Resonador - Resonator

Un resonador es un dispositivo o sistema que exhibe resonancia o comportamiento resonante. Es decir, oscila naturalmente con mayor amplitud en algunas frecuencias , llamadas frecuencias resonantes , que en otras frecuencias. Las oscilaciones en un resonador pueden ser electromagnéticas o mecánicas (incluidas las acústicas ). Los resonadores se utilizan para generar ondas de frecuencias específicas o para seleccionar frecuencias específicas de una señal. Los instrumentos musicales utilizan resonadores acústicos que producen ondas sonoras de tonos específicos. Otro ejemplo son los cristales de cuarzo utilizados en dispositivos electrónicos como transmisores de radio y relojes de cuarzo para producir oscilaciones de frecuencia muy precisa.

Una onda estacionaria en un resonador de cavidad rectangular.

Un resonador de cavidad es aquel en el que existen ondas en un espacio hueco dentro del dispositivo. En electrónica y radio, las cavidades de microondas que constan de cajas metálicas huecas se utilizan en transmisores de microondas, receptores y equipos de prueba para controlar la frecuencia, en lugar de los circuitos sintonizados que se utilizan en frecuencias más bajas. Los resonadores de cavidad acústica, en los que el aire se produce al vibrar el aire en una cavidad con una abertura, se conocen como resonadores de Helmholtz .

Explicación

Un sistema físico puede tener tantas frecuencias de resonancia como grados de libertad ; cada grado de libertad puede vibrar como un oscilador armónico . Los sistemas con un grado de libertad, como una masa en un resorte, péndulos , ruedas de equilibrio y circuitos sintonizados LC tienen una frecuencia de resonancia. Los sistemas con dos grados de libertad, como péndulos acoplados y transformadores resonantes, pueden tener dos frecuencias resonantes. Una red cristalina compuesta por átomos de N unidos entre sí puede tener N frecuencias de resonancia. A medida que aumenta el número de osciladores armónicos acoplados, el tiempo que se tarda en transferir energía de uno a otro se vuelve significativo. Las vibraciones en ellos comienzan a viajar a través de los osciladores armónicos acoplados en ondas, de un oscilador al siguiente.

El término resonador se usa con mayor frecuencia para un objeto homogéneo en el que las vibraciones viajan como ondas, a una velocidad aproximadamente constante, rebotando hacia adelante y hacia atrás entre los lados del resonador. El material del resonador, a través del cual fluyen las ondas, puede verse como compuesto de millones de partes móviles acopladas (como átomos). Por lo tanto, pueden tener millones de frecuencias de resonancia, aunque solo unas pocas pueden usarse en resonadores prácticos. Las ondas de movimiento opuesto interfieren entre sí, y en sus frecuencias de resonancia se refuerzan entre sí para crear un patrón de ondas estacionarias en el resonador. Si la distancia entre los lados es , la duración de un viaje de ida y vuelta es . Para causar resonancia, la fase de una onda sinusoidal después de un viaje de ida y vuelta debe ser igual a la fase inicial para que las ondas se refuercen por sí mismas. La condición para la resonancia en un resonador es que la distancia de ida y vuelta`` sea ​​igual a un número entero de longitudes de onda de la onda:

Si la velocidad de una onda es , la frecuencia es entonces las frecuencias de resonancia son:

Entonces, las frecuencias de resonancia de los resonadores, llamados modos normales , son múltiplos ( armónicos ) igualmente espaciados de una frecuencia más baja llamada frecuencia fundamental . El análisis anterior asume que el medio dentro del resonador es homogéneo, por lo que las ondas viajan a una velocidad constante y que la forma del resonador es rectilínea. Si el resonador no es homogéneo o tiene una forma no rectilínea, como un parche de tambor circular o una cavidad de microondas cilíndrica , las frecuencias de resonancia pueden no ocurrir en múltiplos igualmente espaciados de la frecuencia fundamental. Luego se les llama sobretonos en lugar de armónicos . Puede haber varias de estas series de frecuencias resonantes en un solo resonador, correspondientes a diferentes modos de vibración.

