阻抗匹配 (2017)

“阻抗”是衡量系统如何抵抗能量流入的指标。通常，可以通过添加一个称为“阻抗匹配器”的元件来更改系统，以更有效地接受能量。大多数人从未听说过阻抗匹配器，但是一旦您了解了它们，您就会开始在各处看到它们：喇叭形状、镜头上的防反射涂层以及录音室内部的泡沫尖刺。阻抗匹配器的一个熟悉的例子是汽车的变速器，它通过将发动机相对较快的旋转转换为推动汽车所需的较慢、较强的旋转，将发动机的能量耦合到车轮。电线杆上的变压器解决了类似的问题，将传输线上的高压电力转换为家庭供电所需的大电流电力。从喷气发动机到收音机，许多机器都依赖阻抗匹配器将能量从系统的一个部分转移到另一部分。当能量以波的形式出现时，一些最有趣的阻抗匹配就会发生。您可能已经注意到，在游泳池中，溅起的波浪会从池壁两侧反射出来。由于水和墙壁之间存在阻抗不匹配，波能无法耦合到墙壁中，因此会反射回来。如果您观察垂直的海堤，您会注意到反射波增加了原始波浪的高度，产生的水花几乎是波浪高度的两倍。当波浪卷起平缓倾斜的海滩时，这种情况不会发生，因为斜坡充当阻抗匹配器，使波浪的能量流入沙子中。消声录音室内部的泡沫钉具有大致相同的功能。声波比尖刺大得多，因此它们使泡沫随着靠近墙壁而逐渐变密。这会将声能耦合到吸收墙中而不会反射，因此不会产生回声。喇叭末端的喇叭口的工作原理相同，但原理相反。如果没有耀斑，大部分声能只会被反射回喇叭中，而不是耦合到外部空气。另一个例子是发声锥或扩音器。锥体充当阻抗匹配器，将声音的声能连接到空气中。这种阻抗匹配器非常有效，它可以让老式留声机唱针的微小运动让舞厅充满音乐。阻抗匹配适用于光波和声音。相机镜头上的防反射涂层的功能与音响室上的泡沫非常相似。另一方面，镜子的作用类似于海堤，产生阻抗不匹配的反射。通过在玻璃上仅放置几个铝分子，我们可以调整表面的光学特性，以产生阻抗失配，即仅反射少量光线的“半镀银”镜子。在更大的范围内，我们可以将大气中的二氧化碳视为不需要的阻抗匹配器，将太阳的红外光波耦合到地球上。有一天，我们可能决定通过向平流层添加微小的尘埃颗粒来冷却地球，调整光学表面以反射来自太阳的一小部分红外波。大气层和阳光之间的阻抗不匹配会产生一种半银镜，通过反射流入地球的不需要的能量来使我们保持凉爽。