Mode (fysik)

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
De første seks tilstande af en resonator

En tilstand (på engelsk. Tilstand), også vibrationstilstand i den akustiske endda rumlige tilstand, i mekanik også egenmode, naturlig svingningstilstand eller delvis svingning er i fysikken , beskrivelsen af ​​visse tids-stationære egenskaber ved et skaft . Bølgen beskrives som summen af forskellige tilstande.

Tilstandene adskiller sig i den rumlige fordeling af intensiteten . Formen af ​​tilstande bestemmes af de randbetingelser, hvorunder bølgen formerer sig. I modsætning til de tematisk relaterede normale vibrationer kan analysen ifølge vibrationstilstande anvendes på både stående og kontinuerlige bølger.

I akustik

Værelsesmoder

Rummetoder kan bruges til at karakterisere rumakustikken i en koncertsal .

Rumtilstandene misfarver lyden af et værelse, fordi visse toner er særligt fremtrædende og har en ujævn energifordeling i rummet. Hvis diskrete resonansfrekvenser forekommer, er disse mere mærkbare, end hvis mange resonansfrekvenser er jævnt fordelt i spektret ( efterklang ).

En stående bølge. Som du kan se her, vises en trykmave maksimalt i hver ende (rumafgrænsningen).

En vis resonansfrekvensfordeling er en fysisk egenskab i rummet, der afhænger af dets dimensioner. Kun visse frekvenser er spændte. Både det øgede niveau og lydens varighed spiller en rolle i disse resonanseffekter .

Værelsesmode mellem to hårde vægge. Der skal altid være maksimalt lydtryk på væggene, som kan ses der fra trykbulerne.

Over 300 Hz ( Schröder -frekvens ) akustiske tilstande i rummet i stuer forårsager ikke nogen hørbar forvrængning af gengivelsen, fordi tilstande smelter ind i hinanden i form af tætte refleksioner og efterklang . På den anden side kan de under 300 Hz forårsage mærkbar misfarvning af lyden. Da disse påvirker de særligt lave toner, er dette opfattes som støj, ube- blomstrer eller en-tone bas. Amplituden af en akustisk tilstand afhænger af dens position i rummet. Graden af ​​misfarvning er derfor forskellig fra sted til sted.

Der er tre typer stående tilstande i akustikken i et typisk ( kubisk ) lytterum:

  • aksiale (langsgående) tilstande, der klart dominerer
  • tangential og
  • diagonale tilstande (også kaldet obligue eller skrå modes).

Deres frekvenser kan beregnes som følger:

Hvor:

  • frekvensen af ​​tilstanden i Hz
  • rækkefølgen af ​​mode rum længde
  • rækkefølgen af ​​modeværelsets bredde
  • rækkefølgen af ​​modehøjde
  • lydens hastighed 343 m / s ved 20 ° C
  • , , rummets længde, bredde og højde i meter.

Flere akustiske mode

Bøjningsoscillatoren fastspændt på den ene side - afbøjningsamplituden for den anden tilstand vises

I akustik bestemmer tilstande overtonernes relative styrke og dermed lyden af et instrument , f.eks. B. et orgelpibe eller en klokke .

Bøjningsoscillator

Stænger fastklemt på den ene side kaldes bøjningsoscillatorer . Disse kan vibrere i flere tilstande.

Membranvibrationer

Mode (1s)
Mode (5d)
Vibrationsmønster af en fastspændt, rektangulær plade

En fastspændt, tynd overflade ( membran ) som en tromle kan vise mange forskellige vibrationstilstande. Disse delvise vibrationer fører til uregelmæssigheder i højttalernes frekvensrespons .

Hulrum

Akustiske hulrumsresonatorer er f.eks. B. Helmholtz -resonatoren eller Kundts rør , men de spiller også en stor rolle i højttalerkasser ( basrefleksboks ) og blæseinstrumenter og orgelpiber .

Solid

Forskellige akustiske vibrationstilstande i faste stoffer forekommer f.eks. I kvartskrystaller , klokker , gonger , klokkestænger , trekanter osv. Ud over den grundlæggende resonansfrekvens kan alle disse legemer også være spændte i højere svingningstilstande eller på grund af deres forskellige svingningstilstande have en bestemt lydkarakter. I faste stoffer kan der på grund af det eksisterende forskydningsmodul også forekomme tværgående bølge- og vibrationstilstande.

Formen af huse og maskindele dele bestemmer hvilket vibrationstilstande er særligt exciteres under drift. Med en passende, temmelig uregelmæssig form kan dannelse af vibrationstilstande baseret på formsymmetrier undgås; Lydstråling og træthed på grund af vibrationer kan således reduceres.

Elektromagnetiske bølger

For elektromagnetiske bølger som lys- , laser- og radiobølger skelnes følgende typer af tilstande:

  • TEM ellert ransversal- e lektro m agnetic Mode: Både den elektriske og magnetfeltkomponenten er altid vinkelret på forplantningsretningen. Denne måde er kun i stand til at sprede sig, hvis enten
  • TE- eller H -tilstande: Kun den elektriske feltkomponent er vinkelret på forplantningsretningen, mens magnetfeltkomponenten peger i forplantningsretningen.
  • TM- eller E -tilstande: Kun magnetfeltkomponenten er vinkelret på forplantningsretningen, mens den elektriske feltkomponent peger i udbredelsesretningen.

De to sidste tilstande er særligt vigtige i bølgeledere .

TEM -bølger er ikke begrænset i deres frekvens, hvilket betyder, at de kan forplante sig over hele frekvensspektret. TM- og TE -bølger er derimod kun i stand til at formere sig over en bestemt frekvens ( afskæringsfrekvens ), der er afhængig af lederens geometri. Følgelig kan flere tilstande ved en fast frekvens også være i stand til at udbrede sig på samme tid. Men denne tilstand er uønsket i datatransmission , eftersom signal integritet, dvs. lav dispersion drift af bølgeledere, kan kun garanteres med tilstanden renhed. Bølgeledere (f.eks. Kabler eller bølgeledere ) kan derfor kun bruges fornuftigt til signaloverførsel op til afbrydelsesfrekvensen for den første højere tilstand.

I laserteknologi er tilstande et vigtigt værktøj til karakterisering af en laserstråle. Især er de tværgående tilstande af interesse her, som adskiller sig i fordelingen af ​​intensiteten vinkelret på udbredelsesretningen. Se også tilstandsvolumen .

I elektroteknik er det nødvendigt for nogle enheder at fungere optimalt, at en bølge hovedsageligt indeholder en bestemt tilstand. Eksempler på dette er magnetronen i en mikrobølgeovn eller krystallen af ​​et oscillerende kvarts .

I tilfælde af antenner er det derimod ofte ønskeligt, at ingen modus er stærkt foretrukket.

Se også

Weblinks