Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Resonador

Un resonador es un dispositivo o sistema que presenta resonancia o comportamiento resonante. Es decir, oscila naturalmente con mayor amplitud a ciertas frecuencias , llamadas fr...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

Un resonador es un dispositivo o sistema que presenta resonancia o comportamiento resonante. Es decir, oscila naturalmente con mayor amplitud a ciertas frecuencias , llamadas frecuencias de resonancia , que a otras. 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 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 a frecuencias más bajas. Los resonadores de cavidad acústica, en los que el sonido se produce por la vibración del 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 unida a un resorte, péndulos , volantes de inercia 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 aumenta el número de osciladores armónicos acoplados, el tiempo necesario para transferir energía de uno a otro se vuelve significativo. Las vibraciones en ellos comienzan a viajar a través de los osciladores armónicos acoplados en forma de 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 de un lado a otro entre las paredes del resonador. El material del resonador, a través del cual fluyen las ondas, puede considerarse como compuesto por millones de partes móviles acopladas (como átomos). Por lo tanto, pueden tener millones de frecuencias de resonancia, aunque solo unas pocas se utilizan en resonadores prácticos. Las ondas que se mueven en direcciones opuestas interfieren entre sí y, en sus frecuencias de resonancia, se refuerzan mutuamente para crear un patrón de ondas estacionarias en el resonador. Si la distancia entre las paredes esd{\displaystyle d\,}, la duración de un viaje de ida y vuelta es2d{\displaystyle 2d\,}Para que se produzca resonancia, la fase de una onda sinusoidal después de un recorrido completo 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 recorrido completo,2d{\displaystyle 2d\,}es igual a un número entero de longitudes de ondaλ{\displaystyle \lambda \,}de la ola:

2d=norteλ,norte∈{1,2,3,…}{\displaystyle 2d=N\lambda ,\qquad \qquad N\in \{1,2,3,\dots \}}

Si la velocidad de una onda esdo{\displaystyle c\,}, la frecuencia esF=do/λ{\displaystyle f=c/\lambda \,}Por lo tanto, las frecuencias de resonancia son:

F=nortedo2dnorte∈{1,2,3,…}{\displaystyle f={\frac {Nc}{2d}}\qquad \qquad N\in \{1,2,3,\dots \}}

Así, las frecuencias de resonancia de los resonadores, denominadas modos normales , son múltiplos igualmente espaciados ( armónicos ) de una frecuencia mínima llamada frecuencia fundamental . El análisis anterior presupone que el medio dentro del resonador es homogéneo, por lo que las ondas viajan a velocidad constante, y que la forma del resonador es rectilínea. Si el resonador es heterogéneo o tiene una forma no rectilínea, como un parche de tambor circular o una cavidad de microondas cilíndrica , las frecuencias de resonancia pueden no ser múltiplos igualmente espaciados de la frecuencia fundamental. En ese caso, se denominan sobretonos en lugar de armónicos . Puede haber varias series de frecuencias de resonancia en un mismo resonador, correspondientes a diferentes modos de vibración.

Electromagnetismo

Circuitos resonantes

Un circuito eléctrico compuesto por componentes discretos puede funcionar como un resonador cuando incluye un inductor y un condensador . Las oscilaciones se limitan mediante la presencia de resistencia, ya sea a través de un componente resistivo específico o debido a la resistencia de los devanados del inductor. Estos circuitos resonantes también se denominan circuitos RLC, por los símbolos de sus componentes.

Un resonador de parámetros distribuidos posee capacitancia, inductancia y resistencia que no pueden aislarse en capacitores, inductores o resistencias concentrados separados. Un ejemplo de esto, muy utilizado en filtrado , es el resonador helicoidal .

Un inductor, que consiste en una bobina de alambre, resuena a una frecuencia determinada debido a la capacitancia parásita entre sus espiras. Este efecto suele ser indeseado y puede provocar oscilaciones parásitas en los circuitos de radiofrecuencia. 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 metálica o una cavidad dentro de un bloque de metal, que contiene ondas electromagnéticas (ondas de radio) que se reflejan entre sus paredes. Cuando se aplica una fuente de ondas de radio a una de las frecuencias de resonancia de la cavidad , las ondas que se mueven en direcciones opuestas 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 que la cavidad tenga un tamaño convenientemente pequeño.

Debido a la baja resistencia de sus paredes conductoras, los resonadores de cavidad presentan factores Q muy elevados ; es decir, su ancho de banda , el rango de frecuencias alrededor de la frecuencia de resonancia en el que resuenan, es muy estrecho. Por lo tanto, pueden funcionar como filtros de paso de banda estrechos . Los resonadores de cavidad se utilizan ampliamente como elemento determinante de la frecuencia en osciladores de microondas . Su frecuencia de resonancia se puede ajustar moviendo una de las paredes de la cavidad hacia adentro o hacia afuera, modificando así su tamaño.

