего на определенной частоте, вам нужен источник синхронизации», — сказал нанотехнолог из CNM Дэйв Чаплевски, ведущий автор статьи. «Наличие нескольких устройств, работающих на разных частотах, значительно усложняет систему».

В то время как общий подход к этой проблеме включает несколько резонаторов, несколько сигналов или и то, и другое, исследователи создали один резонатор небольшого размера, который может генерировать несколько частот из одного сигнала. Этот набор частот называется частотной гребенкой, названной так из-за того, что частоты кажутся равномерно расположенными, как зубцы, при нанесении на график.

«Новинка здесь в том, что если вы правильно возбудите это резонаторное устройство, конструкция будет вибрировать со спектром, состоящим из множества частот, равномерно распределенных, несмотря на то, что она управляется одной частотой», — сказал Даниэль Лопес, группа руководитель группы CNM по нанотехнологиям и устройствам и соавтор статьи. «Вместо того, чтобы изготавливать отдельный генератор для каждого устройства, вы можете изготовить один генератор, который может генерировать сигнал на всех необходимых частотах.”

Исследование частично проводилось в CNM, где исследователи разработали резонатор и использовали методы определения электрических характеристик для измерения его откликов. Силиконовое устройство, размером не больше нескольких крупинок соли, уложенных встык, закрепляет три балки, которые перемещаются вместе в двух вибрациях: колебательном движении из стороны в сторону и вращательном движении. Исследователи использовали эту двойственность для создания частотной гребенки.

«Мы используем взаимодействие этих двух вибраций, чтобы получить эту частотную характеристику, которая в конечном итоге выглядит как частотная гребенка», — сказал Чаплевски.

Частотные гребенки чаще используются в области оптики, где они состоят из импульсов лазерного света и могут использоваться для точного измерения времени. По словам исследователей, в другом приложении эту механическую частотную гребенку можно использовать для изучения определенного типа динамики, известной как бифуркация SNIC (седловой узел на инвариантной окружности) в механических, оптических и биологических системах. В биологических условиях, например, понимание этого поведения может помочь в разработке микромеханических элементов, имитирующих реакцию нейронов на стимулы.Математика, описывающая колебания в этом резонаторе, была проведена в сотрудничестве с группой экспертов в области нелинейной динамики во многих университетах.

По словам Лопеса, следующим шагом в исследовании будет воспроизведение явления гребенки частот в высокочастотных резонаторах и увеличение числа «зубцов» — или частот — которые могут быть созданы.

Это исследование частично финансируется Управлением науки Министерства энергетики США.

лазерных резонаторов, объяснено энциклопедией RP Photonics; лазерные резонаторы, конструкция, оптимизация

Энциклопедия> буква L> лазерные резонаторы

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics.Среди них:

Найдите более подробную информацию о поставщиках в конце этой статьи энциклопедии или посетите наш

Вас еще нет в списке? Получите свою запись!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием продукта.

Анализ и оптимизация лазерных резонаторов

Программное обеспечение RP Resonator — это особенно гибкий инструмент для анализа и оптимизации лазерных резонаторов. Например, его можно использовать для расчета и минимизации чувствительности юстировки лазерных резонаторов.

RP Photonics также предлагает компетентные услуги по проектированию резонаторов, что позволяет создавать самые современные конструкции.

Определение: оптические резонаторы, служащие основными строительными блоками лазеров

Альтернативный термин: лазерные резонаторы

Более общий термин: оптические резонаторы

Немецкий: Laserresonatoren

Категории: оптические резонаторы, лазерные устройства и лазерная физика

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

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

Для лазера обычно требуется лазерный резонатор (или лазерный резонатор ), в котором лазерное излучение может циркулировать и проходить через усиливающую среду, которая компенсирует потери оптической мощности. Исключения составляют несколько случаев (например, некоторые лазеры на свободных электронах), где используется среда с очень высоким коэффициентом усиления, так что усиленное спонтанное излучение извлекает значительную мощность за один проход через усиливающую среду.

Лазерный резонатор обычно содержит несколько лазерных зеркал, одно из которых является выходным ответвителем, усиливающей средой лазера и, возможно, дополнительными оптическими элементами, например для перестройки длины волны, переключения добротности или синхронизации мод. Это может быть линейный резонатор с двумя торцевыми зеркалами или кольцевой резонатор.

Лазерное излучение автоматически генерируется на одной или нескольких частотах, соответствующих резонансам (режимам резонатора), возможно, с небольшими отклонениями, вызванными «затяжкой усиления».Никаких специальных мер для работы на резонансе не требуется; это другое для внешних резонаторов, например резонансные полости усиления.

Рисунок 1: Два простых твердотельных лазерных резонатора с лазерным кристаллом в качестве усиливающей среды. Выходные лучи генерируются там, где зеркала резонатора частично пропускают. Для кольцевого лазера (справа) однонаправленная работа обеспечивается изолятором Фарадея; без этого можно было бы получить два выходных луча.

Лазерные резонаторы твердотельных лазеров

Объемные твердотельные лазеры обычно состоят из нескольких диэлектрических зеркал (лазерных зеркал), которые могут быть плоскими или изогнутыми.На рисунке 1 показаны линейный резонатор и кольцевой резонатор, построенные таким образом и содержащие лазерный кристалл (спрятанный в лазерной головке) в качестве усиливающей среды. В некоторых случаях диэлектрическое зеркальное покрытие наносится на саму усиливающую среду; см. статью о монолитных твердотельных лазерах. Одно из зеркал, обычно торцевое, является частично пропускающим выходным соединителем.

Фигура 2: Простой лазерный резонатор состоит всего из двух зеркал вокруг лазерной головки с диодной накачкой. Источник: Cutting Edge Optronics.

Конструкция лазерного резонатора (включая оптические элементы, углы падения и расстояния между компонентами) определяет радиус пучка основной моды во всех точках вдоль луча, а также другие важные свойства. Для максимального качества луча (→ выход с дифракционным ограничением ) радиус луча в усиливающей среде должен приблизительно соответствовать радиусу накачиваемой области. Для меньших радиусов луча достигается работа с несколькими пространственными модами, что приводит к неидеальному качеству луча; однако такие многомодовые лазеры имеют другие преимущества, такие как гораздо более широкие зоны стабильности и более низкая чувствительность к рассогласованию.

Во многих случаях конструкция лазерного резонатора должна иметь дополнительные особенности. Например, его можно оптимизировать

Особенно для мощных лазеров с хорошим качеством луча очень важно тепловое линзирование в усиливающей среде. Конструкция резонатора должна быть сделана так, чтобы изменения тепловой линзы не слишком сильно влияли на размеры мод. Кроме того, он должен иметь низкую чувствительность к тепловым аберрациям [2] и перекосам [1]. Важность этих факторов не следует недооценивать; Бывают случаи, когда два резонатора даже с одинаковыми размерами мод в усиливающей среде приводят к очень разным характеристикам лазера и радикально различаются с точки зрения юстировки.

Хотя обычно не так сложно оценить свойства данного лазерного резонатора, может быть сложно найти конструкцию резонатора, которая удовлетворяет нескольким критериям, таким как перечисленные выше. Численная оптимизация с использованием специального программного обеспечения для проектирования резонаторов может быть единственным способом найти хорошие решения, особенно для некоторых лазеров с синхронизацией мод. Кроме того, четкое понимание свойств резонатора может значительно помочь при попытке найти конфигурации резонатора с особыми комбинациями свойств, такими как большие площади мод и короткие длины.Для сложных задач проектирования большой опыт не менее важен, чем универсальное программное обеспечение для проектирования.

Некоторые мощные лазеры (например, плоские) работают с нестабильными резонаторами , что позволяет достичь приемлемого (но обычно не ограниченного дифракцией) качества луча, несмотря на наличие сильных тепловых эффектов в усиливающей среде. Такие лазерные резонаторы из-за высоких дифракционных потерь требуют относительно высокого усиления.

Существуют различные типы монолитных твердотельных лазеров, у которых весь путь луча находится внутри лазерного кристалла.Отражения луча обычно реализуются либо с помощью диэлектрических покрытий на поверхности кристаллов, либо с полным внутренним отражением.

Физические ограничения

Хотя различные свойства лазерных резонаторов можно оптимизировать с помощью подходящей конструкции резонатора, существуют ограничения, особенно для определенных комбинаций свойств. Например, можно лишь в ограниченной степени сочетать характеристики небольшой длины резонатора, больших площадей мод и низкой чувствительности юстировки.Даже оптимизированные конструкции резонаторов не могут полностью соответствовать желаемым спецификациям для некоторых лазеров, особенно для высокомощных лазеров.

