Resonantie (natuurkunde)

Zie ook : resonantie (doorverwijzing), voor andere betekenissen van "resonantie".

---

Resonantie (Latijn: resonare, weerklinken) is een natuurkundig verschijnsel dat voorkomt bij trillingen. Een trillend voorwerp zal bij een ander voorwerp resonantie teweegbrengen, als dit voorwerp met de trillingen gaat meetrillen, sterker dan men op grond van de aanstoting zou verwachten (de trilling vindt weerklank). Resonantie kan optreden bij vrijwel elk bestaand object. Bij objecten met een kleine interne demping, bijvoorbeeld een object van metaal of glas, is resonantie sterker dan bij een object met een grote interne demping (zoals hout). Het kunnen objecten betreffen die tegen elkaar aan staan of vlak bij elkaar.

Resonantie treedt op bij bepaalde frequenties, namelijk bij de eigenfrequenties of natuurlijke frequenties. Dit zijn frequenties waarbij in het object een staande golf kan optreden. Het zijn ook de frequenties die spontaan ontstaan als het object door een korte tik wordt aangeslagen. Als een kerkklok bijvoorbeeld wordt aangeslagen door de klepel, gaat hij trillen in zijn eigenfrequenties, en juist ook bij die frequenties veel geluid uitstralen. Door de aanslag gaat de klok bij alle frequenties trillen, maar alleen de eigenfrequenties blijven lang hoorbaar, de trillingen bij de andere frequenties sterven snel uit.

Resonantie ontstaat als een systeem wordt aangestoten met een frequentie die gelijk is aan één van de eigenfrequentie. Zelfs als de aanstoting zeer gering is, zal het object sterk gaan trillen. Buiten de resonantie frequenties zal het systeem slechts weinig trillen. Tijdens resonantie is de amplitude van de trilling veel groter dan buiten de resonantie.

Bij een resonantie treedt er periodiek energie uitwisseling op. Bij een massa-veer systeem wordt telkens de potentiële energie in de veer als deze uit zijn ruststand is, omgezet in kinetische energie van de massa. Tijdens elke periode van een trilling zijn er twee maxima in kinetische energie en twee maxima in potentiële energie (met wisselend teken voor uitwijking en snelheid). Voor de elektrische resonantiekring treedt er uitwisseling van elektrische veldenergie (in de condensator) en magnetische veldenergie (in de spoel) op.

Massa en stijfheid

De resonantie van een natuurkundig systeem, zoals een snaar of een metalen plaat wordt bepaald door de massa en door de stijfheid. Als de massa groter wordt gaat over het algemeen de resonantiefrequentie omlaag. Als de stijfheid groter wordt gaat de resonantiefrequentie omhoog. Mechanische resonanties tussen 20 Hz en 20.000 Hz zijn hoorbaar voor het menselijk oor.

Resonantie treedt ook op in holtes gevuld met lucht of een vloeistof, en in elektronische circuits. In elektronische systemen kunnen zeer hoge resonantiefrequenties optreden (megahertz of gigahertz).

Op grotere schaal treden resonanties op in de zee, in de atmosfeer, bij de ronddraaiende bewegingen van de planeten, en in de aarde zelf. De frequenties van deze resonanties zijn over het algemeen veel lager. In plaats van over de frequentie wordt dan meestal gesproken over de trillingsperiode, die uren, dagen of maanden kan bedragen.

Eendimensionaal massa-veersysteem

Het eenvoudigste model waarin resonantie optreedt (dat in werkelijkheid echter niet bestaat) is een puntmassa die bevestigd is aan een massaloze en dempingsloze veer die slechts in één richting kan bewegen. De veer zit aan de andere kant vast aan de aarde (die oneindig vast wordt verondersteld). De resonantiefrequentie van dit systeem is gelijk aan:

<math>\omega = \sqrt{ \frac{k}{m} }</math>

Hierin is:

ω de resonantiefrequentie in radialen per seconde. ω is gelijk aan 2 π f, waarin f de resonantiefrequentie in hertz is.

