Pengayun.

Pengayun (English – oscillator) ialah sejenis sistem yang mengubah bentuk tenaga yang diterimanya kepada tenaga yang sejajar (English-coherent) dan kuat (English-strong).

Sistem pengayun terdiri daripada tiga unsur utama; iaitu penguat (English-amplifier), penala (English-resonator) dan suapbalik (English-feedback).

Sistem pengayun akan menerima tenaga dari punca bekalan tenaga (input), memprosesnya dan mengeluarkannya dalam bentuk tenaga yang sejajar dan kuat (output).

Apakah yang dimaksudkan dengan sejajar dan kuat? Untuk memahaminya, saya akan membawa para pembaca mengenali terlebih dahulu sifat semulajadi tenaga dalam bahagian di bawah.

Tenaga adalah campuran gelombang sinusoidal

Semua jenis tenaga dalam alam ini wujud dalam bentuk gelombang.

Sebagai contoh, tenaga elektrik wujud sebagai gelombang pergerakan elektron dalam bahan pengalir, tenaga haba wujud sebagai gelombang inframerah dan tenaga radio wujud sebagai gelombang elektromagnet pada frekuensi radio, dan tenaga cahaya wujud sebagai gelombang elektromagnet pada frekuensi cahaya nampak.

Gelombang yang hanya bergetar pada satu frekuensi sahaja ialah gelombang sinusoidal, iaitu gelombang yang boleh diterjemahkan dalam fungsi trigonometri sinus.

(Sumber: http://mvngu.wordpress.com/2008/08/11/year-10-mathematics-in-victoria/)

Sejenis gelombang sinusoidal. Gelombang sinusoidal ialah gelombang yang boleh diterjemahkan oleh fungsi trigonometri sinus.

(Sumber: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sine_waves_different_frequencies.svg)

Contoh gelombang sinusoidal dengan frekuensi yang berbeza-beza, dengan paksi tegak ialah amplitud (kandungan tenaga) dan paksi datar ialah masa. Gelombang paling atas ialah gelombang dengan frekuensi paling rendah.

[Nota: Frekuensi ialah bilangan getaran lengkap dalam satu saat. Setiap satu gelombang sinusoidal adalah unik mengikut frekuensinya (frekuensi adalah identiti sinusoidal tersebut). Semakin tinggi frekuensi suatu gelombang sinusoidal, semakin banyak getaran yang dilakukan dalam sesaat.]

Dalam alam ini, tenaga wujud dalam bentuk campuran gelombang sinusoidal sama ada pada frekuensi yang sama atau berbeza-beza.

Untuk menceraikan tenaga kepada komponen gelombang sinusoidal (atau secara ringkasnya komponen sinusoidal), kita menggunakan kaedah matematik yang dikenali sebagai penukaran Fourier (English-Fourier transform). Semua teknologi elektronik yang boleh menceraikan tenaga kepada komponen gelombang sinusoidal (salah satunya ialah teknologi radio) menggunakan penukaran Fourier secara litar elektronik, sama ada litar terbina (English-built-in) atau yang boleh diprogramkan (English-programmable).

Sebagai contoh, gelombang kotak dari sebuah penggetar elektronik boleh diceraikan kepada komponen sinusoidal di bawah. Apabila komponen sinusoidal tersebut dijumlahkan secara penambahan amplitud, ia akan kembali membentuk gelombang kotak (English-square wave).

(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Squarewave01CJC.png)

Dalam rajah di atas, gelombang kotak (merah) ditunjukkan bersama-sama sebahagian daripada komponen sinusoidalnya. Komponen yang ditunjukkan ialah sinusoidal pada harmonik ke 3 (hijau) dan 5 (oren), dan komponen asas (English – fundamental component) yang berwarna biru.

Alatan muzik juga menghasilkan tenaga bunyi dengan campuran komponen sinusoidal. Ambil satu contoh, iaitu tali gitar. Tali gitar yang sumbang dan tidak mengeluarkan bunyi untuk not yang dikehendaki, sebenarnya menghasilkan tenaga bunyi yang memiliki campuran komponen sinusoidal yang banyak.

