6-13. В погоне за высокой фильтрацией
Автомобиль — это ряд включенных друг за другом звеньев фильтра. Первое звено — пневматические шины на колесах. Чем меньше давление в шинах, тем податливость их больше, тем больше и коэффициент фильтрации этого звена. Хорошо ездить на супербаллонах.
Второе звено фильтра — это рессоры с кузовом. Затем, как фильтры механических колебаний работают еще и подушки сидений.
В телеге этих звеньев фильтрации нет, и те, кто в ней подолгу путешествовал, научились собственными силами включать еще одно звено фильтра: наклонять корпус и сгибать спину, чтобы она пружинила и чтобы толчки от сиденья доходили к головному мозгу по возможности в ослабленном виде. Иногда в одной элементарной ячейке фильтра трудно получить требуемый большой коэффициент фильтрации, требуемое затухание нежелательных колебаний. При последовательном включении отдельных элементарных ячеек результирующий коэффициент фильтрации всей цепи для большинства схем включения обычно равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев. Или, иначе говоря, полное затухание равно сумме затуханий всех звеньев.
Часто бывает выгоднее сделать несколько звеньев с малой фильтрацией каждое, и включить их последовательно, нежели применять одно звено с требуемой высокой фильтрацией.
Рис. 6-10. Многозвенный фильтр низких частот.
Представлены электрический, акустический и два механических: поступательный и вращательный варианты.
Рис. 6-11. Многозвенный фильтр высоких частот.
Представлены четыре варианта: электрический, акустический, механический поступательный и механический вращательный.
В хороших радиоприемниках фильтр цепи питания иногда выполняется не из одной, а из двух и даже более ячеек.
Но вообще это очень сложный вопрос о выборе наилучшего, оптимального фильтра. Иногда самый лучший — это самый дешевый, а иногда — имеющий наименьший объем. О лучшем будет еще разговор в следующей главе.
6-14. Отсев с уничтожением
Можно по-разному производить фильтрацию колебаний: можно отразить нежелательное колебание, отогнать его. А можно это колебание, наоборот, поглотить. В одних случаях применяются отражающие, а в других поглощающие фильтры. Примером последних может служить автомобиль.
В автомобиле шины, подвеска, подушки сидений, словом, все звенья фильтра механических колебаний должны поглотить энергию толчков, не дать ей дойти до пассажира. В этом многозвенном фильтре энергия механических колебаний превращается в тепловую и рассеивается. Каждое звено автомобильного фильтра обязательно имеет в своем составе элемент трения, который переводит механические колебания в тепло. Эти преобразователи колебаний в тепло получают разные конструктивные оформления и носят разные названия: тормоза, демпферы, катаракты, успокоители и т. д.
Применяются, например, масляные гасители колебаний. К кузову автомобиля крепится стальной цилиндр, наполненный вязким маслом. В нем ходит поршень, связанный с осью колеса. В поршне проделаны узкие каналы. Когда колесо подпрыгивает на неровностях дороги, масло продавливается через эти каналы. Энергия перемещения поршня в цилиндре тратится на нагрев масла.
Часто стальные пружины (рессоры) крепятся к кузову и к осям колес через резиновые прокладки. За счет внутреннего трения в этой резине гасится часть энергии колебаний.
Внутреннее трение в резине поглощает энергию толчков и в пневматических шинах. При движении автомобиля покрышки шин непрестанно деформируются. Они нагреваются из-за внутреннего трения. Этот нагрев ставит предел грузоподъемности покрышек и скорости их качения. При нагреве выше 100° С внутренний каркас покрышки из хлопчатой ткани (корда) теряет свою механическую прочность — перегорает. Во время быстрой езды автомобильные шины горячи даже на морозе. В последнее время каркасы для шин начинают делать из новых более прочных и термостойких материалов (например, из синтетических нитей — капрона).
Автомобильные конструкторы стремятся уменьшить поступающую в автомобиль энергию механических толчков. Эта энергия тем меньше, чем меньше неподрессоренная масса (т. е. масса колес). Но уж та энергия толчка, которая поступила от колеса к рессоре, может быть только рассеяна. Ее нельзя отразить обратно к дороге, или, что было бы еще более заманчиво, использовать для ускорения хода автомобиля. Энергию толчков, идущих от дороги к пассажирам, можно только превращать в тепло. Автомобильный фильтр (рис. 6-12) эквивалентен электрическому фильтру, у которого на входе задан ток, а не напряжение.
Еще один пример фильтра с большим затуханием— это автомобильный глушитель (рис. 6-2). Энергия переменных составляющих газового потока в нем превращается в тепло. Одновременно теряется и часть энергии постоянной составляющей потока отработанных газов. Глушитель снижает мощность двигателя. Гоночные машины работают часто без глушителя. Прямо из цилиндров выбрасывают выхлопные газы в атмосферу. Поэтому они мчатся с таким ревом.
Электрические фильтры, которыми снабжаются выпрямители, эквивалентны по принципу глушителю и подвеске автомобиля. Это все фильтры нижних частот. Они не должны пропускать быстрых колебаний.
