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 las ondas existen 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 mediante la vibración del aire en una cavidad con una abertura, se conocen como resonadores de Helmholtz .
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 , 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 de N átomos unidos entre sí puede tener N frecuencias de resonancia. A medida que aumenta 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 designar un objeto homogéneo en el que las vibraciones viajan como ondas, a una velocidad aproximadamente constante, rebotando de un lado a otro entre los lados del resonador. El material del resonador, a través del cual fluyen las ondas, puede considerarse como formado por millones de partes móviles acopladas (como átomos). Por lo tanto, pueden tener millones de frecuencias resonantes, aunque solo unas pocas pueden utilizarse en resonadores prácticos. Las ondas que se mueven en direcciones opuestas 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 provocar 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 a sí mismas. La condición para que haya 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 por lo que las frecuencias de resonancia son:
Por lo tanto, las frecuencias resonantes de los resonadores, llamadas modos normales , son múltiplos igualmente espaciados ( armónicos ) 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 de tambor circular o una cavidad de microondas cilíndrica , las frecuencias resonantes pueden no ocurrir en múltiplos igualmente espaciados de la frecuencia fundamental. Entonces se llaman sobretonos 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 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. Estos circuitos resonantes también se denominan circuitos RLC por los símbolos de circuito de los componentes.
Un resonador de parámetros distribuidos tiene capacitancia, inductancia y resistencia que no se pueden aislar en capacitores, inductores o resistencias agrupadas por separado. Un ejemplo de esto, muy utilizado en filtrado , es el resonador helicoidal .
Un inductor , que consiste en 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 causar oscilaciones parásitas en 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 cerrado hueco, como una caja de metal o una cavidad dentro de un bloque de metal, que contiene ondas electromagnéticas (ondas de radio) que se reflejan de un lado a otro 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 de resonancia más baja de la cavidad, la frecuencia fundamental, es aquella en la que el ancho de la cavidad es igual a la mitad de la 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 que la cavidad tenga un tamaño convenientemente pequeño.
Debido a la baja resistencia de sus paredes conductoras, los resonadores de cavidad tienen factores Q muy altos ; es decir, su ancho de banda , el rango de frecuencias alrededor de la frecuencia de resonancia en la que resonarán, es muy estrecho. Por lo 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 evacuado. 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, se desplacen en espiral hacia afuera en una trayectoria circular en lugar de moverse directamente hacia este ánodo. 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 de alta frecuencia resonante en la cavidad, que a su vez hace que los electrones se agrupen. Una parte de este campo se extrae con una antena corta que está conectada a una guía de ondas (un tubo de metal 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 , guía de ondas tubular, 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 la agrupación de las partículas que pasan a través de él. 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 en oscilaciones. Es un acelerador de partículas que funciona en conjunto con una cavidad específicamente sintonizada por la configuración de las estructuras.
El klistrón reflejo es un klistrón que utiliza un único resonador de cavidad abierta 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 por el resonador de vuelta 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 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 instalaciones de aceleración de gran tamaño emplean cavidades superconductoras de niobio para mejorar el rendimiento en comparación con las cavidades metálicas (de cobre).
El resonador de bucle abierto (LGR) se fabrica cortando una ranura estrecha a lo largo de un tubo conductor. La ranura 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 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 en el espacio libre de los campos electromagnéticos. Por lo tanto, es posible utilizar LGR para construir un resonador compacto y de alto Q que funcione a frecuencias relativamente bajas, donde los resonadores de cavidad serían impracticablemente grandes.
Si un trozo de material con una constante dieléctrica grande está rodeado 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 en banda ancha, por ejemplo, en frecuencias de radio o microondas. Un cambio abrupto 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 , una longitud de línea de transmisión terminada en un cortocircuito o circuito abierto, conectado 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 banda y de microbanda . Estos resonadores de línea de transmisión plana pueden ser muy compactos en tamaño y son elementos ampliamente utilizados en circuitos de microondas. En la investigación criogénica del estado sólido, los resonadores de línea de transmisión superconductores 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. Por tanto, una cavidad óptica , también conocida como resonador, es una cavidad con paredes que reflejan las ondas electromagnéticas (es decir, la luz ). Esto permite que existan modos de ondas estacionarias con poca pérdida.
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 una placa rectangular para aplicaciones de alta frecuencia, o en forma de un 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 un voltaje oscilante , que es captado por los electrodos unidos. Estos osciladores de cristal se utilizan en relojes de cuarzo , 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 sobre una viga en voladizo. En este caso, la onda estacionaria se impone sobre la viga. [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 conocidos de resonadores acústicos se encuentran en los instrumentos musicales . Todos los instrumentos musicales tienen 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 potenciando frecuencias particulares, como la caja de resonancia de una guitarra o un violín . Los tubos de órgano , los cuerpos de los instrumentos de viento de madera y las cajas de resonancia de los 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] El "sonido de escape" es una característica importante para algunos propietarios de vehículos, por lo que tanto los fabricantes originales como los proveedores de repuestos utilizan el resonador para mejorar el sonido. En los sistemas de " escape optimizado " 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 velocidad del motor o un rango de velocidades en 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, lo que crea 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.
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 utilizar el instrumento con un resonador en el estilo bluegrass , o sin él en el estilo de música folk . El término resonador , utilizado 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. Al afinar estos resonadores de una manera muy específica (do, si♭, la♭, sol♭) y hacer uso de sus parciales más fuertes (correspondientes a las octavas y quintas de los tonos fundamentales de las cuerdas), las cuerdas graves de la guitarra ahora resuenan por igual 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, 5.ª, 3.ª a un sustain infinito .
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