Untuk mengelakkan bunyi yang sumbang, maka penalaan (English-tuning) dilakukan ke atas tali gitar tersebut, agar ia hanya mengeluarkan bunyi pada not yang dikehendaki sahaja, atau dengan kata lain, hanya pada satu komponen sinusoidal atau pada satu frekuensi tertentu sahaja. Ini kerana setiap not bunyi ditentukan oleh hanya satu frekuensi getaran sahaja. Frekuensi getaran ditentukan oleh panjang tali gitar, ketebalan, ketegangan dan ketumpatannya, dan aspek fizikal lain tali gitar yang terlibat dalam getaran tersebut. Jadi, penalaan dilakukan dengan menyelaras aspek-aspek fizikal tali gitar tersebut.

Resonans

Apabila satu-satu tenaga hanya bergetar pada satu komponen sinusoidal (atau pada satu frekuensi) sahaja, maka ia sedang berada dalam keadaan resonans (English-resonance). Jika satu tali gitar bergetar hanya pada satu frekuensi, maka ia sedang melakukan resonans. Apabila radio sedang menerima hanya gelombang pada satu frekuensi siaran sahaja, maka ia juga sedang melakukan resonans.

Ketika berlakunya resonans, tenaga menumpu hanya pada satu frekuensi. Oleh itu kandungan tenaga tersebut tidak dikongsi oleh komponen sinusoidal yang lain. Oleh itu juga, amplitud pada frekuensi tersebut merupakan amplitud yang tertinggi.

Sebagai contoh, tali gitar yang sedang resonans bergetar pada amplitud tertingginya (berbunyi paling kuat) berbanding ketika ia bergetar sumbang.

Radas yang paling biasa digunakan bagi menggambarkan fenomena ini ialah bandul Barton (English-Barton’s pendulum). Bandul Barton terdiri daripada sekumpulan bandul yang berlainan panjang tali, digantung pada satu tali mendatar yang sama. Satu bandul asing digantungkan pada tali mendatar tersebut, jauh sedikit berbanding kumpulan bandul tersebut.

(Sumber: http://www.one-school.net/Malaysia/UniversityandCollege/SPM/revisioncard/physics/wave/oscillation.html)

Gambar di atas menunjukkan bandul Barton.

Apabila bandul asing dihayunkan (bandul X), semua bandul dalam kumpulan bandul akan menghayun. Satu fenomena penting dapat diperhatikan di sini. Dalam semua bandul dalam kumpulan bandul, hanya satu sahaja bandul yang menghayun paling tinggi berbanding bandul-bandul yang lain.

Bandul tersebut ialah bandul yang memiliki panjang tali yang sama dengan bandul asing iaitu bandul D. Bandul tersebut sedang berada dalam resonans dengan bandul asing, dan mendapat tenaga yang paling banyak dari bandul X berbanding bandul-bandul lain dalam kumpulan bandul.

Pertindihan gelombang

Pertindihan gelombang (English-superposition) ialah fenomena pembinaan dan penghapusan gelombang apabila dua atau lebih komponen sinusoidal bercampur atau bertindih.

Pertindihan gelombang ialah proses tambah-tolak aritmetik untuk puncak gelombang atau amplitud (English-amplitude).

(Sumber: http://perg.phys.ksu.edu/vqm/laserweb/ch-1/f1s2t3p2.htm)

Rajah menunjukkan proses pertindihan gelombang. Gambar kiri adalah pertindihan gelombang dengan fasa yang sama manakala gambar kanan adalah pertindihan gelombang dengan fasa yang berlainan.

Membentuk kembali gelombang asal daripada komponen sinusoidal juga merupakan proses pertindihan gelombang. Sebagai contoh, gelombang kotak boleh dibentuk kembali daripada komponen sinusoidalnya dengan menindihkan komponen-komponen sinusoidal tersebut satu demi satu.

Sefasa dan tidak sefasa; dan kesejajaran

Fasa ialah kedudukan gelombang dalam ruang pada satu ketika ketika ia merambat. Dalam kumpulan komponen sinusoidal yang memiliki frekuensi yang sama, kedudukan setiap darinya dalam garis masa tidak semestinya sama. Ada yang mula bergerak agak lewat berbanding yang lain meskipun semuanya bergerak pada halaju yang sama.