Ilustración del campo eléctrico y magnético de uno de los modos posibles 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, lobulada y evacuada. Un imán permanente impone un campo magnético perpendicular. Este campo magnético provoca 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 dirigirse directamente al ánodo. Alrededor del borde de la cámara se encuentran cavidades cilíndricas. Estas cavidades están abiertas longitudinalmente y, por lo tanto, se conectan con el espacio común de la cavidad. Al pasar los electrones por estas aberturas, inducen un campo de radiofrecuencia resonante de alta frecuencia en la cavidad, lo que a su vez provoca que los electrones se agrupen. Una parte de este campo se extrae mediante una antena corta conectada a una guía de ondas (un tubo metálico, generalmente de sección transversal rectangular). La guía de ondas dirige la energía de radiofrecuencia extraída hacia 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.

Klistrón

Las cavidades de radiofrecuencia del acelerador lineal del sincrotrón australiano se utilizan para acelerar y agrupar haces de electrones ; el acelerador lineal es el tubo que atraviesa el centro de la cavidad.

El klistrón , o 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 onda sintonizables. Un electrodo colector intercepta el haz tras su paso por los resonadores. El primer resonador provoca la agrupación de las partículas que lo atraviesan. Estas partículas agrupadas viajan en una región libre de campo donde se produce una mayor agrupación; posteriormente, entran en el segundo resonador, cediendo su energía para excitarlo y generar oscilaciones. Se trata de un acelerador de partículas que funciona en conjunto con una cavidad sintonizada específicamente mediante la configuración de sus estructuras.

El klistrón de reflexión es un klistrón que utiliza un único resonador de cavidad con una sola abertura, a través del cual pasa el haz de partículas cargadas, primero en una dirección. Un electrodo repulsor repele (o redirige) el haz, tras su paso por el resonador, devolviéndolo a través de él en la dirección opuesta y en la fase adecuada para reforzar las oscilaciones generadas en el resonador.

Aplicación en aceleradores de partículas

En la línea de haz de un sistema acelerador, existen secciones específicas que funcionan como resonadores de cavidad para radiación de radiofrecuencia (RF). Las partículas (cargadas) que se van a acelerar atraviesan estas cavidades, de manera que el campo eléctrico de microondas les transfiere energía, aumentando así su energía cinética y, por consiguiente, acelerándolas. Varias grandes instalaciones aceleradoras emplean cavidades de niobio superconductoras para obtener un rendimiento superior en comparación con las cavidades metálicas (de cobre).

resonador de bucle

El resonador de bucle (LGR) se fabrica cortando una ranura estrecha a lo largo de un tubo conductor. Esta ranura posee una capacitancia efectiva, mientras que el orificio del resonador presenta una inductancia efectiva. Por lo tanto, el LGR puede modelarse 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 viene determinada por la resistividad y la profundidad de penetración 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 factor Q que opere a frecuencias relativamente bajas, donde los resonadores de cavidad serían demasiado grandes para ser prácticos.

resonadores dieléctricos

Si un trozo de material con una constante dieléctrica alta está rodeado por un material con una constante dieléctrica mucho menor, este cambio abrupto en la constante dieléctrica puede causar el confinamiento de una onda electromagnética, lo que da lugar a un resonador que actúa de forma similar a un resonador de cavidad. [ 1 ]

Resonadores de línea de transmisión

Las líneas de transmisión son estructuras que permiten la transmisión de banda ancha de ondas electromagnéticas, por ejemplo, en frecuencias de radio o microondas. Un cambio abrupto de impedancia (por ejemplo, un circuito abierto o un cortocircuito) en una línea de transmisión provoca la reflexión de la señal transmitida. Dos de estos reflectores en una línea de transmisión generan ondas estacionarias entre ellos y, por lo tanto, actúan como un resonador unidimensional, cuyas frecuencias de resonancia están determinadas por su distancia y la constante dieléctrica efectiva de la línea de transmisión. [ 1 ] Una forma común es el stub resonante , un tramo de línea de transmisión terminado en un cortocircuito o un circuito abierto, conectado en serie o en paralelo con una línea de transmisión principal.

Los resonadores de línea de transmisión planares se emplean comúnmente para líneas de transmisión coplanares , de tira y de microcinta . Estos resonadores pueden ser muy compactos y son elementos ampliamente utilizados en circuitos de microondas. En la investigación criogénica de 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 ]

Cavidades ópticas

En un láser , la luz se amplifica en una cavidad resonante, generalmente compuesta por dos o más espejos. Por lo tanto, una cavidad óptica , también conocida como resonador, es una cavidad con paredes que reflejan ondas electromagnéticas (es decir, luz ). Esto permite la existencia de modos de onda estacionaria con mínimas pérdidas.

Mecánico

Los resonadores mecánicos se utilizan en circuitos electrónicos para generar señales de frecuencia precisa . Por ejemplo, los resonadores piezoeléctricos , generalmente de cuarzo , se utilizan como referencias de frecuencia. Los diseños comunes consisten en electrodos unidos a una pieza de cuarzo, con forma de placa rectangular para aplicaciones de alta frecuencia o 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 un voltaje oscilante , que es captado por los electrodos. Estos osciladores de cristal se utilizan en relojes de cuarzo para generar la señal de reloj que alimenta las computadoras y para estabilizar la señal de salida de los transmisores de radio .

