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共振器とは、共鳴または共鳴挙動を示す装置またはシステムのことです。つまり、共振器は、特定の周波数（共振周波数と呼ばれる）において、他の周波数よりも大きな振幅で自然に振動します。共振器における振動は、電磁振動または機械振動（音響振動を含む）のいずれかです。共振器は、特定の周波数の波を生成するため、または信号から特定の周波数を選択するために使用されます。楽器には、特定の音色の音波を生成する音響共振器が使用されています。別の例としては、無線送信機やクォーツ時計などの電子機器で使用される水晶振動子があり、非常に正確な周波数の振動を生成します。
空洞共振器とは、デバイス内部の空洞空間に波が存在する共振器のことです。電子工学や無線分野では、中空の金属箱で構成されたマイクロ波空洞が、低周波数で使用される同調回路の代わりに、マイクロ波送信機、受信機、試験装置で周波数制御に使用されます。開口部が1つある空洞内で空気が振動することで音が発生する音響空洞共振器は、ヘルムホルツ共振器として知られています。
物理システムは、自由度と同じ数の共振周波数を持つことができます。各自由度は調和振動子として振動することができます。ばねに取り付けられた質量、振り子、天秤、LC同調回路など、自由度が1つのシステムは、1つの共振周波数を持ちます。結合した振り子や共振変圧器など、自由度が2つのシステムは、2つの共振周波数を持つことができます。N個の原子が結合してできた結晶格子は、N個の共振周波数を持つことができます。結合した調和振動子の数が増えるにつれて、エネルギーを1つから次の振動子に伝達するのにかかる時間が重要になります。それらの振動は、結合した調和振動子を通して波として、1つの振動子から次の振動子へと伝わり始めます。
共振器という用語は、振動が波としてほぼ一定の速度で伝わり、共振器の両側で往復する均質な物体を指す場合によく用いられます。波が伝わる共振器の材料は、何百万もの結合した可動部分（原子など）で構成されていると考えることができます。そのため、共振周波数は何百万にも及ぶ可能性がありますが、実際の共振器ではそのうちのごく一部しか使用されません。反対方向に伝わる波は互いに干渉し、共振周波数では互いに強め合い、共振器内に定常波のパターンを作り出します。両側間の距離が往復の長さは共振を起こすには、往復後の正弦波の位相が初期位相と等しくなければならず、波が自己強化される。共振器における共振の条件は、往復距離、は波長の整数値に等しい。波の：
波の速度が周波数は共振周波数は以下のとおりです。
共振器の共振周波数は、固有モードと呼ばれ、基本周波数と呼ばれる最低周波数の等間隔の倍数（高調波）です。上記の解析では、共振器内部の媒質が均質であり、波が一定の速度で伝搬し、共振器の形状が直線であると仮定しています。共振器が不均質であったり、円形のドラムヘッドや円筒形のマイクロ波共振器のように直線形状でない場合、共振周波数は基本周波数の等間隔の倍数にならないことがあります。その場合、それらは高調波ではなく倍音と呼ばれます。1つの共振器内に、異なる振動モードに対応する、このような共振周波数の系列が複数存在する場合があります。
離散部品で構成された電気回路は、インダクタとコンデンサの両方が含まれている場合、共振器として機能します。発振は、特定の抵抗器部品による抵抗、またはインダクタ巻線の抵抗によって制限されます。このような共振回路は、部品の回路記号にちなんでRLC回路とも呼ばれます。
分布定数共振器は、容量、インダクタンス、抵抗を個別の集中定数コンデンサ、インダクタ、抵抗に分離することができない。フィルタリングでよく用いられる例として、らせん共振器が挙げられる。
コイル状の導線で構成されるインダクタは、巻線間の寄生容量によって特定の周波数で自己共振します。これは、高周波回路において寄生発振を引き起こす可能性のある望ましくない現象です。インダクタの自己共振は、テスラコイルなど、いくつかの回路で利用されています。
空洞共振器とは、金属箱や金属ブロック内部の空洞など、中空の閉じた導体であり、その空洞の壁の間で電磁波（電波）が反射を繰り返す構造になっている。空洞の共振周波数のいずれかの周波数の電波を照射すると、互いに逆方向に伝播する波が定常波を形成し、空洞内に電磁エネルギーが蓄積される。