Jika kumpulan komponen sinusoidal yang sama frekuensi berada pada fasa yang sama, maka ia berada dalam keadaan sejajar (English-coherent).

Rajah di bawah menunjukkan dua gelombang dalam dua situasi berbeza, yang sama frekuensi tetapi tidak sefasa (English-not in phase) di sebelah kanan, manakala rajah di sebelah kiri menunjukkan dua gelombang yang sama frekuensi dan juga sefasa (sejajar).

(Sumber: http://perg.phys.ksu.edu/vqm/laserweb/ch-1/f1s2t3p2.htm)

Apabila dua gelombang dalam kedua-dua rajah di atas bertindih, didapati dua gelombang dalam rajah kiri yang sejajar menghasilkan gelombang pada frekuensi sama tetapi dengan amplitud dua kali ganda amplitud asal. Dua gelombang yang tidak sejajar dalam rajah kanan pula terhapus (English-annihilated) selepas pertindihan.

Gelombang yang lebih kuat terhasil daripada kesejajaran.

Disebabkan itu, kesejajaran amat penting dalam proses penghasilan tenaga seperti pemancar radio, dan LASER bagi menghasilkan satu gelombang pada satu frekuensi tetap yang kuat dan bebas daripada hingar pada frekuensi lain.

Contoh sistem pengayun

Kita kembali semula kepada tajuk perbincangan asal, iaitu sistem pengayun. Dari perbincangan mengenai tenaga, diharapkan para pembaca dapat memahami apa dan mengapa kesejajaran dan kekuatan gelombang merupakan perkara penting yang ingin dicapai dalam sistem pengayun.

Sistem pengayun boleh wujud secara semulajadi ataupun buatan (diaplikasikan dalam teknologi moden).

Contoh sistem pengayun semulajadi ialah saraf manusia, sistem penghasilan gelombang mikro oleh bintang di angkasaraya, dan sistem penghasilan gelombang haba (inframerah) oleh matahari.

Pengayun mekanikal juga wujud dalam sistem jam bandul (English-grandfather’s clock) bagi menghasilkan ayunan bandul yang sejajar (tidak berubah-ubah tempoh ayunannya) dan kuat (tidak mengalami pelembapan (English-damping) atau pengurangan amplitud ayunan).

Pelbagai teknologi moden diklasifikasikan sebagai sistem pengayun, sebagai contoh  

1. LASER (light amplification by stimulated emission of radiation ; penguatan cahaya menggunakan pancaran teraruhkan dari radiasi
2. MASER hidrogen (maser – microwave amplification by stimulated emission of radiation ; penguatan gelombang mikro menggunakan pancaran teraruhan dari radiasi)
3. Pengayun hablur (English-crystal oscillator)
4. Pengayun gelombang mikro (English-microwave oscillator)

Peranan setiap unsur dalam sistem pengayun; penguat, penala dan suapbalik.

Ketika proses ke atas tenaga yang dibekalkan ke sistem pengayun berlaku, setiap unsur dalam sistem pengayun yang disebutkan tadi (penguat, penala dan suapbalik) yang memiliki peranan masing-masing, akan mengolah tenaga tersebut seperti berikut:

a        Penguat – menguatkan tenaga (English –amplify) mengikut pekali tumbesaran (English – gain ) yang dimilikinya. Tenaga yang dibekalkan masuk menerusi input akan ‘dibesarkan’ amplitudnya setelah melalui penguat. Ini bermakna jika tenaga yang masuk ke dalam penguat adalah 1 kiloWatt, maka jika pekali tumbesaran penguat ialah 5 per kilowatt, tenaga yang akan dikeluarkan oleh penguat ialah 1 kilowatt x 5 per kilowatt = 5 kilowatt.

Penguat dalam sistem pengayun adalah satu blok dengan satu input dan satu output. Sebenarnya, sistem penguat boleh diperincikan lagi dengan menyertakan juga tenaga masuk dan keluar yang mengaktifkan/menghidupkan penguat, dalam Rajah 6 di bawah.