k de veerconstante in N/m (of kg/s²)

m de massa in kg

Als dit eenvoudige systeem gedurende een bepaalde tijd wordt aangestoten met een frequentie die gelijk is aan de resonantiefrequentie, gaat het systeem steeds harder trillen. Doordat er geen demping is, gaat er geen bewegingsenergie verloren, en de aanstotingsenergie wordt volledig omgezet in trillingsenergie van de massa op de veer. In een meer realistisch systeem is er wel een demping, waardoor er wel energie in warmte wordt omgezet. De massa gaat dan niet steeds harder trillen, maar er ontstaat een evenwicht. Als het systeem wordt aangestoten bij een frequentie lager dan de resonantie, gebeurt er weinig. De massa gaat met dezelfde fase op en neer als de aanstoting. Als het systeem wordt aangestoten bij een frequentie hoger dan de resonantie, gaat de massa in tegenfase bewegen, maar de beweging is dan zeer gering, omdat de massa door de veer geïsoleerd wordt van de aanstotingsfrequentie.

Elektrische resonantie

In elektronische schakelingen kan resonantie worden bereikt door een spoel en een condensator met elkaar te verbinden (een LC-kring). Als zo'n LC-kring wordt aangestoten, bijvoorbeeld door de condensator op te laden, ontstaat een oscillatie met frequentie f₀, waarbij periodiek energie van de condensator naar de spoel gaat en omgekeerd.

De resonantiehoekfrequentie ω₀ (in radialen per seconde) wordt gegeven door:

<math>\omega_0 = \frac{1} {\sqrt {L.C}}</math>

waarin

L de zelfinductie van de spoel in Henry, en

C de capaciteit van de condensator in Farad

De resonantiefrequentie f₀ in hertz wordt gevonden uit:

<math>\ f_0 = \frac {\omega_0} { 2 \pi} </math>

De karakteristieke impedantie Z ₀ (eenheid Ω) geeft het quotiënt van amplitude van spanning en stroom in de LC-kring op de resonantiefrequentie, en wordt berekend uit:

<math> Z_0 = \sqrt { \frac {L} {C}}</math>

De kwaliteitsfactor Q van een LC-kring geeft de mate van demping van de kring aan. Een grote waarde van Q betekent weinig demping. De demping, die in werkelijkheid wordt veroorzaakt door verliezen in spoel en condensator, kan in het geval van een parallelkring voorgesteld worden door een weerstand, die parallel aan condensator en spoel geschakeld is. Men vindt Q uit:

<math> Q = \frac {R} {Z_0} </math>

Opslingering en fasedraaiing bij aansturing van een LC kring

Er kunnen ook opslingeringen ontstaan met de fasedraaiing, door een sinus spanningsbron (U_in) met variabele frequentie een seriekring, bestaande uit een in serie geschakelde weerstand R, zelfinductie L en capaciteit C te voeden.

Toepassingen

Elektrische resonantiecircuits vinden vooral toepassing in filters, bijvoorbeeld in radio en televisieontvangers, en in oscillators.

Bij filters resulteert een grote Q in een kleine bandbreedte, bij elektrische netwerken kan een hoge Q in sterke opslingering van een extern aangeboden spanning of stroom resulteren, als deze een frequentie heeft die dicht genoeg bij de resonantiefrequentie ligt.

Ook kunnen zogenaamde parasitaire (ongewenste) resonanties optreden in elektronische circuits, die snel schakelen, zoals digitale circuits of schakelende voedingen. Zulke resonanties kunnen ontstaan omdat bijvoorbeeld printsporen op een Printed Circuit Board een zekere zelfinductie hebben en elektronische onderdelen een zekere ingangscapaciteit. Er zijn dan soms maatregelen nodig om de goede werking van de schakeling te kunnen garanderen, zoals aanbrengen van extra dempers (snubbers) of het maken van een nieuwe lay-out van een Printed Circuit Board.

Verder kunnen resonanties optreden in zogenaamde transmissielijnen als deze niet karakteristiek zijn afgesloten. Dat soort resonanties is sterk verwant met de resonantie in snaren, zoals hierna beschreven.