Отметим также, что лазерные резонаторы не следует рассматривать как масштабируемые по мощности в практическом смысле, как обсуждалось в статье «В центре внимания» от 19 сентября 2009 г. Это означает, что некоторые проблемы проектирования более серьезны для лазеров с более высокой выходной мощностью.

Юстировка лазерных резонаторов

Для лазерных резонаторов простой конструкции, например Имея всего два зеркала вокруг некоторой усиливающей среды, часто довольно легко найти начальное выравнивание.Как только лазер заработает, юстировку можно дополнительно оптимизировать, просто увеличив выходную мощность до максимума.

Для более сложных резонаторов может быть довольно сложно найти приблизительную начальную юстировку, в которой лазер начинает работать. В таких случаях может потребоваться некоторый видимый выравнивающий лазер, который предпочтительно должен иметь подходящую длину волны, чтобы лазерные зеркала имели достаточно высокий коэффициент отражения для этого луча. В другом случае можно сделать простой резонатор с временно используемыми зеркалами для запуска, использовать полученный выходной луч (и) для юстировки других компонентов, а затем удалить упомянутые зеркала.

В частности, лазерные резонаторы с большими размерами мод могут иметь высокую чувствительность юстировки. Даже небольшой наклон лазерных зеркал, например, может сместить режим резонатора так, что выходная мощность упадет и, возможно, ухудшится качество луча.

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 принимает 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 нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например 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 отзовете свое согласие, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала рассматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

[1]	В. Магни, «Многоэлементные стабильные резонаторы, содержащие переменную линзу», J. Opt. Soc. Являюсь. A 4 (10), 1962 (1987), DOI: 10.1364 / JOSAA.4.001962
[2]	Р. Пашотта, «Ухудшение качества луча лазеров из-за внутрирезонаторных искажений луча», Опт. Экспресс 14 (13), 6069 (2006), DOI: 10.1364 / OE.14.006069
[3]	A.Э. Сигман, Лазеры , University Science Books, Милл-Вэлли, Калифорния (1986)
[4]	Н. Ходжсон и Х. Вебер, Лазерные резонаторы и распространение луча , Springer Series in Optical Sciences, Springer, Berlin (2005)
[5]	Р. Пашотта, тематическое исследование автоматической оптимизации резонатора с помощью программного обеспечения RP Resonator

(Предлагайте дополнительную литературу!)

См. Также: лазеры, оптические резонаторы, конструкция резонатора, монолитные твердотельные лазеры, лазерные зеркала, лазерная оптика, тепловое линзирование, зоны устойчивости оптических резонаторов, нестабильные резонаторы, The Photonics Spotlight 2007-02-22, The Photonics Spotlight 2009- 09-19
и другие статьи в категориях оптические резонаторы, лазерные устройства и лазерная физика

---

Если вам понравилась эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e.грамм. 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 лазерных резонаторах  
 в  
 Энциклопедия фотоники RP   

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

   
  alt = "article">   

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

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

Биосенсорные системы на основе оптического резонатора: текущее состояние и будущее

Кафедра электротехники и вычислительной техники, Международный исламский университет Малайзии, Куала-Лумпур, Малайзия

Резюме: Оптофлюидные устройства появились как многообещающий метод без этикеток для чувствительных обнаружение биологических молекул.Его преимущества быстрого анализа, высокой специфичности и низкого взаимодействия с образцами сделали его популярным устройством для биологических и химических анализов. В этом мини-обзоре описаны современные оптико-жидкостные устройства на основе оптических резонаторов для биодатчика. Описаны усовершенствованные геометрии оптических резонаторов, такие как микросферы, микрокольца, и их интеграция с жидкостями. Предполагается, что для удовлетворения требований диагностики заболеваний для множества клинически значимых образцов размеры оптических резонаторов будут еще больше уменьшаться, а геометрия, обеспечивающая мультиплексирование и интеграцию с обработкой сигналов, станет тенденцией будущего.

Ключевые слова: оптофлюидика, оптические резонаторы, микрокольца, биосенсоры, микросферы, мультиплексированные микрокольца

Введение

Оптические сенсоры давно популярны для анализа как биологических, так и химических образцов. Использование света в сочетании с плазмоникой, флуоресценцией и комбинационным рассеянием привело к созданию оптических сенсоров, способных определять концентрации в фемтомолярном диапазоне. Помимо высокой чувствительности, оптические датчики также обеспечивают быстрый анализ, высокую специфичность благодаря специфическому взаимодействию света и вещества, низкое взаимодействие с образцами и одновременное обнаружение нескольких аналитов с помощью мультиплексированных систем. ^1,2 Развитие технологий микротехнологии также привело к миниатюризации оптических сенсорных систем с громоздкими проточными цитометрами и считывающими устройствами для микропланшетов, преобразованными в волноводы и резонаторы размером с чип. ³ Эта технология также позволила миниатюризировать жидкостные системы, которые теперь способны выполнять автоматическую сортировку и разделение частиц, культивирование клеток и формирование градиента концентрации для небольших объемов образцов (от фемтолитров до нанолитров).В сочетании с жидкостями оптика образует мощное поле, известное как оптофлюидика, которое позволяет бесшовную интеграцию переноса жидкости с субмикронным уровнем анализа.

Как миниатюризация, так и интеграция оптики с жидкостями дают несколько дополнительных преимуществ при использовании для биологического или химического зондирования. Оптические свойства, такие как показатель преломления (RI), флуоресценция, комбинационное рассеяние, поглощение и поляризация, улучшаются в миниатюрных системах. Физическая структура оптических волноводов или резонаторов также может использоваться для потока биологических образцов, создавая компактные жидкие волноводы. ⁴ В некоторых случаях оптические силы также могут использоваться для манипулирования и улавливания биологических частиц, что делает оптико-жидкостные биосенсорные системы одновременно очень чувствительными и селективными. Важной задачей для оптико-жидкостных устройств является достижение максимального взаимодействия между биомолекулами и оптическим полем. ⁴

В последнее время интерес к этой области оптофлюидики огромен, и в настоящее время разрабатывается множество биологических и химических сенсоров. Сообщалось, что оптические резонаторы успешно обнаруживают белки, ⁵ клеток, ⁶ нуклеиновых кислот, ^6,7 лектинов, ⁸ и вирусы. ⁹ В этом обзоре кратко описан основной принцип работы оптофлюидики. Описываются различные геометрии оптических резонаторов, такие как кольца, сферы и диски, с акцентом на новейшие современные устройства, которые могут быть изготовлены с использованием технологии микротехнологии. Биологические взаимодействия с этими оптико-жидкостными сенсорами также будут описаны, с акцентом на нескольких недавно появившихся интересных сенсорах. Основное внимание в этой статье будет уделяться развитию геометрии оптических резонаторов для эффективного биодатчика, а не методам функционализации поверхностей для методов биодатчика.

Оптические микродатчики

Оптические микродатчики используют свет (генерируемый лазерными диодами или другими источниками света) для обнаружения образцов. Когда конструкция датчика сконструирована так, что она ограничивает свет внутри полости, создавая резонанс, она действует как оптический фильтр, позволяя проходить только определенным оптическим частотам. Резонансные устройства, которые имеют точные геометрические свойства, такие как форма, размер и состав, известны как морфологические резонансы. ³ Резонансное явление идеально подходит для зондирования, поскольку изменения в материале внутри полости также изменяют RI света, а также резонансную оптическую частоту.Изменение резонансной оптической частоты можно наблюдать, отслеживая интенсивность проходящего света. Это свойство делает оптические резонаторы идеальными для биочувствительности, поскольку субмикронные изменения в микрополости, такие как покрытие молекулярных рецепторов внутри полости, вызовут изменение интенсивности проходящего света. Возможны и другие приложения, использующие микрополости, где микрополости, заполненные магниторестрикционными материалами, могут использоваться в качестве магнитометров, а микрополости с вращающейся системой отсчета могут функционировать как гироскопы.

Геометрия резонатора

Существует множество различных геометрических форм оптического резонатора, от очень простых, таких как сферические, дисковые и кольцевые полости, до более сложных, таких как тороидальные, трубчатые и микропузырьковые, каждая со своими преимуществами. Теперь мы исследуем различные геометрии резонаторов, простоту их изготовления и чувствительные качества.

Microsphere

Полости микросфер имеют простейшую геометрию оптического резонатора, а также просты в изготовлении.Высококачественные оптические волокна плавятся с использованием водородной горелки или луча углекислотного лазера для образования сфер микроскопических размеров. ^10,11 Важным классом резонаторов, популярных в оптике, являются резонаторы на моде шепчущей галереи (МШГ). МШГ встречаются на вогнутой поверхности, как показано на рисунке 1А, и могут применяться как в акустике, так и в оптике. Свет, перемещающийся внутри стеклянной сферы, ограничен из-за полного внутреннего отражения, а вогнутая структура допускает повторяющиеся отражения и, пренебрегая поглощением, рассеянием и дисперсией материала, он может продолжать двигаться бесконечно. ¹² Экстремальная чувствительность может быть достигнута, когда этот режим применяется для зондирования, поскольку бесконечно повторяющиеся отражения могут допускать множественные взаимодействия с образцами.