[Rajah 6]

Dalam gambar atas, anak panah biru menunjukkan tenaga yang ingin dikuatkan sementara anak panah merah adalah tenaga terbekal yang mengaktifkan penguat agar dapat menjalankan fungsinya.

Gambar bawah pula menunjukkan contoh penguat yang biasa digunakan dalam litar elektronik, iaitu op-amp (operational amplifier) sebagai perbandingan.

Tenaga yang masuk menerusi input sebenarnya tidaklah dibesarkan secara prinsipnya. Tumbesaran yang berlaku bukanlah kepada kandungan tenaga yang masuk pada input, tetapi kepada isyarat yang dibawanya, iaitu isyarat komponen sinusoidal. Tenaga yang dibekalkan kepada penguat menyalin apa-apa isyarat yang dibawa oleh tenaga yang masuk melalui input. Disebabkan tenaga yang dibekalkan lebih besar daripada tenaga yang masuk pada input, maka salinan yang dibuat adalah salinan isyarat input yang lebih besar. Salinan yang lebih besar ini keluar sebagai output.

b)      Penala – mengumpul tenaga (English – storing energy) untuk satu jangka masa, dan kemudian melepaskannya selepas tamat tempoh tersebut menerusi jalan keluar atau output. Pengumpulan ini adalah bertujuan mengubah fasa-fasa komponen yang tidak sejajar dan membenarkan komponen-komponen ini mengalami pertindihan, agar hasil yang keluar ialah sejajar. Penala juga berperanan menapis frekuensi tertentu dari campuran komponen frekuensi dalam tenaga yang diterimanya, dan mengeluarkan hanya tenaga dengan komponen frekuensi tersebut.

c)       Suapbalik  -  menghantar sebahagian tenaga yang dilepaskan penala kembali ke tempat di mana tenaga mula-mula dibekalkan (tenaga disuapbalik ke tempat sebelum penguat, atau input)

Contoh-contoh penguat ialah :

Tiub tiub hampagas, transistor, diod Gunn, diod IMPATT, hablur delima (penguat cahaya dalam laser), hidrogen

Contoh-contoh penala ialah;

Litar talaan (English-tune circuit), hablur quartz, kebuk LASER (English – LASER cavity), kebuk gelombang mikro (English – microwave cavity).

Rajah 7 di bawah merumuskan sistem-sistem pengayun yang berlainan.

[Rajah 7]

Bagaimana pengayun bekerja?

Pengayun bekerja dengan menguatkan isyarat gelombang rawak.

Semua tenaga di dunia ini wujud dalam bentuk gelombang. Kebanyakkan tenaga adalah campuran gelombang sinusoidal yang digelar hingar (English-noise) dan ada juga yang hanya terdiri daripada satu unsur gelombang sinusoidal.

Katakan wujud hingar dalam sistem pengayun. Hingar ini sangat lemah kandungan tenaganya. Hingar ini berasal dari getaran atom dalam sistem pengayun. Ini kerana semua molekul dalam alam ini sentiasa bergerak.

Hingar ini bertanggungjawab memulakan ayunan dalam sistem pengayun. Apabila tenaga terbekal masuk, ia akan ke penguat dahulu untuk menghidupkannya. Jika tiada tenaga terbekal, maka penguat tidak akan berfungsi.

Penguat yang telah menerima tenaga terbekal akan berfungsi dan boleh menguatkan sebarang isyarat termasuk hingar yang kecil (meskipun hanya getaran kecil molekul). Jika hingar yang terhasil tadi masuk ke dalam penguat, penguat akan menguatkan hingar tersebut dan meninggikan amplitudnya dengan membenarkan tenaga terbekal menyalin isyarat yang dibawa hingar tersebut.

Hingar yang keluar daripada penguat adalah kuat tetapi tidak sejajar (English-incoherent).

Sejajar bermaksud kesemua komponen sinusoidal dalam hingar berada pada FREKUENSI yang sama dan FASA yang sama.

Untuk menghasilkan hingar hanya pada satu frekuensi sahaja, maka kita memerlukan penala (English-resonator). Penala berfungsi menapis semua komponen sinusoidal dalam hingar. Sebarang komponen sinusoidal yang tidak sama dengan frekuensi aslinya akan disingkirkan, manakala semua komponen sinusoidal yang sama akan dilepaskan.

