共振

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共振是指一個物理系統在特定頻率下,以最大振幅做振動的情形。此一特定頻率稱之為共振頻率。自然中有許多地方有共振的現象。人類也在其技術中利用或者試圖避免共振現象。一些共振的例子比如有:樂器的音響共振、太陽系一些類木行星的衛星之間的軌道共振、動物耳中 基底膜的共振,電路的共振等等。

簡述

  一般來說一個系統(不管是力學的、聲響的還是電子的)有多個共振頻率,在這些頻率上振動比較容易,在其它頻率上振動比較困難。假如引起振動的頻率比較複雜的話(比如是一個衝擊或者是一個寬頻振動)一個系統一般會「挑出」其共振頻率隨此頻率振動,事實上一個系統會將其它頻率過濾掉。

理論

  振蕩強度是振幅的平方。物理學家一般稱這個公式為洛倫茲分佈,它在許多有關共振的物理系統中出現。也是一個與振蕩器的阻尼有關的係數。阻尼高的系統一般來說有比較寬的共振頻率帶。   共振   系統受外界激勵,作強迫振動時,若外界激勵的頻率接近於系統頻率時,強迫振動的振幅可能達到非常大的值,這種現象叫共振。一個系統有無數個固有頻率,我們常研究低範圍的系統頻率。

宇宙與共振

  共振是物理學上的一個運用頻率非常高的專業術語。共振的定義是兩個振動頻率相同的物體,當一個發生振動時,引起另一個物體振動的現象。   共振在聲學中亦稱「共鳴」,它指的是物體因共振而發聲的現象,如兩個頻率相同的音叉靠近,其中一個振動發聲時,另一個也會發聲。   在電學中,振蕩電路的共振現象稱為「諧振」。   產生共振的重要條件之一,就是要有彈性,而且一件物體受外來的頻率作用時,它的頻率要與後者的頻率相同或基本相近。從總體上來看,這宇宙的大多數物質是有彈性的,大到行星小到原子,幾乎都能以一個或多個固有頻率來振動。   共振不僅在物理學上運用頻率非常高,而且,共振現象也可以說是一種宇宙間最普遍和最頻繁的自然現象之一,所以在某種程度上甚至可以這麼說,是共振產生了宇宙和世間萬物,沒有共振就沒有世界。   我們都知道,宇宙是在一次劇烈的大爆炸后產生的。而促使這次大爆炸產生的根本原因之一,便是共振。當宇宙還處於渾沌的奇點時,裡面就開始產生了振蕩。最初的時候,這種盪振是非常微弱的。漸漸地,振蕩的頻率越來越高、越來越強,並引起了共振。最後,在共振和膨脹的共同作用下,導致了一陣驚天動地的轟然巨響,宇宙在瞬間急劇膨脹、擴張,然後,就產生了日月星辰,於是,在地球上便有了日月經天、江河行地,也有了植物蓬勃葳蕤、動物飛翔騰躍。   共振不僅創造出了宏觀的宇宙,而且,微觀物質世界的產生,也與共振有著密不可分的干係。從電磁波譜看,微觀世界中的原子核、電子、光子等物質運動的能量都是以波動的形式傳遞的。宇宙誕生初期化學元素,也可以說是通過共振合成和產生的。有一些粒子微小到簡直無法想象,但它們可以在共振的作用之下,在100萬億分之一秒的瞬間,互相結合起來,於是新的化學元素便產生了。因為宇宙中這些粒子的生成與共振有著如此密切的關係,所以粒子物理學家經常把粒子稱為「共振體」。   既然共振是宇宙間一切物質運動的一種普遍規律,人及其它的生物也是宇宙間的物質,當然共振也是普遍存在於這些生命中了。   人除了呼吸心跳血液循環等都有其固有頻率外,人的大腦進行思維活動時產生的腦電波也會發生共振現象。類似的共振現象在其它動物身上也同樣普遍地存在著。我們喉嚨間發出的每個顫動,都是因為與空氣產生了共振,空氣振動產生聲波,聲波傳到人的耳膜,引起耳膜共振,從而生產聲音信號被大腦接收,於是人就接收到了聲音。耳膜的結構決定了其自身的共振頻率,構造不一樣,共振頻率就不一樣,接收到的聲波頻率範圍自然就不一樣,人和動物的耳膜構造不一樣,這也就是為什麼人和動物能接收到的聲音不一樣的結果了。   許多動物身上還存在著其它一些形式的共振現象。炎熱的午間,蟬兒發出的「知了、知了」聲;寧靜的夜晚,蟋蟀發出的「嘰—嘶」聲;還有不知疲倦的大肚子蟈蟈的鳴叫聲,儘管這些昆蟲聲調大不相同,但其中的共同之處都是借助了共振的原理,都是靠摩擦身體的某一部位與空氣產生共鳴而發聲。除了昆蟲之外,鳥類也是巧妙地運用著共振來演奏生命之曲的大師,它們運用共振所發出的圓潤婉轉的鳴叫聲,是自然界生命大合唱中最為優美的聲部和旋律。因此,可以這麼說,如果沒有共振,世界將會失去多少天籟、大地將會變得多麼死寂!

