Колебания в однородных цепочках
Анализ колебаний в системе с n степенями свободы значительно упрощается, если система представляет собой цепочку последовательно включенных однородных элементов. Рассмотрение собственных колебаний в такой цепочке представляет интерес в связи с тем, что цепочка является одномерным аналогом кристаллической решётки, состоящей из одинаковых атомов.
Рис. 75. Схема однородной цепочки. |
Рассмотрим колебания в однородной цепочке на примере полосового фильтра, изображённого на рис. 75. Выберем в качестве независимых координат заряды ql, прошедшие к моменту времени t через поперечное сечение соответствующих катушек. Выражения для кинетической и потенциальной энергии такого фильтра имеют вид:
, ,
тогда уравнение Лагранжа (1.30) может быть записано так:
. | (8.32) |
Уравнение (8.32) справедливо для любого звена цепочки, кроме первого и последнего. Заряды в первом и (N + 1)-м звеньях цепочки определяются граничными условиями. Рассмотрим случай системы с разомкнутыми концами, т. е. q1 = 0, qN + 1 = 0.
Будем искать решение системы ДУ (8.32) в виде
.
Подстановка в уравнение (8.32) даёт разностные уравнения:
, n = 2,…, N. | (8.33) |
Здесь n2 = 1/LC + 2/LC0 - квадрат парциальной частоты одного звена, a = 1/LC0 - коэффициент связи. Решение системы разностных уравнений (8.33) можно записать следующим образом:
.
После подстановки решения в (8.33) получим
,
или
. | (8.34) |
Величина b представляет собой сдвиг фаз на одном элементе цепочки. Поэтому уравнение (8.34) связывающее частоту колебаний w и сдвиг фаз b, называется дисперсионным уравнением цепочки.
Действительным фазовым сдвигам в уравнении (8.34) отвечает условие:
. | (8.35) |
Каждому значению частоты w из интервала (8.35) соответствуют два одинаковых по модулю и разных по знаку значения параметра b дисперсионного уравнения (8.34). Таким образом, общее решение системы разностных уравнений (8.33) имеет вид
. | (8.36) |
Для нахождения собственных частот колебаний цепочки воспользуемся граничными условиями
, .
Видно, что эта система совместна, если exp(2jNb) = 1, или b = sp/N и B = -Aexp(-2jb). Используя соотношение (8.34), найдём собственные частоты
. | (8.37) |
Так как цепочка с разомкнутыми концами (q1 = 0, qN + 1 = 0) представляет собой систему с N - 1 степенями свободы, то у неё N - 1 различных собственных частот ws, s = 1,…, N - 1, лежащих в полосе прозрачности системы (8.35). Значения s = 0 и s = N дают критические частоты
, .
Из уравнения (8.36) можно найти амплитуды Qns:
. | (8.38) |
Таким образом, собственные колебания цепочки из N + 1 одинаковых элементов с разомкнутыми концами могут быть описаны как
, n = 1,…, N + 1. | (8.39) |
Здесь параметры Ds и js определяются начальными условиями. Собственные колебания n-го звена цепочки представляют собой суперпозицию N - 1 нормальных колебаний. Распределение амплитуд по координатам для каждой собственной частоты происходит по синусоидальному закону. При w = w1 колебания во всех элементах цепочки происходят в фазе, и на длине цепочки укладывается одна полуволна. С увеличением номера s количество полуволн, укладывающихся вдоль цепочки, растёт. На s-й собственной частоте (w = ws) число полуволн равно s.
Рис. 76.Т-разбиение однородной цепочки с внешней силой и нагрузкой на конце. |
При анализе вынужденных колебаний предположим, что на одном конце цепочки действует гармоническое напряжение u0(t) = U0exp(jwt), а другой конец нагружен произвольным сопротивлением Zн. Используем Т-разбиение, т. е. представим цепочку в виде последовательно соединённых Т-образных четырёхполюсников (рис.76).
Запишем для n-го звена уравнения Кирхгофа:
, . | (8.40) |
Будем решать эту систему методом комплексных амплитуд, положив
, . | (8.41) |
Здесь Z1 - полное сопротивление последовательно соединённых индуктивности L/2 и конденсатора 2C, а Z2 - полное сопротивление конденсатора C0.
Решение системы разностных уравнений (8.41) ищем в виде
, ,
где g в общем случае может быть комплексной величиной: g = d + jb. Подстановка предполагаемого решения в (8.41) даёт два линейных однородных уравнения относительно комплексных амплитуд A и B:
, . | (8.42) |
Система уравнений (8.42) имеет нетривиальное решение, когда её детерминант равен нулю, что приводит к условию:
. | (8.43) |
Последнее выражение даёт связь между частотой внешней силы w и величиной g, определяющей характер процесса.
