резонатор Гельмгольца, сосуд, сообщающийся с внешней средой через небольшое отверстие или трубку, называемую горлом Р. а. Характерная особенность Р. а. - способность совершать низкочастотные Собственные колебания, длина волны которых значительно больше размеров Р. а. Собственная частота f₀ Р. а. с горлом вычисляется по формуле f₀ = (с/2π), где с - скорость звука в воздухе, S и l - площадь поперечного сечения и длина трубки соответственно, V - объём сосуда. Если Р. а. поместить в гармоническое звуковое поле, частота которого равна f₀, в нём возникают колебания с амплитудой, во много раз превышающей амплитуду звукового поля. В негармоническом звуковом поле Р. а. реагирует только на колебания с частотой, равной его собственной. Поэтому набор резонаторов с различными собственными частотами может применяться для Звука анализа. Поскольку амплитуда колебательной скорости в горле резонатора на частоте f₀ велика, при наличии трения в нём возникает сильное поглощение звука этой частоты. Это свойство Р. а. используется при создании т. н. резонансных звукопоглотителей в архитектурной акустике. Р. а. применяются также как элементы резонансных отражателей для уменьшения передачи низкочастотного шума по звукопроводам, т. к. малый входной импеданс Р. а., помещенного на стенке звукопровода, на частоте f₀ резко изменяет условия распространения волны с этой частотой. Пузыри в жидкости и воздушной полости в некоторых др. средах, например резине, также являются Р. а., поэтому наличие большого числа пузырей в воде вызывает сильное поглощение звука и т. о. препятствует распространению звуковых волн.

Теория Р. а. была разработана Г. Гельмгольцем и Дж. Рэлеем (См. Рэлей).

колебательная система сверхвысоких частот, аналог колебательного контура (См. Колебательный контур); представляет собой объём, заполненный диэлектриком (См. Диэлектрики) (в большинстве случаев воздухом) и ограниченный проводящей поверхностью либо пространством с иными электрическими и магнитными свойствами. Наибольшее распространение имеют полые О. р. - полости, ограниченные металлическими стенками. Форма ограничивающей поверхности О. р. в общем случае может быть произвольной, однако практическое распространение (в силу простоты конфигурации электромагнитного поля, простоты расчёта и изготовления) получили О. р. некоторых простейших форм. К ним относятся круглые цилиндры, прямоугольные параллелепипеды, тороиды, сферы и др. Некоторые типы О. р. удобно рассматривать как отрезки полых или диэлектрических волноводов (см. Радиоволновод), ограниченные двумя параллельными плоскостями.

Задача о собственных колебаниях электромагнитного поля в О. р. сводится к решению Максвелла уравнений (См. Максвелла уравнения) с соответствующими граничными условиями. Процесс накопления электромагнитной энергии в О. р. можно пояснить на следующем примере: если между двумя параллельными отражающими плоскостями каким-либо образом возбуждается плоская волна, распространяющаяся перпендикулярно к ним, то при достижении одной из плоскостей волна полностью отразится от неё. Многократное отражение от обеих плоскостей приводит к образованию волн, распространяющихся в противоположных направлениях и интерферирующих друг с другом. Если расстояние между плоскостями L = nλ/2 (λ - длина волны, а n - целое число), то интерференция волн приводит к образованию стоячей волны (рис. 1), амплитуда которой при многократном отражении сильно возрастает; в пространстве между плоскостями будет накапливаться электромагнитная энергия, подобно тому, как это происходит при резонансе в колебательном контуре.

Свободные колебания в О. р. при отсутствии потерь энергии могут существовать неограниченно долгое время. Однако в действительности потери энергии в О. р. неизбежны. Переменное магнитное поле индуцирует на внутренних стенках О. р. электрические токи, которые нагревают стенки, что и приводит к потерям энергии (потери на проводимость). Кроме того, если в стенках О. р. есть отверстия, которые пересекают линии тока, то вне О. р. возбуждается электромагнитное поле, что вызывает потери энергии на излучение. Помимо этого, есть потери энергии в диэлектрике (см. Диэлектрические потери) и потери за счёт связи с внешними цепями. Отношение энергии, запасённой в О. р., к суммарным потерям в нём за период колебаний, называется добротностью О. р. Чем выше добротность, тем лучше качество О. р.