Рис. 1 (A) Режимы оптической шепчущей галереи в сферах. (B) Резонансный сдвиг частоты, наблюдаемый во время связывания. (C) Поляризация биомолекул в мимолетном поле.

В миниатюрном виде микросферы ограничивают свет за счет полного внутреннего отражения, обычно свет в модах, локализованных вдоль его экватора.Резонансы микросфер аналогичны модам фотонного атома, где безмассовые фотоны взаимодействуют друг с другом настолько сильно, что кажется, будто в них есть масса. ^13,14 Захваченный свет имеет резонанс, если на замкнутом круговом оптическом пути умещается целое число длин волн. Свет обычно передается от лазерного источника к микросфере через оптический волновод. Резонанс идентифицируется по резкому спектральному отклику лоренцевой формы, полученному на фотодетекторе. Связывание света в микросферы и из них в свободном пространстве нетривиально, так как этому препятствует его вращательная симметрия. ¹⁵ Для точного выравнивания света на краю полости требуются сложные оптические и механические системы. Более простая установка для получения связи в свободном пространстве была продемонстрирована исследователями в Испании. ¹⁶ В этом методе эффективная схема накачки использовалась для фокусировки лазера в микросфере и возбуждения ионов неодима. Эти ионы имеют флуоресцентное излучение, которое производит WGM.

Сферы, погруженные в жидкость, оказались очень успешными для приложений биочувствительности и, как сообщается, способны обнаруживать ДНК, стрептавадин, фермент тромбин и многие другие. ¹⁴ Для эффективного биологического обнаружения микросферы должны ограничивать свет в режимах, локализованных вдоль его экватора, а также иметь высокие показатели качества (высокие добротности) (рис. 1B). Молекулы, которые связываются на поверхности микросферы, вызывают сдвиг резонансной частоты, поскольку они нарушают оптическое поле и увеличивают длину пути туда и обратно. На границах с полными внутренними отражениями возникают непрозрачные поля или волны, так как акустические волны не могут быть прерывистыми на границе. Как показано на рисунке 1C, исчезающие поля возникают вдоль экваториальной линии микросферы.Затухающее поле экспоненциально затухает без поглощения на расстоянии λ от границы. Если биомолекула связывается в месте, где напряженность исчезающего поля высока, молекула становится поляризованной. Затем можно использовать резонансные частотные сдвиги для количественной оценки событий связывания молекул. Форма сфер также во многом влияет на чувствительность прибора. Интересно отметить, что идеальные сферы вызывают вырождение азимутальных мод, тогда как слегка несовершенные сферы, полученные плавлением концов волокна, создают спектр, богатый азимутальными модами с разными числами m . ¹⁴ Наблюдение поперечных электрических и поперечных магнитных мод в микросфере также может определять ориентацию молекул, связанных на ее поверхности.

Другой интересный метод количественной оценки событий связывания молекул — наблюдение за расщеплением мод в WGMs. Адсорбция частиц в резонаторе вызывает рассеяние стоячих волн с расщеплением мод. ^17,18 Дифференциальное измерение величины разделения мод дает результаты, которые более устойчивы к шуму по сравнению со схемами измерения на основе резонансного сдвига. ¹⁹ Еще одно преимущество использования расщепления мод в качестве механизма восприятия состоит в том, что оно обеспечивает измерения с высоким разрешением, вплоть до размера отдельной частицы, независимо от положения частицы в резонаторе.

Также были предприняты усилия по увеличению чувствительности резонаторов WGM. Пример такой работы объяснил Холлер, ²⁰ в своем исследовании, в котором наночастицы золота были прикреплены к поверхности резонатора для повышения чувствительности датчика.Золотые наночастицы действуют как наноскопические антенны, которые усиливают электрическое поле внутри полости за счет увеличения площади поверхности датчика, тем самым усиливая реакцию резонатора на события связывания. Используя этот метод, исследователи сообщили об обнаружении белков размером до 5 кДа, и этот метод также имеет потенциал для скрининга биомаркеров рака, которые находятся в диапазоне 50–300 кДа. ²⁰ Другой интересный подход к увеличению чувствительности — использование жидких сфер в форме капель в качестве резонаторов МШГ.Капли жидкости создают резкие резонансы МШГ и могут одновременно служить как образцом, так и оптическим резонатором. ²¹ Это позволяет напрямую исследовать химический состав и обнаруживать наночастицы в образцах капель. Используя этот метод, улучшенное зондирование полости осуществляется через внутрирезонаторное поле вместо затухающего хвоста, что типично для твердых микрополостей.

Пример применения этих микросфер был продемонстрирован путем определения кинетики связывания пары стрептавидин-биотин. ²² Специфическое нацеливание стрептавидина было достигнуто за счет иммобилизации половины пары связывания на чувствительной поверхности микросферы. Биоактивность молекулы зонда контролировали во время процесса функционализации, наблюдая за изменением коэффициента качества микросфер. Сила взаимодействия биотин-стрептавидин аппроксимируется соотношением между сдвигом резонансной частоты и константой диссоциации ( k _d ) и константой ассоциации ( k _a ).Константы ассоциации зависят от скорости потока жидкости, что указывает на наличие ограничений массопереноса, препятствующих ассоциации стрептавидина с иммобилизованным биотином. ²²

Успешное обнаружение гибридизации нуклеиновых кислот также было продемонстрировано с помощью стеклянных микросфер с усилением плазмонов с использованием наностержней. ²³ Мониторинг кинетики гибридизации одиночных молекул был достигнут путем значительного увеличения напряженности оптического поля на поверхности микросферы путем размещения наностержней.Эти наностержни с объемами в диапазоне от ^{до 3} нм значительно меньше кремнеземных микросфер, которые имеют радиус ~ 30–50 мкм. Размещение этих наностержней привело к увеличению чувствительности на несколько тысяч, что позволило сенсору обнаруживать кинетику взаимодействия между совпадающими и несовпадающими олигонуклеотидами, а также октамерами. ²³ Использование плазмонных наноструктур (нанооболочек) также позволило обнаружить наночастицы ²⁴ и мельчайшую РНК вируса MS2. ^25,26 В этом методе используются микросферы с наноплазмонными рецепторами, размещенными на экваторе, что обеспечивает увеличение ~ 70 раз. Используя принцип реактивного зондирования, наночастицы, попадая в исчезающее поле, вызывают резонансный сдвиг длины волны. Эти сдвиги длины волны также вызывают пропорциональные изменения масс. Микросферы ранее успешно обнаруживали вирусы гриппа А массой 512 аг. ²⁷ Плазмонные улучшения, однако, могут обнаруживать вирус MS2 с массой 6 ag, поскольку он увеличивает интенсивность адсорбции на участке зондирования.Помимо вирусов, микросферы с плазмонными усилениями также продемонстрировали успешное обнаружение биомаркеров ракового белка (бычий сывороточный альбумин [BSA] и Tg) с чрезвычайно низкими массами 1 и 0,11 агг, соответственно. ²⁰

Микрокольцевые резонаторы

В то время как сферы обладают значительной чувствительностью и функциональностью, надежные методы изготовления для массового производства, а также интеграция с сенсорными матрицами представляют собой небольшую проблему. Двумерные структуры легче изготавливать, используя обычные методы микротехнологии, такие как литография, травление, осаждение, и методы микротехнологии стандартных интегральных схем, таких как дополнительные металлооксидные полупроводники. ²⁸ Кольцевые резонаторы надежно изготовлены в критических условиях связи с минимальными вносимыми потерями, имеют высокую добротность и коэффициент ослабления> 10 дБ. Обычная конструкция для оптических резонаторов — это кольца и диски, которые могут быть изготовлены из кремнезема, кремния ²⁹ , ^30–32 и органических полимеров. ^33,34 Конструкция плоского кольца позволяет ограничивать свет внутри полости, создавая резонанс из-за полного внутреннего отражения. Побочным продуктом полного внутреннего отражения являются исчезающие волны, которые проникают на расстояние λ за пределы диаметра кольца.В плоских кольцевых резонаторах свет направляется в твердую среду, а жидкие образцы текут вблизи чувствительной поверхности. Биологические образцы исследуются с помощью исчезающих волн, где органические молекулы с более высоким RI связаны с поверхностью кольца, в то время как жидкости с более низким RI (например, вода) вытесняются.

