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.
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 consisten en cajas metálicas huecas se utilizan en transmisores, receptores y equipos de prueba de microondas 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 sonido se produce cuando el aire vibra en una cavidad con una abertura, se conocen como resonadores de Helmholtz .
Un sistema físico puede tener tantas frecuencias resonantes como grados de libertad ; cada grado de libertad puede vibrar como un oscilador armónico . Los sistemas con un grado de libertad, como una masa sobre un resorte, péndulos , volantes 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 de resonancia. Una red cristalina compuesta por N átomos unidos puede tener N frecuencias de resonancia. A medida que crece el número de osciladores armónicos acoplados, el tiempo que lleva transferir energía de uno al siguiente 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 utiliza 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. Se puede considerar que el material del resonador, a través del cual fluyen las ondas, está formado por millones de partes móviles acopladas (como los átomos). Por lo tanto, pueden tener millones de frecuencias de resonancia, aunque sólo unas pocas pueden usarse en resonadores prácticos. Las ondas que se mueven en sentido opuesto interfieren entre sí y en sus frecuencias resonantes se refuerzan entre sí para crear un patrón de ondas estacionarias en el resonador. Si la distancia entre los lados es , la longitud 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 autorrefuercen. 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 resonantes de los resonadores, llamadas modos normales , son múltiplos ( armónicos ) equiespaciados de una frecuencia más baja llamada frecuencia fundamental . El análisis anterior supone 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 circular o una cavidad cilíndrica de microondas , es posible que las frecuencias resonantes no se produzcan en múltiplos equiespaciados de la frecuencia fundamental. Entonces se les llama armónicos en lugar de armónicos . Puede haber varias series de frecuencias resonantes en un solo resonador, correspondientes a diferentes modos de vibración.
Un circuito eléctrico compuesto de 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. Estos circuitos resonantes también se denominan circuitos RLC por los símbolos de los circuitos de los componentes.
Un resonador de parámetros distribuidos tiene capacitancia, inductancia y resistencia que no se pueden aislar en capacitores, inductores o resistencias agrupados por separado. Un ejemplo de esto, muy utilizado en filtrado , es el resonador helicoidal .
Un inductor que consta de una bobina de alambre es autorresonante a una determinada frecuencia debido a la capacitancia parásita entre sus espiras. Este suele ser un efecto no deseado que puede provocar oscilaciones parásitas en los circuitos de RF. La autorresonancia de los inductores se utiliza en algunos circuitos, como la bobina de Tesla .
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 resonantes de la cavidad, las ondas que se mueven en sentido opuesto forman ondas estacionarias y la cavidad almacena energía electromagnética.
Dado que la frecuencia resonante 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 sólo se utilizan en frecuencias de microondas y superiores, donde las longitudes de onda son lo suficientemente cortas como para la cavidad es de tamaño convenientemente 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 en 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.
El magnetrón de cavidad es un tubo de vacío con un filamento en el centro de un resonador de cavidad circular, lobulado y al vacío. Un imán permanente impone un campo magnético perpendicular. El campo magnético hace que los electrones, atraídos por la parte exterior (relativamente) positiva de la cámara, giren en espiral hacia afuera en una trayectoria circular en lugar de moverse directamente a este ánodo. Espaciadas 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 cavidad común. A medida que los electrones pasan por estas aberturas, inducen un campo de radio resonante de alta frecuencia en la cavidad, lo que a su vez hace que los electrones se agrupen en grupos. Una porción 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.
El klistrón , tubo guía de ondas, es un tubo de haz que incluye al menos dos resonadores de cavidad abierta. 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 la acumulación de partículas que lo atraviesan. Las partículas agrupadas viajan en una región libre de campo donde se produce una mayor agrupación, luego las partículas agrupadas ingresan al segundo resonador cediendo su energía para excitarlo y generar oscilaciones. Se trata de un acelerador de partículas que funciona en conjunto con una cavidad específicamente adaptada por la configuración de las estructuras.