空洞の最低共振周波数である基本周波数は、空洞の幅が半波長（λ/2）に等しくなる周波数であるため、空洞共振器はマイクロ波周波数以上でのみ使用されます。マイクロ波周波数では波長が十分に短いため、空洞のサイズを小さくしても問題ありません。
空洞共振器は導電性の壁の抵抗が低いため、Q値が非常に高く、共振周波数付近の周波数範囲である帯域幅が非常に狭くなります。そのため、狭帯域通過フィルタとして機能します。空洞共振器は、マイクロ波発振器の周波数決定素子として広く用いられています。共振周波数は、空洞の壁の一方を内側または外側に移動させてサイズを変えることで調整できます。
空洞マグネトロンは、真空管の中央にフィラメントが配置された、ローブ状の円形空洞共振器です。永久磁石によって垂直方向の磁場が印加されます。この磁場により、（比較的）正に帯電したチャンバーの外側に引き寄せられた電子は、この陽極に直接向かうのではなく、円形の経路を螺旋状に外側に向かって移動します。チャンバーの縁には円筒形の空洞が間隔を置いて配置されています。これらの空洞は長手方向に開いているため、共通の空洞空間と繋がっています。電子がこれらの開口部を通過すると、空洞内に共振高周波電波が発生し、その結果、電子が束になって集まります。この電波の一部は、導波管（通常は長方形断面の金属管）に接続された短いアンテナによって取り出されます。導波管は、取り出された高周波エネルギーを負荷に導きます。負荷は、電子レンジの調理室であったり、レーダーの場合は高利得アンテナであったりします。
クライストロンは、少なくとも2つの開口部を持つ空洞共振器を含むビーム管です。荷電粒子のビームは、共振器の開口部（多くの場合、波長可変の波反射格子）を順に通過します。共振器を通過したビームを捕捉するために、コレクタ電極が設けられています。最初の共振器は、通過する粒子を束ねます。束ねられた粒子は、電場のない領域を移動し、そこでさらに束ねられます。その後、束ねられた粒子は2番目の共振器に入り、そのエネルギーを放出して共振器を振動させます。クライストロンは、構造の構成によって特定の波長に調整された空洞と連携して動作する粒子加速器です。
反射型クライストロンは、単一の開口部を持つ空洞共振器のみを使用するクライストロンであり、荷電粒子ビームはまず一方向にこの共振器を通過します。共振器を通過したビームを反発（または方向転換）させるための反発電極が設けられており、ビームは共振器内で発生した振動を強めるために、適切な位相で反対方向に共振器へと戻されます。
加速器システムのビームラインには、高周波（RF）放射用の空洞共振器となる特定のセクションがあります。加速される（荷電）粒子は、マイクロ波の電場によってエネルギーが伝達され、運動エネルギーが増加して加速されるような形でこれらの空洞を通過します。いくつかの大型加速器施設では、金属（銅）製の空洞に比べて性能を向上させるために、超伝導ニオブ製の空洞が採用されています。
ループギャップ共振器（LGR）は、導管の長さに沿って狭いスリットを刻むことによって作製されます。このスリットは実効容量を持ち、共振器の内径は実効インダクタンスを持ちます。そのため、LGRはRLC回路としてモデル化でき、共振周波数は通常200MHzから2GHzの範囲にあります。放射損失がない場合、LGRの実効抵抗は、共振器の作製に使用される導体の抵抗率と電磁表皮深さによって決まります。
LGRの重要な利点の1つは、共振周波数において、その寸法が電磁場の自由空間波長に比べて小さいことです。そのため、LGRを用いることで、キャビティ共振器では大きすぎて実用的ではない比較的低い周波数で動作する、小型で高Q値の共振器を構築することが可能です。
誘電率の大きい材料が、誘電率がはるかに低い材料に囲まれている場合、この誘電率の急激な変化により電磁波が閉じ込められ、空洞共振器と同様に機能する共振器が形成される。[ 1 ]
伝送線路は、無線周波数やマイクロ波周波数などの広帯域電磁波の伝送を可能にする構造物です。伝送線路内のインピーダンスの急激な変化（開放または短絡など）は、伝送信号の反射を引き起こします。伝送線路上のこのような反射器が 2 つあると、それらの間に定在波が発生し、1 次元共振器として機能します。共振周波数は、それらの距離と伝送線路の実効誘電率によって決まります。[ 1 ] 一般的な形式は共振スタブで、短絡または開放で終端された伝送線路の長さで、主伝送線路と直列または並列に接続されます。
