Rezonans Nedir Kısaca

Rezonans mekanik yapılarda oluşabilen ve belirli bir titreşim frekansına karşı hassasiyet olarak tanımlanabilen bir durumdur. Bir elektrik devresinde; yalnızca birer kondansatör ile bobinden oluşan devreler rezonans devresi olarak adlandırılır.

Bilindiği üzere akım harmoniği açısından önemli olumsuz etkilerden biri de rezonansın etkisidir. İç direncin (endüktif reaktansın) kapasitif reaktansa eşit olduğu frekans, rezonansın frekansı olarak tanımlanır. Rezonansın tüm mekanik yapılarda gözlemlendiği bilinir. Belirli bir titreşim frekansına duyarlılık olarak tanımlanabilir. Elektrik motorları, pompalar, türbinler gibi makineler için, makine çalışmasından kaynaklanan küçük titreşim kuvvetleri mekanik rezonans ile güçlendirildiğinde sorun haline gelir. 

Rezonansın gerçekleşmesi sonucunda ortaya çıkacak titreşim seviyeleri genel olarak ufak titreşimlerle sınırlı kalsa da mekaniğin durumuna göre bu noktada değişiklikler gözlenebilir. Rezonansın en yaygın örneği, bir makineyi destekleyen yapının, makinenin dönüş hızında veya yakınında rezonansa girmesidir. Kalan dengesizlik ve yanlış hizalamadan kaynaklanan hafif titreşim kuvvetleri bile rezonansın temel yapısını harekete geçirerek şiddetli titreşime neden olur. Makine bileşenleri de rezonanslı olabilir. 

Rezonans Etkisi Türleri

Rezonansın etkileri pozitif ve negatif olmak üzere iki farklı başlıkta incelenir. 

• Rezonansın pozitif etkisi, gruplar delokalizasyon işlemi ile elektronları diğer moleküllere bıraktığında ortaya çıkar. Gruplar genellikle +R veya +M ile gösterilir. Bu süreçte moleküler elektron yoğunluğu artar. Örneğin- -OH, -SH, -OR,-SR. 
• Rezonansın negatif etkisi, gruplar elektronları delokalizasyon işlemi ile diğer moleküllerden çektiğinde ortaya çıkar. Gruplar genellikle -R veya -M ile gösterilir. Bu süreçte moleküler elektron yoğunluğunun azaldığı söylenir. Örneğin- -NO2, C=O, -COOH, -C≡N.

Rezonansın Sistem Mekaniğine Etkileri

Rezonansın başta kondansatör olmak üzere elektrik devrelerine birçok etkisi bulunur. Rezonansın önemli etkileri şu şekilde listelenebilir:

• Kapasitif ve endüktif sistem elemanlarına ait gerilimler yükselir. Bunun sonucunda endüktif ve kapasitif sistem elemanlarının aşırı akım çektiği gözlemlenir. 
• Devre elemanlarında izolasyon açısından zorlanmalar oluşur. Kondansatörlerin dielektrik materyallerinde delinmelerin yanı sıra aşırı ısınmadan kaynaklı olacak kalıcı hasarlar meydana gelebilir. 
• Akım harmoniği gerilimlerinin yükselmesi sonucunda toplamdaki akım harmoniği bozunumun artması ile birlikte enerji kalitesi olumsuz yönde etkilenir.

Rezonans Devrelerinin Uygulamaları

Bir devreyi rezonans frekansında sürdürme kavramı çeşitli uygulamalarda bulunur. Bir osilatörde, rezonansın frekansında sürdürülen bir tank devresi olarak paralel bir LC kullanılır. Sonuç, mikrodenetleyiciler ve iletişim IC&#;leri gibi bileşenleri çalıştıran sürekli, salınımlı saat darbeleri dizisidir. Tense, bir devrenin istenen rezonans frekansında uygun şekilde çalışmasını sağlamak için gereken tüm yerleşim ve simülasyon araçlarına sahiptir. 

Paralel bir kondansatör ve bir indüktörden oluşan bir elektrik devresinde, alternatif akım hat voltajı ve ortaya çıkan akım aynı fazda olduğunda antirezonans meydana gelir. Bu koşullar altında, paralel devrenin antirezonans durumundaki yüksek elektriksel öz direnci nedeniyle hat akımı çok küçüktür. Bu noktada güç faktörünün düzenlenmesini sağlamak adına kondansatör kullanılabilir.

Rezonans ve Kondansatörler

Rezonans için bir kullanım, AC sinyalleri üretmek için tasarlanmış devrelerde kararlı bir frekans koşulu oluşturmaktır. Genellikle, bu amaç için bir paralel (tank) devresi kullanılır, kapasitör ve indüktör doğrudan birbirine bağlı iken ikisi arasında enerji alışverişi yapılır. Kondansatör olarak bilinen devre elemanları, iç yapıları ve empedans değerleri nedeniyle sistemde bulunan bozucu yükler tarafından oluşturulan akım harmoniğinin etkisini ilk ve yoğun bir biçimde üstlerine çeker. 