Electromagnética

Circuitos resonantes

Un circuito eléctrico compuesto por componentes discretos puede actuar como resonador cuando se incluyen tanto un inductor como un condensador . Las oscilaciones están limitadas por la inclusión de resistencia, ya sea a través de un componente de resistencia específico o debido a la resistencia de los devanados del inductor. Dichos circuitos resonantes también se denominan circuitos RLC después de los símbolos de circuito de los componentes.

Un resonador de parámetros distribuidos tiene capacitancia, inductancia y resistencia que no se pueden aislar en condensadores, inductores o resistencias agrupados separados. Un ejemplo de esto, muy utilizado en el filtrado , es el resonador helicoidal .

Un inductor que consiste en una bobina de alambre, es autorresonante a una cierta frecuencia debido a la capacitancia parásita entre sus vueltas. A menudo, este es un efecto no deseado que puede causar oscilaciones parásitas en los circuitos de RF. La autorresonancia de los inductores se utiliza en algunos circuitos, como la bobina de Tesla .

Resonadores de cavidad

Un resonador de cavidad es un conductor hueco cerrado, como una caja de metal o una cavidad dentro de un bloque de metal, que contiene ondas electromagnéticas (ondas de radio) que se reflejan hacia adelante y hacia atrás entre las paredes de la cavidad. Cuando se aplica una fuente de ondas de radio en una de las frecuencias de resonancia de la cavidad , las ondas de movimiento opuesto forman ondas estacionarias y la cavidad almacena energía electromagnética.

Dado que la frecuencia de resonancia más baja de la cavidad, la frecuencia fundamental, es aquella en la que el ancho de la cavidad es igual a media longitud de onda (λ / 2), los resonadores de cavidad solo se utilizan en frecuencias de microondas y superiores, donde las longitudes de onda son lo suficientemente cortas como para la cavidad es convenientemente de tamaño pequeño.

Debido a la baja resistencia de sus paredes conductoras, los resonadores de cavidad tienen factores Q muy altos ; ese es su ancho de banda , el rango de frecuencias alrededor de la frecuencia de resonancia a la que resonarán, es muy estrecho. Por tanto, pueden actuar como filtros de paso de banda estrechos . Los resonadores de cavidad se utilizan ampliamente como elemento determinante de frecuencia en osciladores de microondas . Su frecuencia de resonancia se puede sintonizar moviendo una de las paredes de la cavidad hacia adentro o hacia afuera, cambiando su tamaño.

Una ilustración del campo eléctrico y magnético de uno de los posibles modos en un resonador de cavidad.

Magnetrón de cavidad

El magnetrón de cavidad es un tubo de vacío con un filamento en el centro de un resonador de cavidad circular, lobulado y evacuado. Un campo magnético perpendicular es impuesto por un imán permanente. El campo magnético hace que los electrones, atraídos por la parte exterior (relativamente) positiva de la cámara, se muevan en espiral hacia afuera en una trayectoria circular en lugar de moverse directamente a este ánodo. Espaciados alrededor del borde de la cámara hay cavidades cilíndricas. Las cavidades están abiertas a lo largo de su longitud y, por lo tanto, se conectan con el espacio de la cavidad común. A medida que los electrones pasan por estas aberturas, inducen un campo de radio de alta frecuencia resonante en la cavidad, que a su vez hace que los electrones se agrupen en grupos. Una parte de este campo se extrae con una antena corta que está conectada a una guía de ondas (un tubo metálico generalmente de sección transversal rectangular). La guía de ondas dirige la energía de RF extraída a la carga, que puede ser una cámara de cocción en un horno microondas o una antena de alta ganancia en el caso de un radar.

Klystron

El klistrón , guía de ondas de tubo, es un tubo de haz que incluye al menos dos resonadores de cavidad con aberturas. El haz de partículas cargadas pasa sucesivamente a través de las aberturas de los resonadores, a menudo rejillas de reflexión de ondas sintonizables. Se proporciona un electrodo colector para interceptar el haz después de pasar a través de los resonadores. El primer resonador provoca el agrupamiento de las partículas que lo atraviesan. Las partículas agrupadas viajan en una región sin campo donde se produce un agrupamiento adicional, luego las partículas agrupadas entran en el segundo resonador y ceden su energía para excitarlo en oscilaciones. Es un acelerador de partículas que trabaja en conjunto con una cavidad específicamente sintonizada por la configuración de las estructuras.