В маломощных выпрямителях сглаживающие фильтры выполняются с большим затуханием (как автомобильная подвеска и глушитель). В приемниках фильтры составляются иногда из одних емкостей и сопротивлений, а индуктивностей в них нет. В таких фильтрах значительны потери электроэнергии. Зато эти фильтры стоят дешевле и занимают меньше места, нежели более сложные фильтры с индуктивностями.
Рис. 6-12. Система подвески автомобиля, ее механическая эквивалентная схема и электрические модели.
В электрических моделях сопротивления, поглощающие энергию переменных составляющих, можно включать по-разному: либо в цепь индуктивности, либо в цепь емкости.
6-15. Гасители волн
Рис. 6-12а. Вертикальный разрез волны (по «Океанографии» Шокольского).
Волнистые сплошные кривые соединяют частицы воды, которые в состоянии покоя расположены на горизонтальных, параллельных друг другу линиях. Пунктирные кривые соответствуют вертикалям — перпендикулярам к поверхности воды в состоянии покоя.
При волнении отдельные ячейки сетки, нанесенной на разрез, меняют свою форму. Но площадь каждой ячейки не меняется, так как вода мало сжимаема. Поэтому у подошвы волны поверхность ячеек растягивается, ячейки здесь сплющиваются. У вершины ячейки вытягиваются вверх, а поверхность их сжимается. Кругами на рисунке показаны траектории, которые описывают при волнении отдельные частицы воды. Чем дальше от поверхности, тем движение воды слабее.
Волны моря несут с собой огромные количества энергии. Небольшие и очень часто возникающие волны с периодом 5—6 сек дают силу удара 3—4 т на 1 м2.Штормовые волны с весьма распространенным периодом 7—8 сек развивают давление 5 т на 1 м2. К давним временам восходят предложения использовать энергию волн для производства полезной работы.
По рассказу академика Крылова, приведенному в книге академика Шулейкина «Очерки по физике моря», некий изобретатель построил корабль, состоявший из двух половин, которые были соединены между собой шарниром посредине. По мысли изобретателя, продольное изгибание этого корабля на волне должно было приводить во вращательное движение вал корабельного винта и таким образом двигать корабль вперед.
Рис. 6-126. Различные случаи расположения активных молекул на поверхности волны (по Шулейкину).
Молекулы маслянистых веществ представлены в виде вертикальных линий с шарообразными утолщениями, а молекулы воды — маленькими черточками. Шарообразные утолщения — это активная часть крупной молекулы. Активная часть притягивает к себе молекулы воды.
а) Одномолекулярный слой толщиной около двух миллионных долей миллиметра. б) Пленка воды, покрытая с двух сторон активными молекулами. Подобную же структуру имеют стенки мыльных пузырей. Их толщина 6 миллимикронов. в) «Толстая> пленка, содержащая четыре слоя активных молекул.
Однако, пока волны были малы, корабль покоился на поверхности моря неподвижно. Когда же размеры волн возросли настолько, что можно было от них требовать полезной работы, злополучный корабль просто переломился пополам на шарнире. Последователей у этого изобретателя не нашлось.
Использование нерегулярных, меняющихся по частоте и амплитуде механических колебаний — это очень трудная задача. Из многочисленных предложений использовать энергию морских волн для производства полезной работы некоторого внимания могут заслуживать только те, в которых предлагается вделывать в берег своеобразные каналы-ловушки. Вбегая в них, волны дают большие взбросы. Канал является волновым трансформатором, энергия движения волны превращается в энергию подъема воды. Взброшенная вода попадает в бассейн, приподнятый над уровнем моря. Оттуда вода стекает обратно в море через турбины. Однако и это предложение практически не было еще осуществлено.
Значительно проще можно гасить энергию волн, превращать ее в тепло. Современные корабли снабжаются иногда фильтрами механических колебаний — приспособлениями для уменьшения качки. Хорошо успокаивают колебания корабля цистерны, сообщающиеся с забортной водой и между собой трубами с заслонками. При качке вода переливается из цистерны в цистерну, и трение в трубах с заслонками поглощает часть энергии механических колебаний. Наибольшее успокоение получается при некоторой определенной величине трения. Еще лучше Можно гасить колебания корабля при помощи гироскопов, приводимых в действие от электродвигателей.
Еще до нашей эры было известно, что маслянистые вещества усмиряют морские волны. Плиний описывает, как водолазы поливали оливковым маслом поверхность моря, чтобы уменьшить волнение. Во многих современных морских альманахах и справочниках приводятся указания судоводителям, как лучше всего наносить масленый слой на поверхность моря, сколько требуется расходовать масла. В «Океанографии» Шокальского, например, советуется смачивать маслом пеньковые концы и маты, чтобы потом опускать их за борт для сглаживания гребней волн.
Однако полное объяснение и теория этого явления были даны только в последнее время академиком В. В. Шулейкиным и его сотрудниками на Черноморской гидрофизической станции. Оказывается, пленка масла вносит сильное затухание в колеблющуюся воду. Она действует подобно омическому сопротивление, включаемому в электрический колебательный контур.