Kondansatörlerin gerçekleştirdiği bu eylemin neticesinde de hem elektriksel hem de mekanik olarak zorlanma başlayacaktır. Tesislerin sağlıklı çalışabilmesi adına yalnızca kondansatör tercih edilen kompanzasyon çözümünden daha çok seri reaktörlerle donatılmış kondansatörler aracılığıyla kompanzasyon yapmak çok daha uygun bir seçim olacaktır.

Rezonans ve Akım Harmoniği

Kondansatör, akım harmoniğinden en çok etkilenen sistem elemanı olarak bilinir. Frekans arttıkça kondansatörün kapasitif direncinde azalma gözlemlenecektir. Bu durumun uygulama esnasındaki karşılığı düşük bir harmonik gerilim yüksek kondansatör akımı çekilmesine sebep olabilmesidir. 

Kondansatör frekansı, herhangi bir akım harmoniği frekansına yakın bir durumda ise kısmî rezonanslar meydana gelebilir. Kısmî rezonansın gözlendiği durumlarda meydana gelen yüksek akım, kondansatörlerin ısınmasına ve dielektrik kayıplara yol açacaktır. Rezonansların meydana gelmesini engellemek ve tesisin güvenli bir şekilde çalışmasını devam ettirmek için harmoniklerin mümkün olduğu kadar engellenmesi gerekir.

Tanım olarak rezonans; bir sistemin doğal titreşim frekansı/periyodu ile ona etkiyen kuvvetin doğal titreşim periyodu birbirine çok yakın veya denk ise etkiyen kuvvetin genliğinin giderek artmaya başlaması olarak ifade edilebilir. Genlik ise tekrarlanan kuvvetlerin maksimum düzeyini ifade eder. Örnek olarak aşağıdaki deplasman, ivme ve hız plotundaki sinüs dalgasının genligi bir. Bir dalganın frekansını ise, belli bir noktadan bir saniye içinde geçen dalga sayısı olarak tanımlayabiliriz. Rezonansın ortaya çıkması için etkiyen kuvvetin tekrarlı olması gerekir. Yani deprem sırasında bir yapının ilk katında meydana gelecek ivme normalde g&#;ye denk gelecekken, rezonans yüzünden bu ivme artar.  

Sistemin sönümleme oranı ne kadar yüksek ise rezonans dolayısı ile genlik artması da o kadar azalır. Dediğimi kapak fotoğrafını inceleyerek daha iyi anlayabilirsiniz. 

Rezonans Neden Oluşur?

Yukarıdaki resme bakarsanız dinamik sistemler üç parçadan oluşur. Bunlar sistemin rijitliği k, kütlesi m ve sönümleme katsayısı c olarak tanımlanır. Hareket denklemine de bakacak olursak:

m*a + k*u + c*v = P.

Yukarıdaki denklemde v hızı, u deplasmanı, a ise ivmeyi ifade ediyor. Bu değerlerin hepsi de sistemde meydana gelen değerler. Yani a:=ivme dediğimiz zaman bu yer hareketinin ivmesi değil yer hareketinden dolayi yapıda meydana gelen ivme oluyor. Eşitliğin sol tarafı sistemin kendi parametreleri, sağ tarafı ise sisteme dışarıdan etkiyen kuvvetin parametreleridir. Yani bu denklemde P dışarıdan etkiyen kuvvetin denklemini ifade eder. P, a, u ve v değerlerini zamanın fonksiyonu olarak da ifade edebiliriz. Böylece yüklemenin her anında sistemde meydana gelen etkileri gözlemleyebiliriz. Deprem örneği için konuşacak olursak da P yer hareketinin ivme değerleri oluyor. 

Phase Lag

Yukarıdaki üç grafik sistemde meydana gelen ivme, hız ve deplasmanın birbirleriyle olan ilişkisini gösteriyor. Deplasman grafiği bildiğimiz sinüsün 0&#;dan başlamış grafiğini gösteriyor. Diğer hız ve ivme grafiklerine baktığımız zaman ise bu grafiklerde bir kayma olduğunu görüyoruz. Bu kayma hız plotunda 90 dereceye, ivme plotunda ise dereceye tekabül ediyor. Bunları da ivme, hızın 90 derece ve deplasmanın derece önünden geliyor olarak açıklayabiliriz. Bu olaya phase lag deniyor.

Grafikleri biraz açıklayacak olursam da: deplasmanın ve ivmenin maksimum olduğu noktalarda hız 0 değerine ulaşıyor. İvme ile deplasman birbirine zıtlar. Yani birisi pozitif maksimum yaşarken diğeri negatif maksimum yaşıyor. Hızın maksimum olduğu noktalarda da ivme ve deplasman 0 oluyor.