По аналогии с волноводами типы колебаний в О. р. классифицируются по группам в зависимости от того, имеет ли пространственное распределение электромагнитного поля осевые или радиальные (поперечные) компоненты. Колебания типа Н (или ТЕ) имеют осевую компоненту лишь магнитного поля; колебания типа Е (или ТМ) обладают осевой компонентой только электрического цоля. Наконец, у колебаний типа ТЕМ ни электрическое, ни магнитное поля не имеют осевых компонентов. Примером О. р., в котором могут возбуждаться колебания ТЕМ-типа, может служить полость между двумя коаксиальными проводящими цилиндрами, ограниченная с торцов плоскими проводящими стенками, перпендикулярными оси цилиндров.

Наиболее распространённым является цилиндрический О. р. Типы колебаний в цилиндрический О. р. характеризуют 3 индексами т, n, р, соответствующими числу полуволн электрического или магнитного поля, укладывающихся по его диаметру, окружности и длине (например, Е_тпр или Н_тпр). Тип колебания (Е или Н) и его индексы определяют структуру электрического и магнитного полей в О. р. (рис. 2). Колебание Н₀₁₁ цилиндрич. О. р. обладает особым свойством: оно безразлично к наличию контакта цилиндрических и торцовых стенок. Магнитные силовые линии этого колебания направлены так (рис. 2, в), что в стенках О. р. возбуждаются только токи, текущие по окружностям цилиндра. Это позволяет делать неизлучающие щели в боковых и торцовых стенках О. р.

Кроме цилиндрических О. р., применяются О. р. другой формы, например в лабораторных устройствах - прямоугольные О. р. (рис. 3, а). Важен О. р. тороидальной формы с ёмкостным зазором (рис. 3, б), применяемый в качестве колебательной системы Клистрона. Особенностью основного типа колебаний такого О. р. является пространственное разделение электрического и магнитного полей. Электрическое поле локализуется главным образом в ёмкостном зазоре, а магнитное - в тороидальной полости. Распределение поля в диэлектрическом О. р. при существенном различии в диэлектрической проницаемости (См. Диэлектрическая проницаемость) диэлектрика и окружающего пространства близко к распределению поля в металлических полых резонаторах той же формы. В отличие от полых О. р., поле диэлектрических резонаторов проникает в окружающее пространство, однако быстро затухает при удалении от поверхности диэлектрика.

Металлические полые О. р. изготавливают обычно из металлов с высокой электропроводностью (Ag, Cu и их сплавы) или покрывают полость изнутри слоем Ag или Au. О. р. с чрезвычайно высокой добротностью получают из сверхпроводящих металлов (см. Криоэлектроника). Настройка О. р. на определённую частоту производится изменением его объёма путём перемещения стенок или введения в полость О. р. металлических поршней, пластин и др. настроечных элементов. Связь с внешними цепями осуществляется обычно через отверстия в стенках О. р., с помощью петель, штырей и др. элементов связи. Для диэлектрических О. р. используются диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (Рутил, тиганат стронция и др.), имеющие малые диэлектрические потери.

О. р. широко применяются в технике в качестве колебательных систем генераторов (клистронов, Магнетронов и др.), фильтров, эталонов частоты, измерительных контуров, а также различных устройств для исследования твердых, жидких и газообразных веществ. О. р. применимы для частот 10⁹-10¹¹ гц. Для более высоких частот длина волны возбуждаемых в О. р. колебаний становится сравнимой с размерами неизбежных шероховатостей и отверстий в стенках О. р., что приводит к рассеянию электромагнитной энергии. Эта недостатки устраняются в открытых резонаторах (См. Открытый резонатор), представляющих собой систему зеркал.