平面伝送線路共振器は、コプレーナ伝送線路、ストリップライン伝送線路、マイクロストリップ伝送線路によく用いられます。このような平面伝送線路共振器は非常に小型で、マイクロ波回路で広く使用されている素子です。極低温固体研究において、超伝導伝送線路共振器は固体分光法[ 2 ]や量子情報科学[ 3 ] [ 4 ]に貢献しています。
レーザーでは、光は通常2枚以上の鏡で構成される共振器内で増幅されます。したがって、光共振器（または共振器）とは、電磁波（すなわち光）を反射する壁を持つ空洞のことです。これにより、損失の少ない定在波モードが存在します。
電子回路では、機械共振器を用いて正確な周波数の信号を生成する。例えば、一般的に水晶で作られる圧電共振器は、周波数基準として用いられる。一般的な設計では、高周波用途では長方形の板状の水晶に電極を取り付け、低周波用途では音叉状の水晶に電極を取り付ける。水晶の高い寸法安定性と低い温度係数により、共振周波数を一定に保つことができる。さらに、水晶の圧電特性により、機械的な振動が振動電圧に変換され、これが取り付けられた電極によって検出される。これらの水晶発振器は、クォーツ時計や腕時計、コンピュータを動作させるクロック信号の生成、無線送信機からの出力信号の安定化などに用いられる。
機械共振器は、他の媒体に定在波を誘起するためにも使用できます。たとえば、カンチレバービームに基底励振を加えることで、多自由度システムを作成できます。この場合、 定在波はビームに発生します。[ 5 ]この種のシステムは、ファイバーの共振の周波数または位相の変化を追跡するためのセンサー として使用できます。1つの応用例は、寸法計測のための測定装置です。[ 6 ]
音響共鳴器の最も身近な例は楽器です。すべての楽器には共鳴器があります。木琴の木製の棒、ドラムのヘッド、弦楽器の弦、オルガンのパイプのように、音を直接発生させるものもあります。ギターやバイオリンの共鳴箱のように、特定の周波数を強調することで音を変化させるものもあります。 オルガンのパイプ、木管楽器の本体、弦楽器の共鳴箱は、音響空洞共鳴器の例です。
自動車の排気システムにおける排気管は、マフラーと連携して音波を「互いに打ち消し合う」ことで騒音を低減する音響共鳴器として設計されています。[ 7 ]「排気音」は一部の車両所有者にとって重要な要素であるため、純正メーカーとアフターマーケットサプライヤーの両方が共鳴器を使用して音を増強しています。パフォーマンス重視の「チューニング排気」システムでは、排気管の共鳴を利用して、特定のエンジン回転数または回転数範囲で燃焼室から燃焼生成物を除去することもできます。[ 8 ]
多くの鍵盤打楽器では、各音の中心の下に管があり、これが音響共鳴器となっています。管の長さは音の高さによって異なり、高い音ほど共鳴器は短くなります。管の上端は開いており、下端は閉じているため、音を叩くと空気の柱が共鳴し、音に深みと音量が加わります。弦楽器では、楽器本体が共鳴器の役割を果たします。ビブラフォンのトレモロ効果は、共鳴器を開閉する機構によって実現されます。
ブルーグラス・バンジョーなどの弦楽器にも共鳴器が付いている場合があります。多くの5弦バンジョーは共鳴器が取り外し可能なので、演奏者は共鳴器を付けてブルーグラス・スタイルで演奏することも、共鳴器を外してフォーク・ミュージック・スタイルで演奏することもできます。 「共鳴器」という言葉は、単独で使われる場合、共鳴ギターを指すこともあります。
ナルシソ・イェペスによって発明された現代の10弦ギターは、伝統的なクラシックギターに4つの共鳴弦レゾネーターを追加したものです。これらのレゾネーターを非常に特定の方法（C、B♭、A♭、G♭）で調律し、最も強い倍音（弦の基本音のオクターブと5度に対応）を利用することで、ギターの低音弦は、半音階オクターブの12の音のいずれとも等しく共鳴するようになりました。ギターレゾネーターは、電磁場によってギター弦の倍音を駆動する装置です。この共鳴効果はフィードバックループによって発生し、基本音、オクターブ、5度、3度を無限に持続させるために利用されます。
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