Los resonadores mecánicos también pueden utilizarse para inducir una onda estacionaria en otros medios. Por ejemplo, se puede crear un sistema con múltiples grados de libertad aplicando una excitación de base a una viga en voladizo. En este caso, la onda estacionaria se impone a la viga. [ 5 ] Este tipo de sistema puede utilizarse como sensor para monitorizar cambios en la frecuencia o la fase de la resonancia de la fibra. Una aplicación es como dispositivo de medición para metrología dimensional . [ 6 ]

Acústico

Los ejemplos más conocidos de resonadores acústicos se encuentran en los instrumentos musicales . Todos los instrumentos musicales poseen 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 . Otros modifican el sonido al realzar frecuencias específicas, como la caja de resonancia de una guitarra o un violín . Los tubos de órgano , los cuerpos de los instrumentos de viento-madera y las cajas de resonancia 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 en 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 del escape" es una característica importante para algunos propietarios de vehículos, por lo que tanto los fabricantes originales como los proveedores del mercado 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 la combustión de la cámara de combustión a una velocidad del motor o rango de velocidades determinado. [ 8 ]

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, siendo más cortos los resonadores para las notas más agudas. El tubo está abierto en el extremo superior y cerrado en el inferior, creando una columna de aire que resuena al golpear la nota. Esto añade profundidad y volumen al sonido. En los instrumentos de cuerda, el cuerpo del instrumento es el resonador. El efecto de trémolo del vibráfono se consigue mediante un mecanismo que abre y cierra los resonadores.

instrumentos de cuerda

Una guitarra resonadora estilo Dobro

Los instrumentos de cuerda, como el banjo bluegrass , también pueden tener resonadores. Muchos banjos de cinco cuerdas tienen resonadores extraíbles, lo que permite a los músicos usar el instrumento con resonador al estilo bluegrass o sin él al estilo 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. Al afinar estos resonadores de una manera muy específica (C, B♭, A♭, G♭) y utilizar sus armónicos más fuertes (que corresponden a las octavas y quintas de los tonos fundamentales de las cuerdas), las cuerdas graves de la guitarra resuenan por igual con cualquiera de los 12 tonos de la octava cromática. El resonador de guitarra es un dispositivo que impulsa los armónicos de las cuerdas de la guitarra mediante un campo electromagnético. Este efecto de resonancia se produce por un bucle de retroalimentación y se aplica para impulsar los tonos fundamentales, octavas, quintas y terceras hasta un sustain infinito .

Véase también

Referencias y notas

  1. 1 2 Pozar, David (1998). Ingeniería de microondas (2.ª  ed.). Nueva York: Wiley. ISBN 9780470631553.
  2. ↑ D. Hafner; et al. (2014). "Mediciones de resistencia superficial utilizando resonadores de línea de transmisión superconductores". Rev. Sci. Instrum . 85 (1) 014702. arXiv : 1309.5331 . Bibcode : 2014RScI...85a4702H . doi : 10.1063/1.4856475 . PMID 24517793 . S2CID 16234011 .   
  3. ↑ L. Frunzio; et al. (2005). "Fabricación y caracterización de dispositivos QED de circuitos superconductores para computación cuántica". IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 15 (2): 860– 863. arXiv : cond-mat/0411708 . Bibcode : 2005ITAS...15..860F . doi : 10.1109/TASC.2005.850084 . S2CID 12789596 .  
  4. ↑ M. Göppl; et al. (2008). "Resonadores de guía de ondas coplanares para electrodinámica cuántica de circuitos". J. Appl. Phys. 104 (11) 113904: 113904–113904–8. arXiv : 0807.4094 . Bibcode : 2008JAP...104k3904G . doi : 10.1063/1.3010859 . S2CID 56398614 .  
  5. ↑ MB Bauza; RJ Hocken; ST Smith; SC Woody (2005), "El desarrollo de una punta de sonda virtual con aplicación a características de microescala de alta relación de aspecto", Review of Scientific Instruments , 76 (9), Rev. Sci Instrum, 76 (9) 095112: 095112–095112–8, Bibcode : 2005RScI...76i5112B , doi : 10.1063/1.2052027.
  6. ↑ "Soluciones de ingeniería y fabricación de precisión - IST Precision" . www.insitutec.com . Archivado del original el 31 de julio de 2016. Consultado el 7 de mayo de 2018 .
  7. ↑ "Cómo funcionan los silenciadores" . howstuffworks.com . 19 de febrero de 2001. Archivado del original el 8 de octubre de 2005. Consultado el 7 de mayo de 2018 .
  8. ↑ Tecnología Automotriz Avanzada . Oficina de Evaluación Tecnológica de los Estados Unidos . Septiembre de 1995. pág. 84. .
  • Logotipo de Wikimedia CommonsContenido multimedia relacionado con los resonadores en Wikimedia Commons