共鳴装置

共振器は、共振または共鳴動作を示すデバイスまたはシステムです。つまり、共振周波数と呼ばれる特定の周波数では、他の周波数よりも大きな振幅で自然に振動します。共振器の振動は、電磁的または機械的（音響を含む）のいずれかです。共振器は、特定の周波数の波を生成するか、信号から特定の周波数を選択するために使用されます。楽器は、特定のトーンの音波を生成する音響共振器を使用します。別の例としては、無線送信機やクオーツ時計などの電子機器で非常に正確な周波数の振動を生成するために 使用される水晶があります。

空洞共振器は、装置内部の中空空間に波が存在する共振器です。電子機器や無線では、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、試験装置で周波数を制御するために使用されます。1 つの開口部を持つ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します。バネ上の質量、振り子、バランスホイール、LC 同調回路など、自由度が 1 つのシステムには、1 つの共振周波数があります。結合振り子や共振変圧器など、自由度が 2 つのシステムには、2 つの共振周波数があります。結合したN個の原子で構成された結晶格子には、 N 個の共振周波数があります。結合した調和振動子の数が増えると、1 つの振動子から次の振動子にエネルギーを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介して、1 つの振動子から次の振動子へと波のように伝わり始めます。

共振器という用語は、振動がほぼ一定の速度で波として伝わり、共振器の両側で前後に跳ね返る均質な物体を指すのに最もよく使用されます。波が流れる共振器の材料は、何百万もの結合した可動部品 (原子など) でできていると考えることができます。したがって、共振周波数は数百万になりますが、実際の共振器で使用できるのはそのうちのわずかです。反対方向に移動する波は互いに干渉し、共振周波数で互いに強め合って、共振器内に定在波のパターンを形成します。両側の距離が の場合、往復の長さは です。共振を起こすには、往復後の正弦波の位相が最初の位相と等しく、波が自己強め合う必要があります。共振器で共振が発生する条件は、往復距離 が波の 波長の整数倍に等しいことです。${\displaystyle d\,}$${\displaystyle 2d\,}$${\displaystyle 2d\,}$${\displaystyle \lambda \,}$

${\displaystyle 2d=N\lambda ,\qquad \qquad N\in \{1,2,3,\dots \}}$

波の速度が の場合、周波数は なので、共振周波数は次のようになります。 ${\displaystyle c\,}$${\displaystyle f=c/\lambda \,}$

${\displaystyle f={\frac {Nc}{2d}}\qquad \qquad N\in \{1,2,3,\dots \}}$

したがって、共振器の共振周波数は、通常モードと呼ばれ、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。上記の分析では、共振器内の媒体が均質であるため、波は一定速度で移動し、共振器の形状は直線であると想定しています。共振器が不均質であるか、円形のドラムヘッドや円筒形のマイクロ波空洞のように直線でない形状である場合、共振周波数は基本周波数の等間隔の倍数で発生しない可能性があります。その場合、それらは高調波ではなく倍音と呼ばれます。単一の共振器に、さまざまな振動モードに対応するこのような一連の共振周波数が複数存在する場合があります。

個別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。特定の抵抗部品を介して、またはインダクタ巻線の抵抗により、抵抗を含めることで振動が制限されます。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。

分布定数共振器には、個別の集中コンデンサ、インダクタ、または抵抗器に分離できない静電容量、インダクタンス、および抵抗があります。フィルタリングでよく使用されるこの例としては、ヘリカル共振器があります。

コイル状の電線で構成されるインダクタは、コイル間の寄生容量により、特定の周波数で自己共振します。これは多くの場合、RF 回路で寄生振動を引き起こす可能性のある望ましくない効果です。インダクタの自己共振は、テスラ コイルなどのいくつかの回路で使用されています。

空洞共振器は、金属箱や金属ブロック内の空洞などの中空の閉じた導体で、空洞の壁の間を電磁波（電波）が反射します。空洞の共振周波数の 1 つで電波源を適用すると、反対方向に移動する波が定在波を形成し、空洞は電磁エネルギーを蓄えます。