Oleh itu, hingar yang keluar dari penala adalah hingar dengan komponen sinusoidal yang berada pada frekuensi yang sama tetapi pada fasa yang berlainan.

Maka bagaimana pula fasa kesemua komponen sinusoidal yang sama frekuensi ini disamakan? Ia perlu disuapbalik ke dalam penguat.

Apabila suapbalik dikenakan ke atas sistem pengayun, maka pembetulan berperingkat (English-iterative correction) ke atas fasa komponen sinusoidal berlaku. Perbezaan fasa antara komponen sinusoidal yang sama frekuensi ini akan semakin mengecil, dan komponen-komponen yang sama frekuensi ini menjadi semakin sejajar.

Selepas suatu tempoh, tenaga yang masuk dan keluar menerusi penguat adalah tenaga pada satu frekuensi dan fasa yang sama sahaja, serta memiliki amplitud yang maksimum. Tenaga ini sedang berada pada keadaan yang dikehendaki oleh sistem pengayun; iaitu kuat dan sejajar. Ia dilepaskan keluar kemudiannya ke beban untuk aplikasi seterusnya.

Contoh 1: LASER delima

Sistem LASER delima telah dijelaskan dengan terperinci dalam rencana lepas

(http://eigenzone.blogspot.com/2008/12/laser.html)

Penulis akan menerangkannya sekali lagi di sini menurut teori sistem pengayun.

Dalam LASER delima, penguat ialah rod delima, penala ialah kebuk laser itu sendiri (panjang dan diameternya) dan suapbalik ialah cermin memantul penuh dan separa.

 

[Rajah 8]

Rajah rekabentuk LASER delima. LASER delima ialah LASER pertama yang dicipta manusia. Ia dicipta oleh saintis Amerika Theodore Maiman pada 1960 berasaskan teori pancaran teraruhkan (English-stimulated emission) yang ditemui oleh Albert Einstein.

Tenaga dibekalkan kepada sistem pengayun LASER delima menggunakan lampu pendaflour atau dari LASER yang lain. Cahaya ini menghidupkan rod delima dan membolehkannya menguatkan sebarang hingar, yakni rod delima tersebut sedang diaktifkan.

Dalam satu-satu ketika, salah satu dari atom dalam batu delima bergerak dan menghasilkan hingar yang lebih kuat berbanding atom-atom yang lain. Hingar ini dikuatkan oleh rod delima yang telah diaktifkan tersebut dan menghasilkan hingar dalam bentuk pancaran teraruhkan (English-stimulated emission)

Kebuk LASER delima memiliki panjang dan diameternya yang akan menentukan komponen frekuensi yang mana daripada pancaran teraruhkan itu yang akan dipilih. Satu-satu frekuensi dipilih adalah kerana gelombangnya boleh bergerak dalam kebuk LASER pada panjang dan diameter sedemikian tanpa dilemahkan oleh komponennya yang lain yang sama frekuensi tetapi berlainan fasa.

Ini kerana komponen-komponen pada frekuensi yang sama tetapi pada fasa berlainan boleh dikuatkan atau dilemahkan akibat pertindihan gelombang atau superposisi (English-superposition) yang berlaku di antara mereka.

Pancaran teraruhkan ini akan melalui suapbalik, iaitu dengan dipantulkan oleh cermin memantul separa dan penuh yang diletakkan di kedua-dua belah sisi kebuk LASER. Kedua-dua cermin ini menjadi suapbalik kerana ia ‘menyuap balik’ pancaran teraruhkan ini ke dalam rod delima untuk dikuatkan lagi, dan seterusnya memulakan kitaran baru.

Pancaran teraruhkan ini akan dikuatkan sekali lagi oleh rod delima dan kitaran yang sama akan berulang-ulang.

Seperti yang dijelaskan tadi, hanya satu sahaja komponen sinusoidal dari pancaran teraruhkan yang tidak akan mengalami penghapusan akibat dari fenomena pertindihan gelombang. Komponen sinusoidal ini memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi yang dibenarkan oleh rekabentuk kebuk LASER yang memiliki panjang dan diameter sedemikian.