El klistrón reflejo es un klistrón que utiliza solo un resonador de cavidad con una sola abertura a través del cual pasa el haz de partículas cargadas, primero en una dirección. Se proporciona un electrodo repelente para repeler (o redirigir) el haz después de pasar a través del resonador de regreso a través del resonador en la otra dirección y en la fase adecuada para reforzar las oscilaciones establecidas en el resonador.

Las cavidades de RF en el linac del sincrotrón australiano se utilizan para acelerar y agrupar haces de electrones ; el linac es el tubo que pasa por el medio de la cavidad.

Aplicación en aceleradores de partículas

En la línea de luz de un sistema acelerador, hay secciones específicas que son resonadores de cavidad para la radiación de radiofrecuencia (RF). Las partículas (cargadas) que se van a acelerar pasan a través de estas cavidades de tal manera que el campo eléctrico de microondas transfiere energía a las partículas, aumentando así su energía cinética y acelerándolas. Varias grandes instalaciones de aceleradores emplean cavidades superconductoras de niobio para mejorar el rendimiento en comparación con las cavidades metálicas (cobre).

Resonador de bucle

El resonador de bucle-gap (LGR) se fabrica cortando una ranura estrecha a lo largo de un tubo conductor. La rendija tiene una capacitancia efectiva y el orificio del resonador tiene una inductancia efectiva. Por lo tanto, el LGR se puede modelar como un circuito RLC y tiene una frecuencia de resonancia que suele estar entre 200 MHz y 2 GHz. En ausencia de pérdidas por radiación, la resistencia efectiva del LGR está determinada por la resistividad y la profundidad de la piel electromagnética del conductor utilizado para hacer el resonador.

Una ventaja clave del LGR es que, en su frecuencia de resonancia, sus dimensiones son pequeñas en comparación con la longitud de onda del espacio libre de los campos electromagnéticos. Por lo tanto, es posible utilizar LGR para construir un resonador compacto y de alta Q que funcione a frecuencias relativamente bajas donde los resonadores de cavidad serían impracticablemente grandes.

Resonadores dieléctricos

Si una pieza de material con una constante dieléctrica grande está rodeada por un material con una constante dieléctrica mucho más baja, entonces este cambio abrupto en la constante dieléctrica puede causar el confinamiento de una onda electromagnética, lo que conduce a un resonador que actúa de manera similar a un resonador de cavidad.

Resonadores de línea de transmisión

Las líneas de transmisión son estructuras que permiten la transmisión de ondas electromagnéticas de banda ancha, por ejemplo, en frecuencias de radio o microondas. Un cambio brusco de impedancia (por ejemplo, abierto o corto) en una línea de transmisión provoca la reflexión de la señal transmitida. Dos de estos reflectores en una línea de transmisión evocan ondas estacionarias entre ellos y, por lo tanto, actúan como un resonador unidimensional, con las frecuencias de resonancia determinadas por su distancia y la constante dieléctrica efectiva de la línea de transmisión. Una forma común es el ramal resonante , una longitud de la línea de transmisión terminada en un cortocircuito o en un circuito abierto, conectada en serie o en paralelo con una línea de transmisión principal.

Los resonadores de línea de transmisión plana se emplean comúnmente para líneas de transmisión coplanares , de línea de banda y de microbanda . Dichos resonadores de línea de transmisión plana pueden ser de tamaño muy compacto y son elementos ampliamente utilizados en circuitos de microondas. En la investigación de estado sólido criogénico, los resonadores de línea de transmisión superconductores contribuyen a la espectroscopia de estado sólido y la ciencia de la información cuántica.

Cavidades ópticas

En un láser , la luz se amplifica en un resonador de cavidad que generalmente está compuesto por dos o más espejos. Así, una cavidad óptica , también conocida como resonador, es una cavidad con paredes que reflejan ondas electromagnéticas (es decir, luz ). Esto permite que existan modos de onda estacionaria con poca pérdida.