Масло, вылитое на бушующую поверхность моря, растекается тонким слоем по воде. На волнующейся поверхности пленка все время растягивается и сжимается. У подошвы волны вода растягивает слой масла на большое пространство, а на гребне масляная пленка сжимается.
Молекулы жирных кислот чрезвычайно громоздки: по своим размерам они более чем в сотни раз превышают молекулы воды. В веществе тонкой маслянистой пленки при непрерывном перемещении у поверхности воды возникает огромное внутреннее трение. Энергия волн затрачивается на нагрев масляного слоя. Волнение сильно уменьшается. При этом энергичнее всего гасятся волны с малым периодом, с большой крутизной. На большие основные волны масляная пленка мало действует. Эта пленка на воде ведет себя как фильтр, подавляющий высокие частоты.
Но, помимо фильтров-«пожирателей» колебаний, в технике широко используются фильтры-«отражатели».
6-16. Фильтрация с малыми потерями
Рис. 6-12в. Кварцевый полосовой фильтр, состоящий из простых конденсаторов и кварцевых пластинок (показанных на рисунке заштрихованными).
Такой фильтр обладает чрезвычайно острой избирательностью, так как кварцевая пластинка является колебательным контуром с очень малыми потерями — часто ее затухание меньше одной десятичной.
Подвеска автомобиля была приведена в качестве примера фильтра с большими потерями. Но в автомобиле имеется и совершенно иного рода фильтр механических колебаний.
Двигатель соединяется с маховиком, который отдельные толчки взрывов преобразует в плавное вращение вала. Иногда на вал еще насаживают грузы на пружинах — гасители высших гармоник в кривой вращающего момента. И в маховике, и в гасителях крутильных колебаний потери ничтожны.
Электрические фильтры с малыми потерями применяются часто в установках для преобразования тока. Электрический фильтр в сочетании с вентилями может переводить колебания из любой части спектра в любую, начиная от самых низких частот (включая и нулевую частоту — постоянный ток) вплоть до колебаний, почти примыкающих к тепловым.
Чем меньше затухание отдельных элементов фильтра в таком устройстве, тем меньше потери на преобразование (при условии, что потери в вентилях также малы).
В мощных радиопередатчиках применяются выпрямители, к. п. д. которых может быть выше 99%. Звенья фильтра в этих выпрямителях — с минимальными потерями. Эти фильтры не поглощают нежелательных составляющих, а отражают их обратно к вентилям.
Выпрямитель превращает пульсирующую мощность переменного тока в строго неизменную мощность постоянного тока за счет циркуляции энергии в звеньях фильтра, которые являются промежуточными складами. Конденсаторы сглаживают толчки напряжения, дроссели — толчки тока.
При помощи вентилей можно также превращать постоянный ток в переменный. Иногда применяются вентили, потери в которых меньше 1%. Из совершенно постоянного тока можно сделать чистую синусоиду. В силовых сетях 50 Гц синусоида считается вполне удовлетворительной, если ее форма не более чем на 5% отличается от математической кривой.
При помощи комбинаций емкостей и индуктивностей с вентилями принципиально возможно мощность всех высших гармоник преобразовать в мощность постоянного тока (при выпрямлении) или в мощность основной синусоиды (при инвертировании). Но часто оказывается экономически невыгодным применять сложные и дорогостоящие схемы с высоким к. п. д. Когда велики потери в вентилях, неразумно тратить много сил на улучшение дросселей и конденсаторов. Общий к. п. д. этим не улучшить. Большинство современных ламповых генераторов работает с к. п. д. не выше 80%. В них высшие гармоники просто гасятся.
В многократной дальней телефонной связи большей частью применяются фильтры из звеньев с малым затуханием, с малыми потерями. Задача полосовых фильтров — пропустить сквозь себя часть спектра, а остальные части не поглотить, а отразить, направить к другим потребителям.
Полосовой фильтр работает тем лучше, чем меньше потери в его складах энергии — в его индуктивностях и емкостях. Но катушки индуктивности всегда обладают и вредным омическим сопротивлением, а конденсаторы всегда имеют потери в изоляции. Существуют механические колебательные системы, которые обладают очень малыми потерями. Это камертоны для звуковых частот и кварцевые пластинки для радиочастот. Эти пластинки и камертоны оказываются дешевле, нежели соответствующего качества электрические контуры.
Часто электрические фильтры выполняются с механическими колебательными системами. Для разделения частот в дальней связи приняты кварцевые полосовые фильтры. В военной телемеханике, например, в минных полях, взрываемых издалека по радио, применялись камертонные фильтры, чтобы эти мины отзывались только на свои определенным способом зашифрованные сигналы.
Кварцевые фильтры (рис. 6-12,в) обладают очень острой избирательностью. В некоторых случаях такая большая избирательность может оказаться даже вредной. Идут на специальные ухищрения, чтобы расширить в кварцевых фильтрах полосу пропускаемых частот.