El klistrón reflejo es un klistrón que utiliza sólo un resonador de cavidad con una única 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 nuevamente a través del resonador en la otra dirección y en la fase adecuada para reforzar las oscilaciones establecidas en el resonador.
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En la línea de luz de un sistema acelerador, hay secciones específicas que son cavidades resonadoras para 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 instalaciones de aceleradores grandes emplean cavidades de niobio superconductoras para mejorar el rendimiento en comparación con las cavidades metálicas (cobre).
El resonador de bucle (LGR) se fabrica cortando una hendidura 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 normalmente está 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 fabricar el resonador.
Una ventaja clave del LGR es que, a su frecuencia de resonancia, sus dimensiones son pequeñas en comparación con la longitud de onda de los campos electromagnéticos en el espacio libre. 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 no serían prácticos de gran tamaño.
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. [1]
Las líneas de transmisión son estructuras que permiten la transmisión de ondas electromagnéticas de banda ancha, por ejemplo en frecuencias de radio o microondas. El 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. [1] Una forma común es el trozo resonante , un tramo de línea de transmisión terminado en un cortocircuito o en un circuito abierto, conectado en serie o en paralelo con una línea de transmisión principal.
Los resonadores de líneas de transmisión planas se emplean comúnmente para líneas de transmisión coplanares , stripline y microstrip . Estos resonadores planos de líneas de transmisión pueden tener un tamaño muy compacto y son elementos ampliamente utilizados en circuitos de microondas. En la investigación criogénica de estado sólido, los resonadores superconductores de líneas de transmisión contribuyen a la espectroscopia de estado sólido [2] y a la ciencia de la información cuántica. [3] [4]
En un láser , la luz se amplifica en una cavidad resonadora que suele estar compuesta 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.
Los resonadores mecánicos se utilizan en circuitos electrónicos para generar señales de una frecuencia precisa . Por ejemplo, como referencias de frecuencia se utilizan resonadores piezoeléctricos , comúnmente fabricados a partir de cuarzo . 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 bajo coeficiente de temperatura del cuarzo ayudan a mantener constante la frecuencia de resonancia. Además, la propiedad piezoeléctrica del cuarzo convierte las vibraciones mecánicas en una tensión oscilante , que es captada por los electrodos adjuntos. Estos osciladores de cristal se utilizan en relojes de cuarzo para crear la señal del 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 a una viga en voladizo. En este caso la onda estacionaria se impone sobre el haz. [5] 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 . [6]
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 realzando frecuencias particulares, como la caja de resonancia de una guitarra o un violín . Los tubos de órgano , los cuerpos de instrumentos de viento de madera y las cajas de resonancia de instrumentos de cuerda son ejemplos de resonadores de cavidad acústica.
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". [7] La "nota de escape" es una característica importante para algunos propietarios de vehículos, por lo que tanto los fabricantes originales como los proveedores de posventa 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 la combustión de la cámara de combustión a una velocidad o rango de velocidades del motor particular. [8]
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 inferior, creando una columna de aire que resuena cuando se toca la nota. Esto añade profundidad y volumen a la nota. En los instrumentos de cuerda, el cuerpo del instrumento es un resonador. El efecto trémolo de un vibráfono se logra mediante un mecanismo que abre y cierra los resonadores.
Los instrumentos de cuerda como el banjo bluegrass también pueden tener resonadores. Muchos banjos de cinco cuerdas tienen resonadores extraíbles, por lo que los intérpretes pueden utilizar el instrumento con un resonador en estilo bluegrass o sin él en estilo de música folk . El término resonador , usado por sí solo, también puede referirse a la guitarra resonadora .
La guitarra moderna de diez cuerdas , inventada por Narciso Yepes , añade cuatro resonadores de cuerdas simpáticas a la guitarra clásica tradicional. Afinando 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 del bajo de la guitarra ahora resuenan igualmente con cualquiera de los 12 tonos de la octava cromática. El resonador de guitarra es un dispositivo para impulsar los armónicos de las cuerdas de la 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 y tercera hasta un sostenido infinito .
Medios relacionados con resonadores en Wikimedia Commons