На рис. 2А показан кольцевой резонатор, который пропускает инфракрасный свет через решетчатые входные элементы связи. Кольцевые резонаторы толщиной 220 нм изготовлены из кремния на пластинах кремний на изоляторе.Слой термического оксида толщиной 5 нм был выращен поверх структуры кольцевого резонатора для создания двух слоев (Si и SiO ₂ ) с разными показателями преломления. Кремний прозрачен для инфракрасного света и действует как волновод. Из-за разных показателей преломления свет ограничивается волноводом и попадает в кольцевую структуру. Конструкция кольца улавливает определенные длины волн световых волн в резонансе, что позволяет ему выполнять 10 ⁴ –10 ⁸ петель вокруг кольца, прежде чем оно соединится.Взаимодействие с образцом ограничивается не только длиной кольца, но и количеством раз, когда световые волны взаимодействуют с образцом.

Рисунок 2 (A) Принцип работы кольцевого резонатора. (B) Схема твердофазной рекомбиназной полимеразы амплификации ДНК на резонаторе. Примечания: перепечатано из Biosens Bioelectron, 2015; 73: 130–137. Sabaté del Río J, Steylaerts T, Henry OYF и др. Мониторинг твердофазной рекомбиназной полимеразы в реальном времени без использования меток с помощью кольцевого резонатора. 2 © 2015 с разрешения Elsevier, http://www.journals.elsevier.com/biosensors-and-bioelectronics/. Аббревиатура: ИК, инфракрасный.

Мимолетное поле проникает на несколько десятков нанометров по периметру кольца в окружающую среду. ² Обнаружение биологических образцов может быть достигнуто либо путем изменения RI массы раствора (объемное зондирование), либо путем нанесения нескольких слоев на чувствительную поверхность (поверхностное зондирование). ³⁵ В отличие от резонаторов WGM, микрокольца представляют собой одномодовые волноводы, что упрощает создание большого свободного спектрального диапазона с помощью перестраиваемых лазеров. ³⁶ Из-за простоты изготовления и поскольку он основан на более зрелой технологии производства кремния, биологические приложения с использованием кольцевых резонаторов более развиты. Кольцевые резонаторы использовались для обнаружения белков, ⁵ клеток, ⁶ нуклеиновых кислот, ^2,6,7 и вирусов. ⁹

На рис. 2В схематически изображена твердофазная рекомбиназная полимераза (RPA) для амплификации ДНК. ² Устройство определяет изменение RI на резонаторе микрокольца во время RPA. В отличие от полимеразной цепной реакции, RPA представляет собой метод изотермической амплификации ДНК и не требует термоциклирования, чтобы вызвать денатурацию мишени и отжиг с праймерами. Удлинение достигается при постоянной и низкой температуре с помощью ферментов. Резонатор с микрокольцом обнаруживает поверхностное усиление праймеров, которые ковалентно связаны с поверхностью резонатора. Метод RPA позволяет быстро обнаруживать двухцепочечную ДНК без денатурации и гибридизации продуктов амплификации и использует меньше реагентов. ²

Другая интересная установка микрокольцевого резонатора описана в работе Kim et al, ³⁷ , которая исключает использование дорогостоящего и громоздкого лазера с перестраиваемой длиной волны высокого разрешения для измерения резонансных сдвигов длины волны. В системе используются два последовательно соединенных каскадом микрокольца — считывающий и отслеживающий — каждый с отдельной резонансной длиной волны (λ ₁ , λ ₂ ). Перед событием биологического связывания разница в резонансных пиках регистрируется путем измерения его спектра электрической мощности.На рисунке 3A показано, что выходная мощность максимальна, если λ ₁ = λ ₂ . Начальная резонансная разность записывается как λ ₂ — λ ₁ . Как только происходит событие связывания, изменение резонансной длины волны отслеживается, как показано на рисунке 3B, через изменение мощности (Вт):

Рис. 3 Оптическая система с двойным микрокольцом. Примечания: (A) Разница между длинами волн микроколец трассировки и сенсора фиксируется как мощность (W 1 ) до связывания антигена.(B) Связывание антигена происходит в микрокольце сенсора, и разница в длинах волн также регистрируется как мощность (W 2 ). Разница в мощности (W 1 — W 2 ) пропорциональна поверхностной плотности полимерного слоя, покрывающего микрокольцо сенсора.

Подобно концепции дифференциальной электроники, измерения дифференциальным датчиком дают усиленные результаты, что устраняет необходимость в прецизионных лазерах для измерения сдвигов длины волны.Система двойного микрокольца была сначала проверена путем измерения константы диссоциации ( k _d ) для хорошо охарактеризованного взаимодействия биотин-стрептавидин. ³⁷ Полученное значение k _d , измеренное с использованием двойных кольцевых резонаторов, было того же порядка величины, что и при измерении с использованием микровесов с кварцевыми кристаллами и методов твердофазного иммуноферментного анализа.

Обычно микрокольцевые резонаторы требуют, чтобы текучая среда текла в микроканале параллельно поверхности датчика, что также известно как метод перетока.При низких концентрациях аналитов этот метод неэффективен, так как скорость переноса аналитов на поверхность очень мала. Более эффективным подходом является проточный метод, при котором аналит течет перпендикулярно поверхности датчиков. ^35,38 Высокая скорость переноса аналитов по поверхности сенсора значительно увеличивает время отклика сенсора. На рис. 4А показан метод проточного протока через кольцевой резонатор для обнаружения BSA. ³⁵ Устройство может обнаруживать BSA до 20 нМ путем измерения сдвигов резонансных пиков.По сравнению с проточными системами, эта проточная установка показывает гораздо более быстрое время отклика (время, необходимое для увеличения с 10% до 90% от равновесного значения). Как показано на рисунке 4B, проточное устройство требует 4,1 минуты по сравнению с 14,8 минутами, необходимыми при использовании проточного устройства. Измерения проводились при скорости потока 6 мкл / мин.

Рисунок 4 (A) Схема проточного микрокольца. (B) Сравнение времени отклика с использованием проточного и проточного конструкций.

Трубчатые оптические кольцевые резонаторы и оптические кольцевые резонаторы с жидким сердечником

Трубчатые оптические резонаторы, также известные как оптико-жидкостные кольцевые резонаторы (OFRR), представляют собой свернутые стеклянные микротрубки, которые в сочетании с микрофлюидикой используются для биодатчиков. Когда свет циркулирует в трубке, он образует исчезающее поле, которое может взаимодействовать с образцами в пределах нескольких нанометров внутри и снаружи трубки. Его чувствительный механизм основан на изменении RI затухающих волн у поверхности стенки трубы.Когда жидкости с различными RI протекают в трубку, местоположения пиков резонансных мод перемещаются, чтобы поддерживать резонанс. ³⁹ Трубчатая геометрия позволяет компактно комбинировать жидкости с чувствительностью к оптическому резонансу. На рис. 5А (вставка) показана свернутая стеклянная микропробирка, которую готовят отдельно. Затем микропробирка переносится и фиксируется в гнездах SU-8, которые помещаются на кремниевый чип (рис. 5B и C). Изготовление такого устройства очень сложно и требует отдельного изготовления микропробирок, фиксации и переноса пробирок на микрочипе и, наконец, герметизации всей структуры полидиметилсилоксаном для образования микрофлюидной системы. ³⁹ Датчик успешно обнаруживает изменения в RI деионизированной воды и фосфатно-солевого буфера (PBS), но он не был протестирован для конкретного биологического применения.

Рисунок 5 (A) Обзор всего чипа с тремя свернутыми микропробирками. (B) Микропробирка в гнездах SU-8. (C) Оптическая микропробирка с колпачками для защиты от ультрафиолетового излучения. Печатается с разрешения. 39 Примечание: Воспроизведено из Harazim SM, Bolaños Quiñones VA, Kiravittaya S, Sanchez S, Schmidt OG.Лаборатория в трубке: интеграция на кристалле стеклянных оптико-жидкостных кольцевых резонаторов для приложений измерения без этикеток. Лабораторный чип . 2012; 12 (15): 2649, 39 с разрешения Королевского химического общества. Доступно по адресу http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2012/LC/C2LC40275K#!divAbstract. Сокращение: CL, звено сцепное.