Maka, komponen ini juga merupakan satu-satunya komponen dari pancaran teraruhkan yang akan berjaya melepasi atau ‘survive’ kitaran-kitaran dalam sistem pengayun LASER, sehingga apabila ia cukup kuat dan sejajar, akan keluar sebagai sinar LASER menerusi titik lemah atau output yang diletakkan pada sistem, iaitu cermin memantul separa.

Apabila difikirkan kembali, kebuk LASER yang merupakan penala (English-resonator) dalam sistem ini, menjalankan beberapa tugasan penting. Ia menjadi penapis frekuensi (English-frequency filter), ia juga menjadi penyimpan tenaga (English-storage) untuk satu-satu masa. Kebolehan kebuk LASER menyimpan tenaga akan menentukan sama ada komponen sinusoidal yang disokongnya itu akan bertahan lama dalam kebuk LASER atau mudah melembap dan mati akibat terlalu mudah keluar dari kebuk sebagai haba mahupun sinar LASER yang bocor.

Jika suatu komponen sinusoidal itu dapat bertahan lama dalam kebuk, maka ia akan dikuatkan dengan mudah dan tidak banyak tenaga dibazirkan. Kebuk dengan mutu sebegini memiliki Q yang tinggi, di mana Q ialah nisbah tenaga yang boleh disimpan oleh satu-satu penala dengan tenaga yang terbocor (English-leaked energy) darinya.

Contoh 2: Pengayun gelombang mikro, PGM (English-microwave oscillator)

Pengayun gelombang mikro ialah sejenis sistem pengayun untuk menghasilkan gelombang mikro berkuasa rendah seperti yang digunakan dalam telekomunikasi tanpa wayar seperti Bluetooth, Wifi dan telefon bimbit. Untuk gelombang mikro berkuasa tinggi seperti yang digunakan dalam ketuhar gelombang mikro dan RADAR, teknologi seperti magnetron, klystron dan tiub berperambatkan gelombang (English-travelling wave tube) digunakan.

Dalam PGM, penguat ialah peranti aktif elektronik untuk gelombang mikro iaitu diod Gunn, diod IMPATT dan transistor gelombang mikro, penala ialah kebuk gelombang mikro dan suapbalik ialah salur gelombang seperti gegelung wayar, antenna atau salur berlengan (English-coaxial cable).

[Rajah 9]- Salur berlengan

Tenaga yang dibekalkan kepada PGM ialah tenaga elektrik. Tenaga elektrik ini akan mengaktifkan penguat dan membolehkannya menguatkan sebarang hingar yang terdapat di dalam sistem PGM.

Sepertimana LASER, hingar akan dihasilkan oleh mana-mana molekul yang bergetar lebih kuat berbanding molekul yang lain. Dalam kes PGM, hingar dihasilkan sendiri oleh penguat. Hingar ini yang merupakan campuran gelombang atau komponen sinusoidal akan dikuatkan oleh penguat.

Hingar yang kuat ini ialah arus elektrik ulang alik yang akan mengalir di seluruh bahagian kebuk gelombang mikro (GM), dan menghasilkan gelombang elektromagnet dengan campuran frekuensi yang pelbagai yang akan saling merambat, dipantulkan dan diserap di dalam kebuk gelombang mikro.

Akibat fenomena pertindihan gelombang, sebahagian daripada gelombang akan terhapus. Sepertimana kebuk LASER, kebuk GM juga memiliki ukuran dan saiznya. Ini menentukan frekuensi gelombang elektromagnet yang mana yang akan kekal berada di dalam kebuk tersebut tanpa mengalami kehilangan atau ditapis keluar.

Sepertimana yang berlaku di dalam LASER di mana hanya frekuensi pancaran teraruhkan yang tertentu sahaja yang dibenarkan bergerak di dalam kebuk, begitu juga dengan kebuk GM. Hanya frekuensi gelombang elektromagnet tertentu sahaja yang dibenarkan bergerak di dalam kebuk. Disebabkan frekuensi gelombang ini berada dalam julat gelombang mikro dalam spektrum gelombang elektromagnet, maka gelombang yang ditinggalkan bergerak dalam kebuk GM ialah gelombang mikro.

