共振(resonance）是物理學上的一個運用頻率非常高的專業(yè)術語，是指一物理系統(tǒng)在特定頻率和波長下，比其他頻率和波長以更大的振幅做振動的情形；這些特定頻率和波長稱之為共振頻率和共振波長。在共振頻率和共振波長下，很小的周期振動便可產(chǎn)生很大的振動，因為系統(tǒng)儲存了動能。當阻力很小時，共振頻率和共振波長大約與系統(tǒng)自然頻率和自然波長（或稱固有頻率和固有波長）相等，后者是自由振蕩時的頻率和波長。共振現(xiàn)象是指一個物理系統(tǒng)在其自然的振動頻率（所謂的共振頻率）和自然波長下趨于從周圍環(huán)境吸收更多能量的趨勢。自然中有許多地方有共振的現(xiàn)象。人類也在其技術中利用或者試圖避免共振現(xiàn)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(wèi)星之間的軌道共振、動物眼中視錐細胞對光的共振，電路的共振等等。
概念
共振是指一物理系統(tǒng)在必須特定頻率下，相比其他頻率以更大的振幅做振動的情形；這些特定頻率稱之為共振頻率。
共振在聲學中亦稱“共鳴”，它指的是物體因共振而發(fā)聲的現(xiàn)象，比如兩個頻率相同的音叉靠近，其中一個振動發(fā)聲時，另一個也會發(fā)聲。在電學中，振蕩電路的共振現(xiàn)象稱為“諧振”。
一般來說一個系統(tǒng)（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，我們常研究低范圍的系統(tǒng)頻率。假如引起振動的頻率比較復雜的話（比如是一個沖擊或者是一個寬頻振動）一個系統(tǒng)一般會“挑出”其共振頻率隨此頻率振動，事實上一個系統(tǒng)會將其它頻率過濾掉。
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布，它在許多有關共振的物理系統(tǒng)中出現(xiàn)。也是一個與振蕩器的阻尼有關的系數(shù)。阻尼高的系統(tǒng)一般來說有比較寬的共振頻率帶，共振頻率帶也稱為帶寬。
自然共振
產(chǎn)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，它的頻率要與后者的頻率相同或基本相近。總體上來看，宇宙的大多數(shù)物質(zhì)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(xiàn)象也可以說是一種宇宙間最普遍和最頻繁的自然現(xiàn)象之一，所以在某種程度上甚至可以這么說，是共振產(chǎn)生了宇宙和世間萬物，沒有共振就沒有世界。共振現(xiàn)象在生活中也被廣泛應用，蕩秋千暫且不論，我們每天看的電視，上的網(wǎng)絡，甚至是我們眼睛看到的一切事物，都是根據(jù)共振原理而接受信號的。
機械共振
共振是指機械系統(tǒng)所受激勵的頻率與該系統(tǒng)的某階固有頻率相接近時，系統(tǒng)振幅顯著增大的現(xiàn)象。共振時，激勵輸入機械系統(tǒng)的能量最大，系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的振型稱為位移共振。此外還有在不同頻率下發(fā)生的速度共振和加速度共振。