Рассмотрим отдельно две возможности: |1 + Z1/Z2| £ 1, |1 + Z1/Z2| > 1. Для рассматриваемой схемы неравенство |1 + Z1/Z2| £ 1 справедливо, если частота w лежит в пределах
. | (8.44) |
В этом случае g - чисто мнимая величина, причём существуют два различающихся знаками значения: g1 = jb, g2 = -jb. Общее решение системы (8.41) при этом имеет вид:
, . | (8.45) |
Для каждого значения g, удовлетворяющего условию (8.43), из уравнения (8.42) можно найти отношение комплексных амплитуд A и B:
, .
Таким образом, решения (8.45) можно записать в виде
(8.46) |
Каждое из слагаемых системы (8.46) можно рассматривать как бегущую волну, фаза в которой меняется не непрерывно, а скачком на b при переходе от n-го звена цепочки к n + 1-му.
Мы предположили, что входным звеном цепочки, к которому приложено внешнее напряжение, служит звено с номером n = 0. В (8.46) первые слагаемые соответствуют волне, бегущей от источника, а вторые - волне, отражённой от нагрузки. Амплитуды этих волн можно определить из граничных условий
, .
Отсюда легко найти отношение A2/A1 на конце цепочки, то есть при n = N:
.
Вводя обозначение Z0 = jZ2sinb - волновое сопротивление цепочки, перепишем в виде
. | (8.47) |
Если сопротивление нагрузки Zн равно Z0, то, как видно из последнего соотношения, отражённая волна в цепочке отсутствует. Для рассматриваемой цепочки (рис. 76)
. | (8.48) |
Если Zн ¹ Z0, то наряду с волной, бегущей от источника, существует и отраженная волна. Решение (8.46) при этом имеет вид:
(8.49) |
Отношение комплексной амплитуды отраженной волны к комплексной амплитуде падающей волны называется коэффициентом отражения в n-м звене:
. | (8.50) |
При Zн ¹ Z0 лишь часть энергии поглощается в нагрузке, а остальная часть возвращается к источнику энергии.
Для короткозамкнутой цепочки (Zн = 0) и разорванной цепочки (Zн ® ¥) из уравнения (8.50) следует, что |Rn| = 1, и в цепочке существует чисто стоячая волна. Так, для Zн = 0
, где ;
для Zн ® ¥
, где .
Для чисто стоячей волны поток энергии от источника к нагрузке равен нулю. Амплитуда A1 здесь определяется из граничного условия u0(t) = U0exp(jwt).
Кроме волнового сопротивления практически важны следующие параметры цепочки:
а) входное сопротивление, определяемое как отношение напряжения к току на входе линии:
;
б) коэффициент передачи цепочки, т. е. отношение напряжения выходного сигнала к напряжению входного:
.
В согласованном режиме при Zн = Z0 коэффициент передачи |K| = 1.
Рассмотрим теперь второй возможный случай: |1 + Z1/Z2| > 1. Это неравенство справедливо либо при b = 0 и chd > 1, либо при b = p и ch(d + ip) = -chd < -1. В этом случае выделяются две области частот. Область частот, для которых b = 0 и chd > 1, располагается между нулём и частотой w1, т. е.
.
В этом диапазоне значений w решение (8.41) принимает вид:
.
Первое слагаемое здесь характеризует колебательный процесс, при котором все звенья колеблются в фазе, но амплитуда колебаний экспоненциально уменьшается вдоль цепочки в направлении увеличения номера, а второе - отраженную волну. При большом числе звеньев (dN >> 1) процесс затухнет раньше, чем колебания достигнут нагрузки. При выполнении этого условия отражённую волну (второе слагаемое) можно не учитывать. В этом случае коэффициент передачи для цепочки
(8.51) |
падает с ростом числа звеньев N, т. е. достаточно длинная цепочка не пропускает колебания с частотой w < w1.
Область частот, для которых b = p и |chd| > 1, простирается от w2 до бесконечности:
.
Решение для этой области частот имеет вид:
.
Рис. 77. Коэффициент передачи полосового фильтра. | По-прежнему, при большом числе звеньев dN >> 1 отражённую волну можно не учитывать. Однако, в области частот w > w2 соседние звенья цепочки колеблются в противофазе. Коэффициент передачи и в этом случае описывается формулой (8.51) и при dN >> 1 очень мал. Таким образом, рассмотренная цепочка представляет собой полосовой фильтр (рис. 77), пропускающий частоты, лежащие в полосе |
прозрачности (8.44), и отфильтровывающий частоты w < w1 и w > w2. Частоты w1 и w2 являются граничными частотами фильтра.
Дата добавления: 2019-02-08; просмотров: 636;