Gelombang mikro akan melalui suapbalik dan kembali semua ke penguat dan dikuatkan lagi. Kemudian gelombang mikro yang semakin kuat ini dihantar sekali lagi ke penala iaitu kebuk GM, dipantulkan berulang-ulang sehingga apabila ia cukup kuat, keluar sebagai gelombang mikro yang sejajar dan kuat melalui antenna.

Contoh 3: Pengayun hablur

Pengayun hablur ialah sejenis pengayun yang menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga elektrik ulang alik yang akan dipancarkan sebagai gelombang elektromagnet.

Sepertimana LASER dan PGM, sistem ayunan dalam pengayun hablur dimulakan oleh hingar yang terdapat dalam hablur quartz.

Hablur quartz memiliki kebolehan menukarkan tenaga mekanikal kepada elektrik, dan menukarkan tenaga elektrik kembali kepada tenaga mekanikal. Ini bermakna, jika kita menekan hablur ini, beza keupayaan akan terhasil dan arus akan mengalir sekiranya terdapat rintangan. Manakala jika kita membekalkan beza keupayaan ke atas hablur ini, bentuknya akan berubah. Jika beza keupayaan tersebut ialah ulang-alik (English-alternating voltage), hablur ini akan bergetar.

Hingar yang terhasil dalam hablur quartz ini akan diperbesarkan oleh penguat yang lazimnya transistor kesan medan seperti JFET. Hingar yang diperbesarkan, dalam bentuk arus ulang-alik, akan disuapbalik ke hablur.

Akibat daripada itu, hablur akan bergetar pada frekuensi aslinya, sekaligus membenarkan hanya satu komponen sinusoidal untuk arus ulang-alik yang masuk melepasi proses tersebut. Komponen sinusoidal ini, sama frekuensi dengan frekuensi asli hablur, akan disuap balik berulang kali sehingga getaran hablur mencapai kestabilan pada frekuensi tersebut.

Hasil akhir getaran hablur ini ditukarkan oleh hablur dan keluar sebagai gelombang arus elektrik ulang alik yang sejajar dan kuat, dan meninggalkan keseluruhan sistem pengayun hablur untuk ke bahagian seterusnya seperti antena atau kapasitor.

Kesan Rama-rama dan sistem pengayun

Pernahkah anda mendengar mengenai Kesan Rama-rama? Ia pernah dijadikan tema filem Hollywood iaitu The Butterfly Effect. Kesan Rama-rama ialah sejenis teori yang menjelaskan bahawa sebarang perubahan besar boleh dimulakan oleh sebarang perubahan kecil.

Kesan Rama-rama dinamakan sedemikian kerana ia menggunakan perumpamaan bahawa kibasan sayap rama-rama mampu menghasilkan taufan dengan menggerakkan molekul-molekul udara secara beransur-ansur.

Kesan Rama-rama juga dikenali sebagai Kesan Bebola Salji. Ia nama berlainan untuk teori yang sama. Untuk perumpamaan bebola salji, bayangkan anda membiarkan sebiji bebola salji menuruni sebuah cerun yang turut memiliki salji di sepanjang permukaan cerunnya. Bebola tersebut akan berguling menuruni cerun dan menjadi semakin besar kerana di sepanjang penurunannya, salji berkumpul dan terus berkumpul di permukaan bebola sehingga ia menjadi semakin besar.

Kesan Rama-rama dan Kesan Bebola Salji adalah contoh proses tumbesaran tidak terkawal (English-uncontrolled growth). Dalam proses sebegini, tidak ada keadaan stabil dicapai. Jika proses tersebut merupakan sebuah ayunan atau getaran gelombang, gelombang tersebut akan bergetar dengan amplitud yang semakin besar dan tidak akan mencapai kestabilan.