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(zhuǎn)件的不平衡慣性力等。共振時的激勵頻率稱為共振頻率，近似等于機械系統(tǒng)的固有頻率。對于單自由度系統(tǒng)共振頻率只有一個，當對單自由度線性系統(tǒng)作頻率掃描激勵試驗時，其幅頻響應圖（見圖1）上出現(xiàn)一個共振峰。對于多自由度線性系統(tǒng)，有多個共振頻率，激勵試驗時相應出現(xiàn)多個共振峰。對于非線性系統(tǒng)，共振區(qū)出現(xiàn)振幅跳躍現(xiàn)象，共振峰發(fā)生明顯變形，并可能出現(xiàn)超諧波共振和次諧波共振。共振時激勵輸入系統(tǒng)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(jié)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(jié)構或改變激勵，使機械的固有頻率避開激勵頻率；采用減振裝置；機械起動或停車過程中快速通過共振區(qū)。另一方面，共振狀態(tài)包含有機械系統(tǒng)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(xiàn)共振狀態(tài)，進行機械的振動試驗和動態(tài)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。
檢測技術
沖擊測試：最常用的方法是用一個物品敲擊機器，測量機器的反應，得到共振頻率。因為很小沖擊力就能激起寬范圍的頻率，這個方法是很有效的。使用該技術時，敲擊機器結(jié)構的不同部位是很重要的，因為結(jié)構共 振頻率在同一個點采集，不同部位敲擊得到的。當識別機器共振頻率時，動力部位和傳動部位都應敲擊。使用這種方式時，機器必須停機。這樣就能輕松的識別設備的自然頻率。
啟停機測試：在設備轉(zhuǎn)軸上貼上反光帶，這樣啟停機過程中，就能得到相位。可以看到整個過程的幅值和相位變化。設備啟停機過程中，使用峰值保持方式記錄振動值。如果沒有共振，振動幅值以一定比率下降。如果某轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)振動峰值且相位變化180度，就顯示了設備有共振頻率。這個共振頻率是相位90度處。
危害及預防
危害案例
橋梁倒塌
19世紀初，一隊拿破侖·波拿巴士兵在指揮官的口令下，邁著威武雄壯、整齊劃一的步伐，通過法國昂熱市一座大橋。快走到橋中間時，橋梁突然發(fā)生強烈的顫動并且最終斷裂坍塌。造成許多官兵和市民落入水中喪生。后經(jīng)調(diào)查，造成這次慘劇的罪魁禍首，正是共振！因為大隊士兵齊步走時，產(chǎn)生的一種頻率正好與大橋的固有頻率一致，使橋的振動加強，當它的振幅達到最大限度直至超過橋梁的抗壓力時，橋就斷裂了。類似的事件還發(fā)生在俄國和美國等地。有鑒于此，所以后來許多國家的軍隊都有這么一條規(guī)定：大隊人馬過橋時，要改齊走為便步走。
對于橋梁來說，不光是大隊人馬厚重整齊的腳步能使之斷裂，那些看似無物的風兒同樣也能對之造成威脅。1940年，美國的全長860米的塔科馬海峽吊橋因大風引起的共振而塌毀，盡管當時的風速還不到設計風速限值的1/3。可是因為這座大橋的實際的抗共振強度沒有過關，所以導致事故的發(fā)生。每年肆虐于沿海各地的熱帶風暴，也是借助于共振為虎作倀，才會使得房屋和農(nóng)作物飽受摧殘。因為風除了產(chǎn)生沿著風向的一個風向力外，還會對風區(qū)的構筑物產(chǎn)生一個橫力，而且風在表面的漩渦在一定條件下產(chǎn)生脫落，從而對構筑物產(chǎn)生一個震動。要是風的橫力產(chǎn)生的震動頻率和構筑物的固定頻率相同或者相近時，就會產(chǎn)生風荷載共振。近幾十年來，美國及歐洲等國家和地區(qū)還發(fā)生了許多起高樓因大風造成的共振而劇烈搖擺的事件。
地面共振