Оптические кольцевые резонаторы с жидким сердечником получают свою структуру из трубчатых резонаторов, которые соединены в кольцо. ¹⁴ Свет, попавший в кольцо, образует WGM из-за внутреннего отражения света внутри кольца. ²⁹ В отличие от трубчатых конструкций, жидкости не текут внутри трубы, а текут внутри кольца. Обнаружение становится возможным благодаря отслеживанию изменения RI затухающего поля, которое чувствительно к текучей среде, протекающей в ядре, ²⁹ , как показано на рисунке 6. Структуры оптических кольцевых резонаторов с жидким сердечником, вероятно, являются наиболее успешной структурой в биочувствительность по сравнению с другими структурами, продемонстрировав их применение в обнаружении биомаркера рака молочной железы, ⁴⁰ ДНК, ⁴¹ матричная РНК (мРНК), ⁴² интерлейкинов, ⁴³ C-реактивных белков, ⁴⁴ опухоль некроз, ⁴⁵ и антитела. ⁴⁶

Рисунок 6 (A) Концептуальная схема кольцевых резонаторов с жидким сердечником (LCORR). (B) Поперечное сечение биосенсора LCORR. Сокращение: WGM, режим шепчущей галереи.

Примером такого применения является использование оптико-жидкостных резонаторов для обнаружения рецептора 2 эпидермального фактора роста человека (HER2), биомаркера рака груди. ⁴⁷ Обнаружение и мониторинг HER2 важны, поскольку он связан с очень агрессивными типами опухолей рака груди и связан с высокой вероятностью рецидива рака.HER2 можно тестировать в образцах крови пациентов, устраняя необходимость в инвазивных образцах тканей. Методы обнаружения с помощью кольцевого резонатора превосходят существующие устройства обнаружения без этикеток, поскольку они имеют пределы обнаружения массы субпикограмм / миллиметр ² . ⁴⁷ Быстрая безметочная детекция внеклеточного домена HER2 в сыворотке крови человека была успешно проведена с использованием OFRR путем мониторинга изменения эффективного RI. Поверхность OFRR сначала грунтуется промывкой плавиковой кислотой и этанолом в низких концентрациях.После обжига диметилпимелимидатные сшивающие агенты в PBS пропускают через OFRR. Этот шаг необходим для связывания протеина G с аминосиланами. Рекомбинантный белок G помогает ориентировать антитела HER2 в оптимальные позиции для захвата биомаркеров рака груди. Чтобы уменьшить неспецифическое поглощение на активированной поверхности, на чувствительную поверхность пропускают текущий буфер блокатора казеина. Концентрации всего 20 нг / мл белка ECD HER2 были обнаружены путем построения спектральных сдвигов WGM на сенсограмме в течение 30 минут.

Еще одна демонстрация успешной реализации иммуноанализов с использованием кремниевых микрокольцевых резонаторов была для определения концентрации простатического специфического антигена, α-фетапротеина, карциноэмбрионального антигена и интерлейкина-8. ⁴³ Эта демонстрация была мощной в том смысле, что она показала, что мультиплексный анализ может быть выполнен с использованием отдельных оптических микрополостей в микрофлюидных каналах без потери чувствительности или точности измерения. Платформа восприятия сложна и состоит из чипа матрицы датчиков, оптоволоконного делителя, оптики формирования изображений, светоделителя и сканирующих зеркал. ³⁶ Использование микрочипа матрицы датчиков выгодно по сравнению с предыдущим методом использования микросфер, ⁴⁸ , поскольку 32 микрокольца могут быть встроены вместе с маршрутизацией сигнала на одном кремниевом кристалле, что упрощает требования к мультиплексной обработке сигналов и позволяет выполнять параллельную обработку. .

Мультиплексный массив микрокольцов действительно кажется перспективным для обнаружения болезней с использованием оптических резонаторов. Этот метод чрезвычайно подходит в клинических условиях, где размеры образцов ограничены, затраты на анализы должны быть низкими и требуются быстрые результаты.Помимо обнаружения иммуноанализа, мультиплексные оптофлюидные кольца также использовались для обнаружения микроРНК (миРНК). miRNA являются ценным биомаркером ряда заболеваний, включая рак, нейродегенеративные расстройства ⁴⁹ , ⁵⁰ и диабет. ⁵¹ В недавней работе множественные разные miRNAs были одновременно обнаружены с использованием модульного массива мультиплексированных кремниевых фотонных микрокольцевых резонаторов. ⁴² Пределы обнаружения были очень хорошими; и ~ 150 фмоль miRNA было обнаружено с использованием зондов захвата одноцепочечной ДНК.Этот метод также позволил дифференцировать однонуклеотидные полиморфизмы из семейства миРНК let-7.

Заключение и будущие тенденции

Оптические датчики были предпочтительным методом биосенсирования на протяжении десятилетий из-за их быстрого анализа, высокой чувствительности, низкого взаимодействия с образцами, высокой специфичности и способности обнаруживать несколько аналитов одновременно. ² Последние достижения в области микропроизводства, микрофлюидики и фотоники способствовали быстрому развитию оптофлюидных устройств.В этой работе были рассмотрены несколько современных оптических резонаторов, используемых для биодатчика, с акцентом на современные конструкции и конструкции резонаторов для эффективного зондирования. Сообщается, что микросферы успешно обнаруживают адсорбцию белка, тромбин и вирусы. Дальнейшая работа будет направлена ​​на дальнейшее повышение чувствительности датчика. Предел обнаружения для датчиков в целом определяется активной чувствительной поверхностью. Для микросфер это ограничивает зону чувствительности экваториальной линией сферы.Один из способов увеличения площади поверхности — окружить сферу наночастицами золота так, чтобы она действовала как наноскопические антенны. ²⁰ Увеличение площади поверхности сферы также усиливает выходные сигналы. Прогресс в понимании химии поверхности или методов функционализации и, таким образом, повышения точности микросферных биосенсоров за счет увеличения количества доступных сайтов связывания также может быть другим методом повышения чувствительности. ¹⁴

Несмотря на надежность, массовое промышленное производство микросфер по-прежнему является очень сложной задачей.Альтернативный вариант — использование плоских микрокольцов. Из-за их совместимости с технологиями производства на основе кремния было проделано много работы с использованием биосенсоров на основе плоских микрокольцов. Оптические датчики микрокольца успешно обнаруживают мРНК, специфический антиген простаты и интерлейкин. ¹⁴ Простота изготовления датчика микрокольца позволяет разработчикам экспериментировать с различными конфигурациями микрокольцов, например размещать их в массивах ² и дифференциальных конфигурациях, ³⁷ для обеспечения лучшего выходного сигнала.Использование матричных микрокольцов на одном кристалле открывает путь для будущих приложений, включающих мультиплексный анализ клинически значимых образцов. ⁴³ Сложные сенсорные платформы, состоящие из сенсорного чипа, лазеров, коллиматоров и оптики формирования изображений, были успешно реализованы и способны выполнять четырехкратный анализ с использованием 20 независимых датчиков. Этот метод оказался успешным при одновременном обнаружении пяти клинически значимых белковых биомаркеров (карциноэмбриональный антиген, простатоспецифический антиген, α-фетопротеин, интерлейкин-8 и фактор некроза опухоли α) одновременно. ⁴³ В конечном итоге микрокольца на основе кремния позволяют интегрировать их в интегральные схемы. Хотя это еще не продемонстрировано, можно предсказать, что в будущем могут быть разработаны сложные схемы для снижения шума и устранения необходимости в дорогостоящих лазерах с высокой разрешающей способностью с перестраиваемой длиной волны для измерения резонансных сдвигов длины волны.

Эффективное зондирование также требует эффективных механизмов доставки и транспортировки образцов. Ключевой проблемой, с которой сталкиваются биосенсоры на основе микроканалов, является их медленное время отклика.Обычно в кольцевых резонаторах используются методы перетока, которые требуют, чтобы аналит прошел через весь контур, прежде чем отклик можно будет измерить. Различные конструкции жидкостных камер, например, с проточной техникой, значительно улучшили время отклика датчика. ³⁵ Оптические резонаторы также супергидрофобны, что затрудняет концентрацию биологических молекул и их прилипание к чувствительной поверхности. Один из вариантов решения этой проблемы — использование цифровой микрофлюидики, которая может электрически приводить в действие капли через электроды и заставлять поток жидкости. ⁵² Другой метод борьбы с супергидрофобностью — внедрение плазмонных наноструктур для улучшения поверхностной адгезии и осаждения раствора на поверхности после испарения. ⁵³ Точные манипуляции и контроль биомолекул также могут быть достигнуты с помощью встроенных оптических ловушек. Эти ловушки сформированы с использованием встроенных микронагревателей, размещенных в пучностях затухающего поля стоячей волны в нанофотонном волноводе, и продемонстрировали успешное манипулирование молекулами ДНК. ⁵⁴ Недавние успехи в разработке оптико-жидкостных устройств продемонстрировали успех экспериментальных экспериментов, проведенных в лаборатории. Прежде чем такие устройства могут быть применимы для клинической диагностики, требуется стабильный и надежный метод изготовления для массового производства этих устройств и клинических испытаний.

Раскрытие информации

Автор сообщает об отсутствии конфликта интересов в этой работе.