Kesan ini juga berlaku dalam letupan nuklear. Letupan nuklear adalah tindak balas berantai (English-chain reaction) yang tidak terkawal. Ia bermula dengan tembakan neutron ke atas unsur radioaktif yang kemudiannya melarat sehingga tembakan berjuta-juta atom yang sama, yang membentuk letupan cendawan. Jika tindak balas berantai ini dikawal, ia boleh dimanfaatkan untuk tujuan penjanaan kuasa elektrik.

[Rajah 10]

(Sumber: http://sciencecity.oupchina.com.hk/npaw/student/glossary/chain_reaction.htm)

Tindak balas tidak terkawal nuklear.

Kesan Rama-rama boleh berlaku dalam sistem pengayun jika sistem tersebut tidak memiliki jalan keluar atau output. Dalam sistem pengayun sebegini, jalan keluar tidak disertakan. Maka output tidak wujud. Akibatnya, sebarang hingar yang bermula dalam penguat akan dibesarkan secara terus menerus (English-ever increasing growth rate) dan akan terus membesar sehingga memusnahkan sistem tersebut dengan sendirinya (English-self destruction) kerana suapbalik.

Sistem pengayun yang tidak memiliki jalan keluar juga dinamakan sebagai sistem suapbalik positif. Ini kerana output akan senantiasa ditambah kepada tenaga terbekal. Sistem dengan jalan keluar dinamakan sistem suapbalik negatif.

Oleh itu, adalah penting untuk memasang jalan keluar atau output dalam merekabentuk sistem pengayun. Dalam LASER, cermin memantul separa berperanan sebagai jalan keluar cahaya LASER, sementara antena pula berperanan sama dalam sistem pengayun gelombang radio dan mikro.

Kesimpulan

Sistem pengayun boleh dicipta secara eksperimen dengan mencuba menggabung apa sahaja jenis penguat, penala dan suap balik membentuk satu sistem pengayun dan mengujikaji sama ada ia berfungsi sebagai sistem pengayun atau sebaliknya (sama ada ia mengeluarkan tenaga yang sejajar dan kuat atau sebaliknya).

Penguat yang baru boleh wujud dalam pelbagai bentuk; sama ada ia bahan semikonduktor, galian, logam atau bahan buatan manusia. Saintis masih mencari dan menggabung pelbagai jenis bahan untuk menghasilkan penguat yang baru, sama ada untuk menguatkan tenaga elektrik, gelombang radio, mahupun cahaya.

Pendek kata, sistem pengayun direka oleh 1001 kaedah dan jenis penguat dan penala. Eksperimen perlu diluaskan untuk meneruskan agenda penghasilan sistem pengayun yang baru. Malah sistem pengayun tidak terhad hanya kepada tenaga radio dan cahaya; bahkan ia boleh diluaskan sehingga kepada apa sahaja jenis tenaga kerana semua tenaga wujud dalam bentuk gelombang.

Malah sistem pengayun untuk tenaga mekanikal dan bunyi juga telah dicipta. Sistem pengayun untuk tenaga mekanikal terdapat dalam jam bandul (English-grandfather’s clock) untuk menguatkan ayunan bandul agar tidak mengalami pelembapan (English-damping) dan membenarkan ia berayun berterusan dan stabil pada satu frekuensi yang sama untuk jangka masa yang lama.

Sistem pengayun untuk bunyi pula telah dicipta untuk menstabilkan frekuensi bunyi agar tidak sumbang. Kita ambil contoh sebuah gitar. Penala ialah tali gitar itu sendiri, sementara suapbalik adalah udara di dalam kotak gitar tersebut. Apabila tali gitar dipetik, ia akan menggetarkan udara di sekelilingnya, memberikan hingar.

Hingar ini akan bergerak ke dalam kotak gitar dan dipantulkan (disuapbalik) ke tali gitar dan tali gitar berfungsi sebagai penala, menerima tenaga dari hingar tersebut dan menguatkan getaran hanya pada satu frekuensi sahaja. Dalam sistem pengayun ini, tiada penguat yang digunakan. Maka tenaga bunyi yang terhasil adalah tenaga bunyi yang sejajar pada satu frekuensi tetapi tidak dikuatkan. Ini kerana sistem pengayun bunyi tidak memiliki bahan aktif yang memiliki pekali tumbesaran sebagaimana sistem elektronik dan gelombang mikro.