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(wěn)位置，如旋翼以后退型擺振運動，這時槳葉重心偏離旋轉(zhuǎn)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(huán)系統(tǒng)，使得旋翼擺振運動越來越大，當旋翼后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(tǒng)的阻力又不足以消耗它們相互激勵的能量，這時整個系統(tǒng)的振動就會是不穩(wěn)定的，振動幅度（振幅）將越來越大，直到直升機毀壞才告終，即出現(xiàn)了地面共振。
機器損壞
機床運轉(zhuǎn)時，運動部分總會有某種不對稱性，從而對機床的其他部件施加周期性作用力引起這些部件的受迫振動，當這種作用力的頻率與機床的固有頻率接近或相等時，會發(fā)生共振，從而影響加工精度，加大機械鋼鐵的疲勞破壞，加大機械的損害力度。
次聲波共振
對人危害程度尤為厲害的是次聲波所產(chǎn)生的共振。次聲波是一種每秒鐘振動很少、人耳聽不到的聲波。次聲波的聲波頻率很低，一般均在20赫茲以下，波長卻很長，不易衰弱。自然界的太陽磁暴、海浪咆哮、雷鳴電閃、氣壓突變、火山爆發(fā)；軍事上的原子彈、氫彈爆炸試驗，火箭發(fā)射、飛機飛行等等，都可以產(chǎn)生次聲波。在我們工作、學習和生活的周圍，能夠產(chǎn)生次聲波的小型動力設備很多，如鼓風機、引風機、壓氣機、真空泵、柴油機、電風扇、車輛發(fā)動機等。次聲波的這種神奇的功能也引起了軍事專家的高度重視，一些國家利用次聲波的性質(zhì)進行次聲波武器的研制，已研制出次聲波槍和次聲波炸彈。不論是次聲波槍還是次聲波炸彈，都是利用頻率為16—17赫茲的次聲波，與人體內(nèi)的某些器官發(fā)生共振，使受振者的器官發(fā)生變形、位移或出血，從而達到殺傷敵方的目的。現(xiàn)代科學研究已經(jīng)證明，大量發(fā)射的頻率為16—17赫茲的次聲波會引起人體無法忍受的顫抖，從而產(chǎn)生視覺障礙、定向力障礙、惡心等癥狀，甚至還會出現(xiàn)可導致死亡的內(nèi)臟損壞或破裂。這種次聲波武器可以說是人類運用共振來危害人類自己的一種技術上的極致。
其它
也是由于共振的力量，巨大的冰川能被“溫柔”的海洋波濤給拍裂開。甚至于美國阿拉斯加州李杜牙灣經(jīng)常出現(xiàn)的高達上百米的巨浪，也是由于共振在其中發(fā)揮了很大的“推波助瀾”的作用。因為共振在這個海灣“作威作福”實在是太厲害了，所以許多航海人對這個海灣都是“敬”而遠之。
給人類帶來重大傷亡和財產(chǎn)損失的地震，其中亦有共振的“幢幢魔影”：當地殼里的某一板塊發(fā)生斷裂時，產(chǎn)生的波動頻率傳到地面上，與建筑物產(chǎn)生強烈的共振，于是，就造成了屋毀人亡的慘劇。
持續(xù)發(fā)出的某種頻率的聲音會使玻璃杯破碎。高山上的一聲大喊，可引起山頂?shù)姆e雪的共振，頃刻之間造成一場大雪崩。行駛著的汽車，如果輪轉(zhuǎn)周期正好與彈簧的固有節(jié)奏同步，所產(chǎn)生的共振就能導致汽車失去控制，從而造成車毀人亡……
人們在生活和生產(chǎn)中會接觸到各種振動源，這些振動都可能會對人體產(chǎn)生危害。由科學測試知道人體各部位有不同的固有頻率，如眼球的固有頻率最大約為60赫茲，顱骨的固有頻率最大約為200赫茲等；把人體作為一個整體來看，如水平方向的固有頻率約為3—6赫茲，豎直方向的固有頻率約為48赫茲。因此，跟振動源十分接近的操作人員，如拖拉機駕駛員，風鎬、風鏟、電鋸、鎦釘機的操作工，在工作時應盡量避免這些振動源的頻率與人體有關部位的固有頻率產(chǎn)生共振。并且，為了保障工人的安全與健康，有關部門己作出了相應規(guī)定，要求用手工操作的各類振動機械的頻率必須大于20赫茲。