---

Каталожные номера

1.	Hunt HK, Armani AM. Биологические и химические сенсоры без этикеток. Наноразмер . 2010; 2 (9): 1544.
2.	Sabaté del Río J, Steylaerts T, Henry OYF и др. Мониторинг твердофазной рекомбиназной полимеразы в режиме реального времени без использования меток с помощью кольцевого резонатора. Биосенс ​​Биоэлектрон . 2015; 73: 130–137.
3.	Foreman MR, Swaim JD, Vollmer F.Датчики режима шепчущей галереи. Adv Опт Фотоникс . 2015; 7 (2): 168.
4.	Гидравлическое зрение. Нат Фотоникс . 2011; 5 (10): 567.
5.	Park MK, Kee JS, Quah JY, et al. Безмаркировочный аптамерный сенсор на основе кремниевых микрокольцевых резонаторов. Приводы Sens B Chem . 2013; 176: 552–559.
6.	Gohring JT, Fan X.Обнаружение CD4 + и CD8 + Т-клеток без метки с помощью оптико-жидкостного кольцевого резонатора. Датчики . 2010. 10 (6): 5798–5808.
7.	Scheler O, Kindt JT, Qavi AJ, et al. Мультиплексное обнаружение бактериальной тмРНК без этикеток с использованием кремниевых фотонных микрокольцевых резонаторов. Биосенс ​​Биоэлектрон . 2012. 36 (1): 56–61.
8.	Кирк Дж. Т., Фридли Г. Е., Чемберлен Дж. В., Кристенсен Э.Д., Хохберг М., Ратнер Д.М.Мультиплексная струйная функционализация кремниевых фотонных биосенсоров. Лабораторный чип . 2011; 11 (7): 1372.
9.	Zhu H, White IM, Suter JD, Fan X. Обнаружение биомолекул без меток на основе фагов в оптико-жидкостном кольцевом резонаторе. Биосенс ​​Биоэлектрон . 2008. 24 (3): 461–466.
10.	Collot L, Lefèvre-Seguin V, Brune M, Raimond JM, Haroche S. Очень высокий — Q резонансы в моде шепчущей галереи, наблюдаемые на микросферах из плавленого кварца. Europhys Lett EPL . 1993. 23 (5): 327–334.
11.	Вентилятор X, белый IM. Оптофлюидные микросистемы для химического и биологического анализа. Нат Фотоникс . 2011; 5 (10): 591–597.
12.	Распорка JW. Проблема шепчущей галереи. Философский журнал . 1910; 20: 1001–1004.
13.	Арнольд С.Микросферы, фотонные атомы и физика ничего свет могут оказаться в ловушке крошечных прозрачных сфер. Полученные в результате удивительные свойства могут превратить «фотонику микросфер» в важную новую технологию. Am Sci . 2001. 89 (5): 414–421.
14.	Воллмер Ф., Янг Л. Обзор детекции без этикеток с помощью высокодобротных микрополостей: обзор механизмов биосенсора для интегрированных устройств. Нанофотоника . 2012. 1 (3–4): 267–291.
15.	Zhu J, Özdemir ŞK, Yilmaz H, et al. Сопряжение микрорезонаторов шепчущей галереи и света в свободном пространстве с рэлеевским рассеянием, усиленным резонатором. Научный сотрудник . 2014; 4: 6396.
16.	Мартин Л.Л., Аро-Гонсалес П., Мартин И.Р. и др. Режимы шепчущей галереи в стеклянных микросферах: оптимизация накачки в модифицированном конфокальном микроскопе. Опт. Письмо .2011; 36 (5): 615.
17.	Mazzei A, Götzinger S, Menezes Lde S, Zumofen G, Benson O, Sandoghdar V. Управляемое соединение встречных мод шепчущей галереи одним рэлеевским рассеивателем: классическая задача квантовый оптический свет. Phys Rev Lett . 2007; 99 (17): 173603.
18.	Городецкий М.Л., Прямиков А.Д., Ильченко В.С. Рэлеевское рассеяние в высокодобротных микросферах. J Opt Soc Am B . 2000; 17 (6): 1051.
19.	Zhu J, Ozdemir SK, Xiao Y-F, et al. Встроенное обнаружение одиночных наночастиц и определение их размера путем разделения мод в сверхвысокодобротном микрорезонаторе. Нат Фотоникс . 2010. 4 (1): 46–49.
20.	Холлер С. Обнаружение безмаркированного белка-маркера рака с использованием гибридного наноплазмонно-фотонного биосенсора в режиме шепчущей галереи. Приложение SPIE Sens Technol . 2014; 7.
21.	Avino S, Krause A, Zullo R, et al. Прямое зондирование в жидкостях с использованием капельных резонаторов в режиме шепчущей галереи. Adv Opt Mater . 2014. 2 (12): 1155–1159.
22.	Soteropulos CE, Hunt HK, Armani AM. Определение кинетики связывания с использованием микрополостей в режиме шепчущей галереи. Appl Phys Lett .2011; 99 (10): 103703.
23.	Baaske MD, Foreman MR, Vollmer F. Мониторинг взаимодействия одномолекулярных нуклеиновых кислот на платформе микрополостного биосенсора без метки. Нат Нанотехнологии . 2014; 9 (11): 933–939.
24.	Шопова С.И., Раймангал Р., Холлер С., Арнольд С. Плазмонное усиление биосенсора в режиме шепчущей галереи для обнаружения одиночных наночастиц. Appl Phys Lett .2011; 98 (24): 243104.
25.	Дантам В.Р., Холлер С., Кольченко В., Ван З., Арнольд С. Выявление и определение размеров отдельных вирусов в режиме шепчущей галереи до предела. Appl Phys Lett . 2012; 101 (4): 043704.
26.	Кузманович Д.А., Элашвили И., Вик С., О’Коннелл С., Крюгер С. Бактериофаг MS2: молекулярная масса и пространственное распределение компонентов белка и РНК с помощью малоуглового рассеяния нейтронов и подсчет вирусов. Структура . 2003. 11 (11): 1339–1348.
27.	Воллмер Ф., Арнольд С., Кенг Д. Обнаружение одиночных вирусов на основе реактивного сдвига режима шепчущей галереи. Proc Natl Acad Sci U S A . 2008; 105 (52): 20701–20704.
28.	Spearing SM. Проблемы материалов в микроэлектромеханических системах (МЭМС). Acta Mater . 2000. 48 (1): 179–196.
29.	Белый IM, Oveys H, Fan X. Жидкостные оптические датчики с кольцевым резонатором. Опт. Письмо . 2006; 31 (9): 1319.
30.	Богертс В., Де Хейн П., Ван Вэренберг Т. и др. Кремниевые микрокольцевые резонаторы. Laser Photonics Ред. . 2012; 6 (1): 47–73.
31.	Rodriguez GA, Hu S, Weiss SM. Кольцевой резонатор из пористого кремния для компактных высокочувствительных биодатчиков. Опт Экспресс . 2015; 23 (6): 7111.
32.	Iqbal M, Burlingame R, Romero R, Wang A, Grove T., Gleeson M. Кремниевые фотонные микрокольцевые резонаторы для скрининга лекарств и кинетического анализа. В: Фанг Й, редактор. Методы биосенсора без этикеток в открытии лекарств . Методы фармакологии и токсикологии. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Спрингер; 2015: 133–153.
33.	Роуленд К.Дж., Франсуа А., Хоффманн П., Монро TM.Капилляры с флуоресцентным полимерным покрытием в качестве оптофлюидных рефрактометрических датчиков. Опт Экспресс . 2013; 21 (9): 11492.
34.	Wang L, Ren J, Han X и др. Оптический биосенсор без этикеток, созданный на недорогой полимерной платформе. IEEE Photonics J . 2012. 4 (3): 920–930.
35.	Гримальди И.А., Теста Г., Бернини Р. Платформа измерения потока через кольцевой резонатор. RSC Adv .2015; 5 (86): 70156–70162.
36.	Икбал М., Глисон М.А., Спо Б. и др. Матрицы биосенсоров без меток на основе кремниевых кольцевых резонаторов и высокоскоростной оптической сканирующей аппаратуры. IEEE J Sel Top Quantum Electron . 2010. 16 (3): 654–661.
37.	Kim KW, Song J, Kee JS, Liu Q, Lo G-Q, Park MK. Биосенсор без этикеток на основе кремниевого микрокольцевого резонатора с электрическим отслеживанием и недорогим широкополосным источником. Биосенс ​​Биоэлектрон . 2013; 46: 15–21.
38.	Huang M, Galarreta BC, Cetin AE, Altug H. Активная транспортировка вирусоподобных аналитов с оптофлюидическими веществами для быстрого и сверхчувствительного биодетектирования. Лабораторный чип . 2013; 13 (24): 4841.
39.	Harazim SM, Bolaños Quiñones VA, Kiravittaya S, Sanchez S, Schmidt OG. Лаборатория в трубке: интеграция на кристалле стеклянных оптико-жидкостных кольцевых резонаторов для приложений измерения без этикеток. Лабораторный чип . 2012; 12 (15): 2649.
40.	Хунъин Чжу PSD. Быстрое обнаружение биомаркера рака молочной железы CA15-3 без этикеток в клинических образцах сыворотки крови человека с помощью оптико-жидкостных датчиков с кольцевым резонатором. Анальный Химик . 2009. 81 (24): 9858–9865.
41.	Кави А.Дж., Киндт Дж.Т., Глисон М.А., Бейли Р.К. Анти-ДНК: антитела к РНК и кремниевые фотонные микрокольцевые резонаторы: повышенная чувствительность для обнаружения мультиплексных микроРНК. Анальный Химик . 2011. 83 (15): 5949–5956.
42.	Кави А.Дж., Бейли Р.К. Мультиплексное обнаружение и количественный анализ микрогранул без меток с использованием массивов кремниевых фотонных микрокольцевых резонаторов. Angew Chem Int Ed . 2010. 49 (27): 4608–4611.
43.	Вашберн А.Л., Лучанский М.С., Боуман А.Л., Бейли Р.С. Количественное обнаружение пяти белковых биомаркеров без меток с использованием мультиплексированных массивов кремниевых фотонных микрокольцевых резонаторов. Анальный Химик . 2010. 82 (1): 69–72.
44.	Лучанский М.С., Уошберн А.Л., Макклеллан М.С., Бейли Р.С. Чувствительное встроенное в чип детектирование белкового биомаркера в сыворотке и плазме человека в расширенном динамическом диапазоне с использованием кремниевых фотонных микрокольцевых резонаторов и субмикронных шариков. Лабораторный чип . 2011; 11 (12): 2042–2044.
45.	Лучанский М.С., Бейли ЖК. Быстрое многопараметрическое профилирование клеточной секреции с использованием массивов кремниевых фотонных микрокольцевых резонаторов. Дж. Ам Хем Соц . 2011. 133 (50): 20500–20506.
46.	De Vos K, Girones J, Claes T, et al. Мультиплексное обнаружение антител с помощью массива микрокольцевых резонаторов кремний-на-изоляторе. IEEE Photonics J . 2009. 1 (4): 225–235.
47.	Gohring JT, Dale PS, Fan X. Обнаружение биомаркера рака молочной железы HER2 с помощью оптико-жидкостного биосенсора с кольцевым резонатором. Приводы Sens B Chem .2010. 146 (1): 226–230.
48.	Воллмер Ф., Арнольд С., Браун Д., Тераока И., Либхабер А. Количественная оценка мультиплексированной ДНК с помощью спектроскопического сдвига двух полостей микросфер. Biophys J . 2003. 85 (3): 1974–1979.
49.	Bartels CL, Tsongalis GJ. МикроРНК: новые биомаркеры рака человека. Clin Chem . 2009. 55 (4): 623–631.
50.	Hébert SS, Strooper BD. миРНК в нейродегенерации. Наука . 2007. 317 (5842): 1179–1180.
51.	Уокер MD. Роль MicroRNA в β-клетках поджелудочной железы: больше значит меньше. Диабет . 2008. 57 (10): 2567–2568.
52.	Луан Л., Роял М.В., Эванс Р., Ярмарка, РБ, Джокерст, Нью-Мексико. Микрорезонаторные оптические датчики в масштабе микросхемы интегрированы со встроенными тонкопленочными фотодетекторами на платформах электросмачивания цифровой микрофлюидики. IEEE Sens J . 2012. 12 (6): 1794–1800.
53.	Де Ангелис Ф., Джентиле Ф., Мекарини Ф. и др. Преодоление диффузионного предела с помощью супергидрофобной доставки молекул к плазмонным нанофокусирующим структурам SERS. Нат Фотоникс . 2011. 5 (11): 682–687.
54.	Солтани М., Лин Дж., Фортис Р.А. и др. Нанофотонный захват для точного манипулирования биомолекулярными массивами. Нат Нанотехнологии . 2014. 9 (6): 448–452.