Sisteme etkiyen kuvvetler

Hareket denkleminde sistemde meydana gelen üç tane değerden bahsettik. Bunların hız, ivme ve deplasman olduğunu söyledik. Hareket denkleminde bu değerleri de başka sistem parametreleri ile çarptık. Bu denklemdeki her bir çarpım bir kuvvet ile ifade ediliyor.

Atalet Kuvveti: Bu kuvvet eylemsizlik kuvveti olarak da ifade edilir. Kısaca bir yapının deprem sırasında hareket etmeye karşı koyduğu direnci ifade eder. Aynısı giden bir arabanın aniden fren yapması sonucu içinde bulunan yolcuların gitmeye devam etmek istemesi sonucu öne savrulmasında da görülür. Hareket denkleminde bu kuvveti m*a olarak tanımlamıştık.

Yay Kuvveti: Sistemin rijitliği ile deplasmana karşı direnci olarak tanımlanabilir. Hareket denkleminde de k*u olarak tanımlamıştık.

Sönümleme Kuvveti: Sistemde oluşan hıza karşı direnç gösteren kuvvete denir. Hareket denkleminde c*v olarak tanımlamıştık.

Kuvvetler Dengesi

Yukarıda ivme ve deplasmanın birbirine zıt yönlerde (biri pozitif, diğeri negatif) olduğunu söylemiştik. Ayrıca tanımladığımız kuvvetlerde de yay kuvvetini deplasmana karşı direnç olarak tanımlamıştık. Bu ikisine ek olarak da atalet kuvvetini sistemde meydana gelen ivmeye karşı eylemsizlik olarak tanımlamıştık. Sonuç olarak da yay kuvveti ve atalet kuvvetinin de birbirine zıt olması gerekiyor. 

Frekans ile İvme, Hız ve Deplasman İlişkileri

Eğer hızı sabit tutsaydık ve frekansi değiştirseydik, sonuç olarak artan frekansa karşı artan ivme ve azalan deplasman genliklerini gözlemlerdik. Bu da frekansın artması ile artan atalet kuvveti ve azalan yay kuvveti anlamına gelir. Bir noktada bu iki kuvvet de birbirlerine eşit olacaklar ve birbirlerine zıt yönde olduklarından dolayı da birbirlerini eleyecekler. Sonuç olarak da sistemde meydana gelen titreşimleri kontrol altında tutmak için sadece sönümleme kuvveti kalmış olacak. Sistemin sönümlemesi de yeteri kadar yüksek değilse sisteme dışarıdan etkiyen kuvvet giderek artmaya başlar. Bu olayın yaşandığı frekansa sistemin doğal titreşim periyodu deniyor. Buraya kadar anlattığım şeyler rezonansın neden ve nasıl ortaya çıktığını açıklıyor.

Frekans Aralığının Bölgeleri

Bir sistemde oluşan titreşimleri farklı frekans bölgerinde farklı kuvvetler (birincil olarak) sınırlar. Düşük frekans bölgesinde ana kuvvet yay kuvvetidir. Yüksek frekans bölgesinde ise atalet kuvveti. Son bölgede ise sönümleme kuvveti ana kuvvet oluyor.

Yukarıda anlattığım nedenden dolayı da deprem yönetmeliklerindeki tepki/dizayn spektrumlarının üç bölgesi oluyor. Yukarıdaki grafiğe bakacak olursanız T_A&#;ya kadar olan bölge ivmenin hakim olduğu bölge yani atalet kuvvetinin. T_A ile T_B arasında ise hız yani sönümleme kuvveti hakim. Gördüğünüz üzere de yapıda meydana gelen en büyük ivme bu bölgede meydana geliyor. T_B&#;den sonraki bölge ise deplasmanın yani yay kuvvetinin hakim olduğu bölge. 

Yer Hareketinin Fourier Bileşeni

Yukarıda rezonansı tanımlarken sisteme etkiyen kuvvetin frekansı olarak tanımlamıştık. Ancak deprem için konuşacak olursak yer hareketinin içinde baskın farklı frekanslarda fourier bileşenleri bulunabilir. Bu genliği yüksek fourier bileşenlerinden birisinin yapının doğal titreşim periyoduna yakın veya denk olması durumunda da rezonans yaşanabilir. Bu son yazdığım kısmı daha iyi anlamanız için bu yazimi okumanızı tavsiye ederim.

Sormak istediğiniz sorular varsa bunları yorumlarda sorabilirsiniz.

Hatırlatma: Yazılan makalelerden haberdar olmak istiyorsanız, sosyal medya hesaplarımızı takip edebilirsiniz.

Kaynak

• Resonance Revealed: Understanding What Really Happens at Resonance
• <a href=&#;funduszeue.info:funduszeue.info&#;>&quot;MasterHD&quot; / MasterHD at English Wikipedia</a>, Public domain, via Wikimedia Commons