Tweedimensionaal systeem

Een tweedimensionaal systeem wordt besproken aan de hand van een eenvoudig voorbeeld, de snaar. Een snaar die aan twee kanten wordt ingeklemd heeft meerdere resonantiefrequenties. De laagste frequentie (de grondtoon) komt overeen met een golflengte die gelijk is aan twee maal de lengte van de snaar. Als de snaar bij deze frequentie wordt aangeslagen, dan treedt een staande golf op. De snaar heeft echter in theorie oneindig veel resonantiefrequenties, met een golflengte die telkens moet passen op de lengte van de snaar. De eerste harmonische boven de grondtoon heeft een resonantie waarbij de golflengte gelijk is aan de lengte van de snaar.

In het algemeen geldt dat er een staande golf of resonantie optreedt als de lengte van de snaar, gedeeld door de halve golflengte, een geheel getal is. Bij de grondtoon is dit getal gelijk aan 1, bij de eerste harmonische gelijk aan 2, etc.

Als een snaar wordt aangestoten, bijvoorbeeld door te tokkelen, gaat zij trillen in al haar resonantiefrequenties tegelijk. De grondtoon klinkt over het algemeen het sterkste.

De resonantiefreqenties van de snaar zijn niet alleen afhankelijk van de massa en de buigstijfheid van de snaar, maar vooral van de spanning in de snaar. Daarom kan een snaar van een muziekinstrument worden gestemd door de spanning te veranderen. Hetzelfde geldt voor de spanning in een trommelvel, bij een pauk bijvoorbeeld.

Een trillend vlak, zoals een vloeistofoppervlak of een paneel van een muziekinstrument kan ook op verschillende manieren in resonantie raken.     Zie ook: Zie ook : Chladni-patronen

Andere meerdimensionale systemen

Andere meerdimensionale systemen zijn bijvoorbeeld een vat met lucht, zoals een fles (zie ook Helmholtz resonator). Als de lucht wordt aangestoten (bijvoorbeeld door over de fles te blazen) gaat de lucht in de fles trillen. Door de resonantie wordt deze trilling bij bepaalde frequenties versterkt (er wordt energie opgenomen uit de stromende lucht). Er wordt dan een duidelijk geluid hoorbaar bij de resonanties die in de lucht van de fles optreden.

Dit type resonantie wordt toegepast bij een resonator van een xylofoon of de klankkast van een viool of ander strijkinstrument. Zonder deze klankkast en de optredende resonanties zou de klank van de snaar zeer zacht zijn en vrijwel niet hoorbaar. In een piano werkt de achterwand, waarop de snaren zijn bevestigd als klankbord. Door de grootte en het gewicht van dit bord treden zoveel resonanties op dat vrijwel bij elke snaar versterking van het geluid optreedt.

Nagalm

Het verschijnsel resonantie veroorzaakt ook dat er nagalm optreedt. Als de aanstoting stopt, blijft het resonerende systeem nog doortrillen. Hoe kleiner de demping is, des te groter is de trilling van het systeem, en des te langer is dan ook de nagalmtijd.

Schommelen

Een alledaags voorbeeld van resonantie is: schommelen. Als iemand op een schommel op willekeurige momenten een zetje geeft, dan gebeurt er niet veel. Maar als de schommelaar telkens precies op het juiste moment een klein zetje geeft, kan hij hoog zwaaien. Dat komt doordat de schommel de energie van elke zet behoudt (behoudens een klein verlies door wrijving) en bij de juiste timing de energie van elke zet steeds bij de beschikbare energie wordt opgeteld. De totale energie (die bestaat uit de som van de bewegingsenergie en de potentiële energie in het zwaartekrachtveld) neemt zo voortdurend toe.

Zie ook

• 3rd bridge-gitaar
• boventoon
• formant
• flageolet
• galm
• resonantiesnaar
• snaarresonantie
• timbre
• ultrasound

Externe links

• simulatie van een massa-veersysteem
• simulatie van een massa-veersysteem met demping en mogelijkheid externe aansturing (Engels)