Spectral Sound: взгляд на новые спектральные устройства Live 11

Spectral Resonator и Spectral Time — два устройства, представленные в Ableton Live 11. Оба разбивают звук на части и обрабатывают его способами, варьирующимися от мелодичного, сочного, жуткий и футуристический, до заикания, диссонанса, сбои и металла. Хотя звуки, воспроизводимые каждым устройством, отличаются друг от друга, эти два устройства связаны общей землей, основанной на быстром преобразовании Фурье (БПФ).

Преобразование Фурье существует уже давно, но Ableton впервые включает эту технологию в Live. Наталья Чайлдресс поговорила с владельцем продукта и некоторыми прошлыми и нынешними разработчиками, чтобы познакомить вас с историей и вдохновением этих устройств, а также поделиться советами и рекомендациями о том, как наилучшим образом использовать их в ваших собственных музыкальных начинаниях.

Разбивка сигнала

Преобразование Фурье — это математический алгоритм, применяемый в инженерии, обработке изображений, оптике и многом другом.В музыкальном контексте он используется при обработке сигналов для разделения сигналов на их различные части или частоты. Он назван в честь французского математика Жозефа Фурье, который в 1822 году заложил основу для того, что позже стало известно как ряд Фурье.

Новые устройства Spectral в Live 11 основаны на быстром преобразовании Фурье (БПФ), которое стало популярным для использования в аудио в девяностые годы, когда цифровая обработка стала более мощной. БПФ часто используется как синонимы по названию с дискретным преобразованием Фурье (ДПФ), потому что по сути это одно и то же.Разница в том, что БПФ использует вычисления достаточно быстро, чтобы их можно было использовать в реальном времени.

«Проблема с преобразованием Фурье и связанной с ним технологией в том, что долгое время это был автономный процесс», — говорит владелец продукта Кристиан Кляйне. «Вы не могли использовать его в реальном времени. Вместо этого вам нужно было отправить сигнал, обработать его, подождать и отобразить на диск или что-то подобное. Обработка в реальном времени стала возможной только благодаря возросшей вычислительной мощности ».

Звуковой эффект Spectral Resonator Live 11 на вокале

Когда Spectral устройство используется в Live 11, оно выполняет БПФ для подаваемого звука, преобразует его в спектральную информацию, настраивает эту информацию в виде эффектов и преобразует ее вернуться к звуку с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT).

«Звук состоит из синусоидальных волн, каждая из которых имеет определенную амплитуду, частоту и фазу», — говорит Кристиан. «Эти три компонента позволяют создавать практически любой звук. Таким образом, вы можете взять звук и разделить его на отдельные синусоидальные волны, но, наоборот, вы можете собрать их вместе и в процессе существенно повлиять на форму звука ».

Для более глубокого изучения математики, лежащей в основе этой технологии, особенно если вы в большей степени наглядный ученик, этот веб-сайт Джека Шедлера, который входит в группу обучения Ableton, является хорошим местом для начала.

Из лаборатории в ваш дом

«Когда это вышло, это было в основном академическое открытие, как и многие из этих вещей», — говорит Кристиан, указывая на то, что использование преобразования Фурье изначально было ограничено людьми, имеющими доступ к университетам. лаборатории. Однако, когда домашние компьютеры стали более доступными и обычными, люди могли делать это с меньшими препятствиями.

Тем не менее, этот вид технологий остался укоренившимся в академическом мире, за одним исключением: он понравился многим музыкантам-авангардистам и модернистам.Например, INA GRM, находящийся во Франции аудиовизуальный институт и музыкальная исследовательская группа, ассоциируется с современными композиторами-авангардистами, многие из которых начали использовать преобразование Фурье в своей музыке.

Для Ableton не было внешнего давления или особого стремления к созданию устройств Spectral, кроме желания добавить новое измерение звука в Live. Кристиан сравнивает устройства со специями или ингредиентами, которые создают новый профиль вкуса.

«Если Ableton — это кухня, а устройства — это разные способы приготовления пищи, то с устройствами Spectral теперь у вас есть совершенно новый вкус», — говорит он.

Далее он поясняет: «Технология сама по себе не такая уж новая, но для нас это новый тип устройства, которое выполняет разные функции. В этой технологии все сложно, но результаты могут быть очень интересными. И это одна из основных причин, по которой мы решили создать эти устройства: потому что они позволяют легко достигать того, чего иначе невозможно достичь ».