生命與共振

保護神

  其實更為重要的是,共振能充當地球生物的保護神。我們知道,紫外線是太陽發出的一種XX線,它們如果大舉入侵地球,人類及各種生物勢必遭受極大的危害,因為過量的紫外線會使生物的機能遭到嚴重的破壞。不

共振吸脂

過不用擔心,我們有大氣層中的臭氧層,是它們借助於共振的威力,阻止了紫外線的長驅直入。當紫外線經過大氣層時,臭氧層的振動頻率恰恰能與紫外線產生共振,因而就使這種振動吸收了大部分的紫外線。所以,共振能使大氣中的臭氧層變得如防曬油一樣,保證我們不至於被XX線的傷害。   另外,共振還能使地球維持在適當的溫度,給地球生命創造出一個冷熱適宜的生長環境。因為雖然經過臭氧層的堵截圍追,但仍有少部分紫外線能夠成功地突破層層防線,到達地球表面。這部分紫外線經過地球吸收后,能量減少,變為紅外線擴散回大氣中。而紅外線的熱量,又恰好能和二氧化碳產生共振,然後被「挽留」在大氣層中,使大氣層保有一定溫度,讓萬物在溫暖和煦的環境中孕育成長。

生長

  俗話說萬物生長靠太陽,其實也可以這麼說:萬物生長靠共振。因為我們所熟知的植物的光合作用,亦是葉綠素與某些可見光共振,才能吸收陽光,產生氧氣與養分。所以沒有共振,植物便不能生長,人類和許多動物也就因此會失去了食物的來源。也就是說,沒有共振,地球上的生命便不能長期存在。

色彩與共振

  共振還是一個善於使用色彩和色調的魔幻繪畫師,把我們所看到的每一件物體都神奇地染上了顏色,使我們這個世界變得五彩斑斕、艷麗繽紛。鈉光是黃的,因為鈉原子的振動產生所產生的是黃色的光。水銀原子的振動發出藍光。氖原子送出的振動到了你眼中,就成為了紅色。在地面,共振也把所有的物體都染上了各式各樣的顏色,從花卉水果。紅蘋果把太陽光中我們稱為藍光和綠光的振動頻率吸收了,因此我們看到的它就是紅艷艷的、令人饞涎欲滴的樣子。綠葉中的葉綠素分子的振動頻率在太陽的紅光及藍光範圍,所以共振把這兩種顏色都「貪污」了,而只把綠的顏色反XX入我們的眼裡,因此樹葉看上去便是生機盎然濃綠或嫩綠。也是這同一片葉子,到了秋天的時候,它被共振所「貪污」的卻是綠光,因而這時反XX出的是或黃或紅的色彩,映襯出秋天的蒼涼和凄美。就是那種很虛幻的彩虹也是因為有了共振,才有了赤橙黃綠青藍紫。因此,我們的生活中有著如此美麗迷人的花紅柳綠、斑斕爛漫,也無不是拜共振之所賜。

機械共振

  機械系統所受驅動力的頻率與該系統的某階固有頻率相接近時,系統振幅顯著XX的現象。共振時,激勵輸入機械系統的能量最大,系統出現明顯的振型,稱為位移共振。此外還有在不同頻率下發生的速度共振和加速度共振。   共振是指機械系統所受激勵的頻率與該系統的某階固有頻率相接近時,系統振幅顯著XX的現象。共振時,激勵輸入機械系統的能量最大,系統出現明顯的振型。在機械振動中,常見的激勵有直接作用的交變力,支承或地基的振動與旋轉件的不平衡慣性力等。   在機械共振中,常見的激勵有直接作用的交變力,支承或地基的振動與旋轉件的不平衡慣性力等。共振時的激勵頻率稱為共振頻率,近似等於機械系統的固有頻率。對於單自由度系統,共振頻率只有一個,當對單自由度線性系統作頻率掃描激勵試驗時,其幅頻響應圖(見圖)上出現一個共振峰。對於多自由度線性系統,有多個共振頻率,激勵試驗時相應出現多個共振峰。對於非線性系統,共振區出現振幅跳躍現象,共振峰發生明顯變形,並可能出現超諧波共振和次諧波共振。共振時激勵輸入系統的功同阻尼所耗散的功相平衡,共振峰的形狀與阻尼密切相關。   在一般情況下共振是有害的,會引起機械和結構很大的變形和動應力,甚至造成破壞性事故,工程史上不乏實例。防共振措施有:改進機械的結構或改變激勵,使機械的固有頻率避開激勵頻率;採用減振裝置;機械起動或停車過程中快速通過共振區。另一方面,共振狀態包含有機械系統的固有頻率、最大響應、阻尼和振型等信息。在振動測試中常人為地再現共振狀態,進行機械的振動試驗和動態分析。此外,利用共振原理的振動機械,可用較小的功率完成某些工藝過程,如共振篩等。

應用

  電台通過天線發XX出短波/長波信號,收音機通過將天線頻率調至和電台電波信號相同頻率來引起共振。將電台信號放大,以接受電台的信號。電波信號通過天線向空中發XX信號,短波通過雲層發XX,長波通過直接向地球表面發XX。收音機的天線將共振磁環的頻率調節至和電台電波信號相同時就會產生共振,電波信號將被放大,然後天線將放大后的信號經過過濾後傳至喇叭發聲。

危害

  直升機   當直升機在地面工作時(或滑跑時)受到外界振動后, 旋翼槳葉運動偏離平穩位置,如旋翼以後退型擺振運動,這時槳葉重心偏離旋轉中心,旋翼重心的離心激振力,激起機身在起落架上的振動;機身振動反饋于旋翼的擺振運動,對旋翼起支持激振的作用,形成一閉環系統,使得旋翼擺振運動越來越大,當旋翼後退型頻率與機身在起落架上的某一模型的頻率相等或接近時,系統的阻尼又不足以消耗它們相 互激勵的能量,這時整個系統的振動就會是不穩定的,振動幅度將越來越大,直到直升機毀 壞才告終,即出現了地面共振。   橋   當驅動頻率與橋的固有頻率相同時,就會達到共振,共振的效果是使振幅增加。橋本身的動能增加,當突破橋能夠承受的形變時,橋就會坍塌。   雪崩   當登山者產生的聲波傳播到雪層,引起雪層的共振時,就會發生雪崩。