Rezonanța

Frecvența naturală este frecvența la care un sistem tinde să oscileze în absența oricărei forțe de antrenare sau amortizare.

Vibrațiile libere ale unui corp elastic sunt denumite vibrații naturale și apar la o frecvență numită frecvența naturală. Vibrațiile naturale sunt diferite de vibrații forțate care se produc la frecvența forței aplicate (frecvența forțată). Dacă frecvența forței este egală cu frecvența naturală, amplitudinea vibrațiilor crește de multe ori. Această fenomenă este cunoscută sub denumirea de rezonanță.

 (Creșterea amplitudinii, pe măsură ce amortizarea scade și frecventa se apropie de frecvența rezonantă a oscilatorului armonic simplu amortizat.)

În fizică, rezonanța este un fenomen în care un sistem de vibrații sau o forță externă determină un alt sistem să oscileze cu o amplitudine mai mare la frecvențe specifice.

Frecvențele la care amplitudinea răspunsului este un maxim relativ sunt cunoscute ca frecvențe rezonante ale sistemului sau frecvențe de rezonanță. La frecvențe rezonante, forțele motrice periodice mici au capacitatea de a produce oscilații mari de amplitudine, datorită stocării energiei vibraționale.

Rezonanța apare atunci când un sistem este capabil să stocheze și să transfere cu ușurință energia între două sau mai multe moduri de stocare diferite (cum ar fi energia cinetică și energia potențială în cazul unui pendul simplu). Cu toate acestea, există unele pierderi de la ciclu la ciclu, numite amortizări. Atunci când amortizarea este mică, frecvența rezonantă este aproximativ egală cu frecvența naturală a sistemului, care este o frecvență a vibrațiilor forțate. Unele sisteme au frecvențe multiple, distincte, rezonante.

Fenomenul de rezonanță are loc cu toate tipurile de vibrații sau unde: există rezonanță mecanică, rezonanță acustică, rezonanță electromagnetică, rezonanță magnetică nucleară (NMR), rezonanță electronică de spin (ESR) și rezonanță a funcțiilor de undă cuantică. Sistemele de rezonanță pot fi folosite pentru a genera vibrații cu o anumită frecvență (de exemplu, instrumente muzicale) sau pentru a selecta frecvențe specifice dintr-o vibrație complexă care conține multe frecvențe (de exemplu, filtre).

Termenul de rezonanță (din latină resonantia, „echo”, din resonare, „răsuna”) provine din doemniul acusticii, observat în mod special în instrumente muzicale, de exemplu, când corzile au început să vibreze și să producă sunet fără excitarea directă de către interpret.

Numele notei muzicale „Re” în scala solfiegiului poate proveni din cuvântul resonare, așa cum apare într-un imn religios pentru Ioan Botezătorul în limba latină. Acest lucru s-a datorat numirii de note muzicale de către savantul medieval italian Guido din Arezzo.

Rezonanță acustică

Rezonanța acustică este un fenomen în care sistemele acustice amplifică unde sonore a căror frecvență se potrivește cu una din frecvențele sale naturale de vibrație (frecvențele sale de rezonanță).

Termenul „rezonanță acustică” este uneori folosit pentru a reduce domeniul rezonanței mecanice la frecvența auzului uman, dar deoarece acustica este definită în termeni generali în ceea ce privește undele vibraționale în materie, rezonanța acustică poate apărea la frecvențe în afara ariei de auz umană.

Un obiect rezonant acustic are de obicei mai mult de o frecvență de rezonanță, în special la armonici cu cea mai puternică rezonanță. Acesta va vibra cu ușurință la acele frecvențe și va vibra mai puțin la alte frecvențe. Acesta va „alege” frecvența de rezonanță de la o excitație complexă, cum ar fi un impuls sau o excitație de zgomot de bandă largă. În fapt, acesta elimină toate frecvențele, altele decât rezonanța sa.

Rezonanța acustică este un aspect important pentru constructorii de instrumente, deoarece majoritatea instrumentelor acustice folosesc rezonatori, cum ar fi corzile și corpul unei viori, lungimea tubului într-un flaut și forma unei membrane de tobe. Rezonanța acustică este, de asemenea, importantă pentru audiție. De exemplu, rezonanța unui element structural rigid, numită membrana bazilară în cohleea urechii interioare, permite celulelor de păr de pe membrană să detecteze sunetul. (Pentru mamifere, membrana are rezonanțe conice pe lungime, astfel încât frecvențele înalte sunt concentrate pe un capăt și frecvențele joase pe celălalt.)

Ca și rezonanța mecanică, rezonanța acustică poate duce la defectarea catastrofală a vibratorului. Exemplul clasic al acestui lucru este spargerea unui pahar de vin cu sunet la frecvența precis rezonantă a sticlei; deși acest lucru este dificil în practică.

Tonuri false

Unele instrumente conice mari, cum ar fi tubele, au o rezonanță puternică și utilă, care nu se află în binecunoscuta serie armonică. De exemplu, cele mai multe tube mari  B♭ au o rezonanță puternică la nivelul scăzut  E♭ (E♭1, 39 Hz), care se află între armonica fundamentală și cea de-a doua (o octavă mai mare decât cea fundamentală). Aceste rezonante alternative sunt adesea cunoscute ca tonuri false sau tonuri privilegiate.