Mecánico

Los resonadores mecánicos se utilizan en circuitos electrónicos para generar señales de una frecuencia precisa . Por ejemplo, los resonadores piezoeléctricos , comúnmente hechos de cuarzo , se utilizan como referencias de frecuencia. Los diseños comunes consisten en electrodos unidos a una pieza de cuarzo, en forma de placa rectangular para aplicaciones de alta frecuencia, o en forma de diapasón para aplicaciones de baja frecuencia. La alta estabilidad dimensional y el coeficiente de baja temperatura del cuarzo ayudan a mantener constante la frecuencia de resonancia. Además, la propiedad piezoeléctrica del cuarzo convierte las vibraciones mecánicas en un voltaje oscilante , que es captado por los electrodos adjuntos. Estos osciladores de cristal se utilizan en relojes de cuarzo y relojes, para crear la señal de reloj que hace funcionar las computadoras y para estabilizar la señal de salida de los transmisores de radio . Los resonadores mecánicos también se pueden utilizar para inducir una onda estacionaria en otros medios. Por ejemplo, se puede crear un sistema de múltiples grados de libertad imponiendo una excitación de base en una viga en voladizo. En este caso, la onda estacionaria se impone al haz. Este tipo de sistema se puede utilizar como sensor para rastrear cambios en la frecuencia o fase de la resonancia de la fibra. Una aplicación es como dispositivo de medición para metrología dimensional .

Acústico

Los ejemplos más familiares de resonadores acústicos se encuentran en los instrumentos musicales . Todo instrumento musical tiene resonadores. Algunos generan el sonido directamente, como las barras de madera de un xilófono , el parche de un tambor , las cuerdas de los instrumentos de cuerda y los tubos de un órgano . Algunos modifican el sonido mejorando determinadas frecuencias, como la caja de resonancia de una guitarra o un violín . Los tubos de los órganos, los cuerpos de los instrumentos de viento de madera y las cajas de sonido de los instrumentos de cuerda son ejemplos de resonadores de cavidad acústica.

Automóviles

Una motocicleta deportiva, equipada con resonador de escape, diseñada para el rendimiento.

Los tubos de escape de los sistemas de escape de los automóviles están diseñados como resonadores acústicos que trabajan con el silenciador para reducir el ruido, haciendo que las ondas sonoras "se cancelen entre sí". La "nota de escape" es una característica importante para algunos propietarios de vehículos, por lo que tanto los fabricantes originales como los proveedores del mercado secundario utilizan el resonador para mejorar el sonido. En los sistemas de " escape sintonizado " diseñados para el rendimiento, la resonancia de los tubos de escape también se puede utilizar para eliminar los productos de combustión de la cámara de combustión a una determinada velocidad del motor o rango de velocidades.

Instrumentos de percusión

En muchos instrumentos de percusión de teclado , debajo del centro de cada nota hay un tubo, que es un resonador de cavidad acústica . La longitud del tubo varía según el tono de la nota, y las notas más altas tienen resonadores más cortos. El tubo está abierto en el extremo superior y cerrado en el extremo inferior, creando una columna de aire que resuena cuando se toca la nota. Esto agrega profundidad y volumen a la nota. En los instrumentos de cuerda, el cuerpo del instrumento es un resonador. El efecto de trémolo de un vibráfono se logra mediante un mecanismo que abre y cierra los resonadores.

Instrumentos de cuerda

Los instrumentos de cuerda como el banjo bluegrass también pueden tener resonadores. Muchos banjos de cinco cuerdas tienen resonadores extraíbles, por lo que los músicos pueden usar el instrumento con un resonador en estilo bluegrass , o sin él en estilo de música folk . El término resonador , usado por sí mismo, también puede referirse a la guitarra resonadora .

La moderna guitarra de diez cuerdas , inventada por Narciso Yepes , añade cuatro simpatizantes resonadores de cuerda a la guitarra clásica tradicional. Al afinar estos resonadores de una manera muy específica (C, B ♭, A ♭, G ♭) y haciendo uso de sus parciales más fuertes (correspondientes a las octavas y quintas de los tonos fundamentales de las cuerdas), las cuerdas bajas de la guitarra ahora resuenan igualmente con cualquiera de los 12 tonos de la octava cromática. El resonador de guitarra es un dispositivo para conducir armónicos de cuerdas de guitarra mediante un campo electromagnético. Este efecto de resonancia es causado por un bucle de retroalimentación y se aplica para impulsar los tonos fundamentales, octavas, quinta, tercera a un sostenido infinito .

Ver también

Referencias y notas

enlaces externos

  • Medios relacionados con resonadores en Wikimedia Commons