Лит.: Бройль Л., Электромагнитные волны в волноводах и полых резонаторах, пер. с франц., М., 1948; Вайнштейн Л. А., Электромагнитные волны, М., 1957.

И. В. Иванов, В. И. Зубков.

Рис. 1. Образование стоячей волны в пространстве между двумя параллельными плоскостями в результате интерференции прямой и отражённых волн.

Рис. 2. Простейшие виды колебаний в круглом цилиндрическом полом резонаторе: а - E₀₁₀, б - H₁₁₁, в - H₀₁₁. Сплошными линиями обозначены силовые линии электрического поля, пунктиром - силовые линии магнитного поля. Плотность силовых линий характеризует напряжённость поля. Для колебаний E₀₁₀ и H₁₁₁ плотность линий у оси цилиндра максимальна (пучность), а у его стенок равна нулю (узел). Силовые линии магнитного поля - замкнутые кривые.

Рис. 3. а - прямоугольный полый объёмный резонатор, в котором возбуждён основной тип колебаний E₁₁₀; сплошные линии - силовые линии электрического поля, пунктир - магнитного поля; б - тороидальный резонатор клистрона; в - резонаторная система магнетрона.

канал, по которому передаётся акустическая энергия (звука). В. а. - это каналы с резкими границами в виде стенок, свойства которых резко отличаются от свойств внутренней и наружной сред (трубы водопровода, вентиляционные ходы и т.п.), или каналы, возникающие за счёт резкой разницы свойств самих внешней и внутренней сред (стержни, струны и т.п.); во всех этих случаях поток энергии во внешнюю среду, как правило, незначителен и им можно пренебречь.

В. а. возникают также в сплошных неоднородных средах, когда резких границ не существует, а имеет место плавный переход между свойствами среды внутри и вне канала. Такие В. а. наблюдаются в атмосфере и океане в виде слоёв, отличающихся внутри и снаружи по температуре. В этих случаях поток энергии через "стенки" заметен, но всё же мал, так что основная часть энергии распространяется вдоль В. а. (см. Гидроакустика).

Примером В. а. с резкими границами служат трубы с совершенно жёсткими стенками, через которые акустическая энергия вовсе не проникает. Если размеры сечения трубы малы по сравнению с длиной звуковой волны, распространяющейся в В. а. (переговорные трубы на судах), то распространение звука в трубе можно представить в виде одномерной плоской волны. Когда размеры сечения трубы сравнимы или значительно больше длины волны, явление более сложно. В случае податливых стенок (воздуховод в виде резиновой трубки или водовод), хотя и имеется сток энергии через границы, в общем характер распространения волн остаётся сходным с предыдущим. В В. а., представляющих упругую твёрдую среду, явления осложняются наличием двух видов волн: сжатия и сдвига. В атмосфере и океане большую роль играют В. а., в которых распространение звука во многом аналогично распространению электромагнитных волн в атмосферных радиоволноводах. Влияние поверхности и дна моря в ряде случаев приводит к тому, что море можно рассматривать как В. а. В океане и атмосфере из-за изменения температуры и плотности воды (в океане и море с глубиной) и воздуха (в атмосфере с высотой) образуются естественные В. а. Звуковые колебания могут распространяться в таких каналах на расстояния порядка сотен и тысяч км. В частности, наличием глубоководного канала объясняется сверхдальнее распространение звука в океане.

Лит.: Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, М., 1957, гл. 5, 6; его же, Распространение звуковых и инфразвуковых волн в природных волноводах на большие расстояния, "Успехи физических наук", 1960, т. 70, в. 2, с. 351-60.

Л. М. Лямшев.