Роберт Табб, разработчик, который помогал создавать эти устройства, соглашается. «Многие из этих спектральных устройств используются в академических контекстах или в экспериментальном мире, и все, что там есть, кажется подробным и сложным в использовании.Мы хотели вдохновиться этими экспериментальными устройствами, но сделать их более доступными и более быстрыми. Иногда вы получаете эти огромные наборы спектральных плагинов, и вам приходится тратить дни, пытаясь найти что-то хорошее среди всего такого, что нужно. И мы решили найти в этих вещах «сладкие места» ».

Спектральные эффекты в популярной музыке

Одним из наиболее известных примеров песен, основанных на обработке БПФ, является «ΔMi − 1 = −αΣn = 1NDi [n] [Σj∈C [i] Fji [n]» Aphex Twin. — 1] + Fexti [[n − 1]].После его выпуска некоторые любопытные слушатели прогнали трек через спектрограмму, чтобы обнаружить видение лица артиста в конце.

Другим примером является «Взгляд» Venetian Snares, который включает в себя спектрально закодированные изображения кошек.

Хотя эти эффекты использовались в популярной музыке, приведенные выше примеры немного отличаются от новых устройств. В частности, как сказал бывший разработчик Ableton Sound Team Ян Хобсон: «Они делают снимки, конвертируют данные изображения непосредственно в спектральную информацию, а затем используют IFFT для преобразования их в аудио — они визуально показывают, что странные и интересные вещи могут происходить в спектральная область.

Есть много работ, которые используют спектральные эффекты, не полагаясь на изображения в академической и авангардной сферах, как упоминал ранее Кристиан.

Одним из таких примеров является «Wind Chimes» Дениса Смолли, электроакустического композитора из Новой Зеландии, который описывает свой музыкальный подход и стиль как спектроморфологический. Для более глубокого погружения в музыкальную структуру в спектральном пространстве его главу «Спектроморфология и процессы структурирования» можно найти в книге The Language of Electroacoustic Music .

Еще одна песня, в которой используются эти техники, — «Puzzle Wood» британского композитора, саунд-художника и исследователя Наташи Барретт.

Однако, если вы не знаете, что слушаете, определить конкретные спектральные звуки в песне не так-то просто. «Они немного похожи на спецэффекты в фильмах, — говорит Хобсон, — в том, что они часто наиболее эффективны, когда вы их не замечаете».

Кроме описанных выше случаев, «эта технология широко используется для восстановления звука: для уменьшения щелчков или удаления вокала», — добавляет Кристиан.«Его довольно часто используют для улучшения звука или для удаления определенных артефактов из звука, но не только для творческого неправильного использования, что является нашим намерением».

Сделать невозможное возможным

Таким образом, эта технология может быть применена игровым, практичным способом или сделать невозможное возможным. Но что на самом деле делают новые устройства?

В то время как Spectral Resonator изменяет сигналы и добавляет цвет и текстуру к звукам, Spectral Time замораживает и задерживает звук.

Spectral Resonator — не путать с уже существующим эффектом Resonator в Live — особенно хорош для добавления гармоник к звуку или их устранения.Одним из его преимуществ является функция боковой цепи MIDI, которая позволяет играть ударные партии как мелодические инструменты.

«Это довольно новинка», — говорит Роберт, сравнивая его с более гибкой версией вокодера, о котором вы можете прочитать, если вас интересует история спектральной обработки аудиосигналов. «Есть вещи, которые делают похожие вещи — например, плагины, использующие модальный синтез, который имеет множество резонаторов, частоту которых вы можете устанавливать, — но я не думаю, что кто-то делал это в спектральной области.”

Эффект, применяемый полифонически, звучит полным и почти металлическим

Эффект, применяемый к пэдам, придает звуку мерцающий, сияющий вид

Название Spectral Time является намеком на тот факт, что все эффекты, которые он может достичь, являются как-то связано с замораживанием или задержкой звука. Кристиан сравнивает это с просмотром фильма. «Когда вы останавливаете фильм, он останавливает кадр. С музыкой вы ее останавливаете, и звук исчезает. Но с помощью этой технологии вы можете остановить звук, но он продолжает оставаться в этом «замороженном» состоянии.”

Например, при использовании ножной педали вы можете поддерживать мелодические партии во время живого исполнения. Свойства замораживания и задержки можно использовать по отдельности или в комбинации, как в звуковых клипах ниже.

Простая гитарная мелодия

Добавление задержки придает мелодии глючный, мерцающий, размытый эффект

Звук сохраняется при использовании эффекта стоп-кадра

Дилей и стоп-кадр объединяются для создания многофонного, резонирующего качества звука. звук

Спектральная сонограмма

К устройствам прилагается сонограмма, которая показывает алгоритм в его визуальной форме.

«Если вы умеете читать, вы можете узнать больше об эффектах, просто взглянув на сухой и влажный сигналы и на то, что с ними происходит», — говорит Кристиан, отмечая, что они разных цветов. «Если вы отправляете синусоидальную волну или белый шум и настраиваете эффекты, вы можете увидеть, что там есть и как обрабатывается сигнал. И из-за этого сложного спектрального лечения вы также можете увидеть это сложное лечение на сонограмме ».

Отправка синусоидальной волны через Spectral Resonator для более детального просмотра визуализаций сонограммы

Но в то же время он предостерегает от чрезмерной зависимости от нее.Хотя это может быть познавательным, его можно убрать, если он слишком отвлекает.

Практическое применение

Когда его спрашивают, как лучше всего использовать эти устройства, Кристиан делает паузу. «В настоящее время все строго предписывает, но здесь это не совсем так», — говорит он. «С этими устройствами можно делать много всего, но вам нужно найти свое собственное применение».

Тем не менее, у него есть несколько рекомендаций.

«У них потрясающие голоса и то, как голос может измениться с точки зрения характера.Если вы хотите удивить своих друзей чужим голосом, используйте эти устройства », — говорит он. Поскольку человеческий голос очень сложен, интересно посмотреть, как устройства справляются со сложностями и каков конечный результат.

«С помощью Spectral Resonator вы можете создавать эффекты типа вокодера или просто использовать их в качестве фона», — говорит Роберт. «Например, вы можете использовать в основном свой собственный вокал, но иметь более глубокий резонанс, чтобы создать что-то вроде гудения под вещами».

Еще один инструмент, который рекомендует Кристиан — классическое фортепиано.Поскольку наши уши уже знакомы с тем, как звучат голоса и фортепиано, контраст намного резче, что позволяет легче различить исходный звук и звук, обработанный с помощью устройств Spectral.

«Проблема электронной музыки в том, что зачастую отсутствует контекст», — говорит он. «Итак, у вас есть странный звук, а затем вы добавляете его во что-то еще, что тоже странно. А потом получается странный звук из странного звука ».

Но с обычными звуками вы начинаете с чего-то знакомого и ясно слышите, как это может быть совершенно другим.

Роберт также предлагает поиграть со Spectral Resonator на гитаре, чтобы создать что-то с дроунским, эмбиентным, медленно развивающимся краем. «С чистой линией электрогитары и множеством нот, настроенных в Spectral Resonator, это немного похоже на ситар: когда вы нажимаете одну ноту, все остальные ноты возбуждены и гудят на заднем плане».

Кроме того, он отмечает, что вы можете настроить чувствительность нот, благодаря чему мягкие ноты не вызывают замораживания в Spectral Time, в то время как твердые ноты делают.

Вы ​​даже можете дублировать устройства, проигрывая несколько версий каждого из них или используя оба эффекта вместе, но он предостерегает от переборов.

«Вы можете сделать что-нибудь хорошее, используя два спектральных резонатора, где у вас есть один набор частот в первом резонаторе и другой набор частот во втором, и первый будет возбуждать только второй, где они совпадают — потому что на входе должна присутствовать частота, чтобы что-то происходило на выходе », — объясняет Роберт.«Но если вы начнете складывать их в стопку, это довольно быстро станет довольно абстрактным».

Гордо цифровые

Описывая сущность устройств, Кристиан говорит, что их можно описать одним словом: цифровые. «За последние несколько лет, — говорит он, — был толчок в сторону аналогового, аналогового, аналогового — все должно быть аналоговым. И это здорово, потому что я люблю аналог. Все делают. Он теплый, пушистый, какой-то причудливый. Аналог это круто. Но цифровое тоже круто. И эти устройства действительно цифровые.Они настолько цифровые, насколько это возможно «.

Он отмечает, что устройства Spectral — долгожданное новое дополнение для пользователей, которые хотят улучшить свою музыку с помощью новых инструментов и контекстов.

«Мы создаем устройства, которые расширяют возможности использования Ableton Live и воспроизведения звука. Если вы хотите найти свой родной язык в музыке, вам нужно отправиться в места, где вы не знаете, чего ожидать », — говорит Кристиан.