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) に等しい周波数であるため、空洞共振器は、波長が十分に短いため空洞のサイズを小さくできるマイクロ波周波数以上でのみ使用されます。

空洞共振器は、導電性の壁の抵抗が低いため、Q 係数が非常に高く、つまり帯域幅、つまり共振する共振周波数の周囲の周波数範囲が非常に狭いです。したがって、狭帯域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要素として広く使用されています。共振周波数は、空洞の壁の 1 つを内側または外側に動かしてサイズを変更することで調整できます。

キャビティマグネトロンは、真空の円形のローブ型キャビティ共振器の中心にフィラメントを備えた真空管です。永久磁石によって垂直の磁場がかけられます。磁場により、チャンバーの (比較的) 正の外側部分に引き寄せられた電子は、この陽極に直接移動するのではなく、円形の経路を外側に向かって螺旋状に動きます。チャンバーの縁の周りには、円筒形のキャビティが間隔を置いて配置されています。キャビティは長さに沿って開いているため、共通のキャビティ スペースに接続されています。電子がこれらの開口部を通過すると、キャビティ内に共鳴する高周波無線フィールドが誘導され、その結果、電子がグループに集まります。このフィールドの一部は、導波管 (通常は長方形の断面を持つ金属管) に接続された短いアンテナで抽出されます。導波管は、抽出された RF エネルギーを負荷 (電子レンジの調理室やレーダーの場合は高利得アンテナなど) に向けます。

クライストロン（管導波管）は、少なくとも 2 つの開口部のある空洞共振器を含むビーム管です。荷電粒子のビームは、多くの場合、調整可能な波反射グリッドである共振器の開口部を次々に通過します。コレクタ電極は、共振器を通過した後にビームを遮断するために用意されています。最初の共振器は、通過する粒子のバンチングを引き起こします。バンチングされた粒子は、フィールドのない領域を移動し、そこでさらにバンチングが起こり、次にバンチングされた粒子は 2 番目の共振器に入り、エネルギーを放出して共振器を振動させます。これは、構造の構成によって特別に調整された空洞と連動して動作する 粒子加速器です。

反射クライストロンは、荷電粒子ビームが最初に一方向に通過する単一の開口空洞共振器のみを使用するクライストロンです。共振器を通過したビームを反発 (または方向転換) して、共振器内で設定された振動を強化するために、適切な位相で共振器を反対方向に再び通過させる反発電極が設けられています。

加速器システムのビームラインには、無線周波数(RF) 放射用の空洞共振器である特定のセクションがあります。加速される (荷電された) 粒子は、マイクロ波電界によってエネルギーが粒子に伝達され、運動エネルギーが増加して加速されるように、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) 空洞に比べて性能が向上する 超伝導ニオブ空洞を採用しています。

ループギャップ共振器( LGR ) は、導体チューブの長さに沿って狭いスリットを切ることによって作られます。スリットには実効容量があり、共振器のボアには実効インダクタンスがあります。したがって、LGR は RLC 回路としてモデル化でき、共振周波数は通常 200 MHz から 2 GHz の間です。放射損失がない場合、LGR の実効抵抗は、共振器の作成に使用される導体の抵抗率と電磁スキン デプス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。したがって、LGR を使用すると、空洞共振器では実現不可能なほど大きい比較的低い周波数で動作する、コンパクトで Q 値の高い共振器を構築できます。

誘電率の大きな材料が誘電率のはるかに低い材料に囲まれている場合、誘電率の急激な変化によって電磁波が閉じ込められ、空洞共振器と同様に動作する共振器が形成されます。^[1]