квант колебательного движения атомов кристалла. Колебания атомов кристалла благодаря взаимодействию между ними распространяются по кристаллу в виде волн, каждую из которых можно охарактеризовать квазиволновым вектором k и частотой ω, зависящей от k: ω = ω_ν(k), где индекс ν = 1,2,..., 3 r (r - число атомов в элементарной ячейке кристалла) обозначает тип колебания (см. Колебания кристаллической решётки). Согласно законам квантовой механики, колебательная энергия атомов кристалла может принимать значения, равные, где E₀ - энергия основного состояния, η - Планка постоянная. Каждой волне можно поставить в соответствие квазичастицу (См. Квазичастицы) - Ф. Энергия Ф. равна: , квазиимпульс р = ηk. Число n_кν следует трактовать как число Ф. Различают акустический и оптический Ф.; для акустического Ф. при р → 0 E = sp, где s - скорость звука; для оптического Ф. при р → 0 E_min ≠ 0 (у простых кристаллов с r = 1 оптического Ф. нет).

Ф. взаимодействуют друг с другом, с др. квазичастицами (электронами проводимости (См. Электрон проводимости), Магнонами и др.) и со статическими дефектами кристалла (с Вакансиями, дислокациями (См. Дислокации), с границами кристаллитов, поверхностью образца, с чужеродными включениями). При столкновениях Ф. выполняются законы сохранения энергии и квазиимпульса. Последний является более общим, чем закон сохранения импульса (см. Сохранения законы), т.к. суммарный квазиимпульс сталкивающихся квазичастиц, в частности Ф., может изменяться на величину 2πηb, где b - вектор обратной решётки. Такие столкновения называются процессами переброса, в отличие от нормальных столкновений (b = 0). Возможность процесса переброса - следствие периодичности в расположении атомов кристалла.

Среднее число Ф. определяется формулой Планка:

где T - температура, k - Больцмана постоянная. Эта формула совпадает с распределением частиц газа, подчиняющихся статистике Бозе - Эйнштейна, когда Химический потенциал равен нулю (см. Статистическая физика). Равенство нулю химического потенциала означает, что число N_ф > Ф. в кристалле не сохраняется, а зависит от температуры. Для всех твёрдых тел (См. Твёрдое тело) N_ф Фонон T³ при Т → 0 и N_ф Фонон Т при Т >> Θ_д (Θ_д - Дебая температура). Понятие Ф. позволяет описать тепловые и др. свойства кристаллов, используя методы кинетической теории газов (См. Газы). Ф. в большинстве случаев представляют собой главный тепловой резервуар твёрдого тела. Теплоёмкость кристаллического твёрдого тела практически совпадает с теплоёмкостью газа Ф. Теплопроводность кристалла можно описать как теплопроводность газа Ф., теплосопротивление которого обеспечивается процессами переброса.

Рассеяние электронов проводимости при взаимодействии с Ф. - основной механизм электросопротивления металлов (См. Металлы) и полупроводников (См. Полупроводники). Способность электронов проводимости излучать и поглощать Ф. приводит к притяжению электронов друг к другу, что при низких температурах является причиной перехода ряда металлов в сверхпроводящее состояние (см. Сверхпроводимость, Купера эффект). Излучение Ф. возбуждёнными атомами и молекулами тел обеспечивает возможность безызлучательных электронных переходов (см. Релаксация). В релаксационных процессах в твёрдых телах Ф. обычно служат стоком для энергии, запасённой др. степенями свободы кристалла, например электронными.

Среднюю энергию газа Ф. (как и др. квазичастиц) можно характеризовать величиной, подобной температуре обычного газа. Однако благодаря сравнительно слабой связи Ф. с др. квазичастицами фононная (или решёточная) температура может отличаться от температуры др. квазичастиц (электронов проводимости, магнонов, экситонов). В аморфных (стеклообразных) телах понятие Ф. удаётся ввести только для длинноволновых акустических колебаний, мало чувствительных к взаимному расположению атомов.

Ф. называются также элементарные возбуждения в сверхтекучем гелии (См. Гелий), описывающие колебательное движение квантовой жидкости (см. Сверхтекучесть).

Лит.: Займан Дж., Электроны и фононы, пер. с англ., М., 1962; Косевич А. М., Основы механики кристаллической решетки, М., 1972; Рейсленд Дж., Физика фононов, пер. с англ., М., 1975.

М. И. Каганов.