伝送線路は、例えば無線やマイクロ波の周波数で、電磁波の広帯域伝送を可能にする構造である。伝送線路のインピーダンスの急激な変化（例えば開放または短絡）は、伝送された信号の反射を引き起こす。伝送線路上のそのような反射器２つは、それらの間に定在波を引き起こし、それによって１次元共振器として機能し、共振周波数はそれらの距離と伝送線路の有効誘電率によって決定される。^[1] 一般的な形式は共振スタブであり、これは短絡または開放回路で終端された伝送線路の長さであり、主伝送線路と直列または並列に接続される。

平面伝送線路共振器は、コプレーナ、ストリップライン、マイクロストリップ伝送線路によく使用されます。このような平面伝送線路共振器は非常にコンパクトなサイズで、マイクロ波回路で広く使用されている要素です。極低温固体研究では、超伝導伝送線路共振器が固体分光法^[2]や量子情報科学に貢献しています。^{[3] [4]}

レーザーでは、光は通常 2 つ以上のミラーで構成される空洞共振器で増幅されます。したがって、光空洞(共振器とも呼ばれる) は、電磁波(つまり光)を反射する壁を持つ空洞です。これにより、損失がほとんどない定在波モードが存在できます。

機械共振器は、電子回路で正確な周波数の信号を生成するために使用されます。たとえば、一般的に水晶で作られる圧電共振器は、周波数基準として使用されます。一般的な設計は、高周波用途では長方形の板の形、低周波用途では音叉の形をした水晶片に取り付けられた電極で構成されます。水晶は寸法安定性が高く温度係数が低いため、共振周波数を一定に保つことができます。さらに、水晶の圧電特性により、機械的振動が振動電圧に変換され、取り付けられた電極で拾われます。これらの水晶発振器は、クオーツ時計や腕時計で使用され、コンピューターを作動させるクロック信号を生成したり、無線送信機からの出力信号を安定させたりします。

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、片持ち梁にベース励起を加えることで、多自由度システムを作成できます。この場合、 定在波は梁に印加されます。^{[5]このタイプのシステムは、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つの用途は、寸法計測用の測定装置です。^[6]

音響共振器の最もよく知られた例は楽器です。すべての楽器には共振器があります。木琴の木の棒、太鼓の打面、弦楽器の弦、オルガンのパイプなど、直接音を出す楽器もあります。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して音を変える楽器もあります。 オルガンのパイプ、木管楽器の本体、弦楽器の共鳴箱は、音響空洞共振器の例です。

自動車の排気システムの排気管は、マフラーと連動して音波を「打ち消し合う」ことで騒音を減らす音響共鳴器として設計されている。^[7]「排気音」は一部の車両所有者にとって重要な特徴であるため、元のメーカーとアフターマーケットの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る。性能を重視して設計された「調整排気」システムでは、排気管の共鳴を利用して、特定のエンジン速度または速度範囲で燃焼室から燃焼生成物を除去することもできる。^[8]

多くの鍵盤打楽器では、各音の中心の下に管があり、これが音響空洞共鳴器です。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。管は上端が開いており、下端が閉じているため、音を打つと共鳴する空気の柱が形成されます。これにより、音に深みと音量が加わります。弦楽器では、楽器本体が共鳴器です。ビブラフォンのトレモロ効果は、共鳴器を開閉するメカニズム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。5 弦バンジョーの多くには取り外し可能な共鳴器が付いているため、演奏者はブルーグラススタイルでは共鳴器を付けて楽器を使用したり、フォーク ミュージックスタイルでは共鳴器を付けずに楽器を使用したりすることができます。単独で使用される「共鳴器」という用語は、共鳴器ギターを指す場合もあります。

ナルシソ・イエペスが発明した現代の10 弦ギターは、伝統的なクラシックギターに 4 つの共鳴弦共鳴装置を追加したものです。これらの共鳴装置を非常に特殊な方法 (C、B♭、A♭、G♭) で調律し、最も強い部分音 (弦の基本音のオクターブと 5 度に相当) を利用することで、ギターのベース弦は半音階の 12 の音のいずれとも同じように共鳴するようになりました。ギター共鳴装置は、電磁場によってギターの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使用されます。

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