預防方法
到了今天，人類對付共振危害的方法更是多種多樣和更加先進。例如：人們在電影院、播音室等對隔音要求很高的地方，常常采用加裝一些海綿、塑料泡沫或布簾的辦法，使聲音的頻率在碰到這些柔軟的物體時，不能與它們產(chǎn)生共振，而是被它們吸收掉。又如電動機要安裝在水泥澆注的地基上，與大地牢牢相連，或要安裝在很重的底盤上，為的是使基礎部分的固有頻率增加，以增大與電機的振動頻率(驅(qū)動力頻率)之差來防止基礎的振動。
大街上的行人、車輛的喧鬧聲、機器的隆隆聲——這些連綿不斷的噪聲不僅影響人們正常生活，還會損害人的聽力。于是人們發(fā)明了一種消聲器，它是由開有許多小孔的孔板和空腔所構成，當傳來的噪聲頻率與消聲器的固有頻率相同時，就會跟小孔內(nèi)空氣柱產(chǎn)生劇烈共振。這樣，相當一部分噪聲能在共振時被“吞吃”掉，而且還能夠轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="/hebeideji/7233634422280962104.html">熱能來進行使用。
應用
古代
實際上，中國人對于聲音共振的運用，還可以追溯到很久遠的年代。
早在戰(zhàn)國初期，當時的人就發(fā)明了各種各樣的共鳴器，用來偵探敵情。《墨子·備穴》記載了其中的幾種：
在城墻根下每隔一定距離挖一深坑，坑里埋置一只容量有七八十升的陶甕，甕口蒙上皮革，這樣，實際上就做成了一個共鳴器。讓聽覺聰敏的人伏在這個共鳴器上聽動靜，遇有敵人挖地道攻城的響聲，不僅可以發(fā)覺，而且根據(jù)各甕甕聲的響度差可以識別來敵的方向和遠近。另一種方法是：在同一個深坑里埋設兩只蒙上皮革的甕，兩甕分開一定距離，根據(jù)這兩甕的響度差來判別敵人所在的方向。
以上幾種方法被歷代軍事家因襲使用。明代抗倭名將戚繼光曾用上面的方法來偵聽敵人鑿地道的聲音。甚至在本世紀的一些現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，不少國家和民族還繼續(xù)采用這些方法。
我國古時還發(fā)明出了另一種更加輕巧、簡便、實用的共鳴器。如唐朝的軍隊中就有一種用皮革制成的叫做“空胡鹿”的隨軍枕，讓聽覺靈敏和睡覺警醒的戰(zhàn)士在宿營時使用，“凡人馬行在三十里外，東西南北皆響聞”。當聲音通過地面?zhèn)鞑サ娇昭〞r，在空穴處產(chǎn)生交混回響，于是就能知道敵人的多寡遠近。值得一提的是，這種用竹筒聽地聲的方法正是現(xiàn)代醫(yī)用聽診器的濫觴。
宋代的科學家沈括就曾巧妙地利用共振原理設計出了在琴弦上跳舞的小人：先把琴或瑟的各弦按平常演奏需要調(diào)好，然后剪一些小小的紙人夾在各弦上。當彈動不夾紙人的某一弦線時，凡是和它共振的弦線上的紙人就會隨著音樂跳躍舞動。這個發(fā)明比西方同類發(fā)明要早幾個世紀。
據(jù)史籍記載，我國晉代就有人對聲音共振現(xiàn)象作出了正確的解釋，并已經(jīng)能夠完全認識到，防止共振的最好的方法是改變物體的固有頻率，使之與外來作用力的頻率相差越大越好。
古時還有一個有趣的故事，說的就是人們?nèi)绾吻擅畹叵舱竦摹?a href="/hebeideji/7245512882111643700.html">唐朝時候，洛陽市某寺一僧人房中掛著的一件樂器，經(jīng)常莫名其妙地自動鳴響，僧人因此驚恐成疾，四處求治無效。他有一個朋友是朝中管音樂的官員，聞訊特去看望他。這時正好聽見寺里敲鐘聲，那件樂器又隨之作響。于是朋友說：你的病我可以治好，因為我找到你的病根了。只見朋友找到一把鐵，在樂器上銼磨幾下，樂器便再也不會自動作響了。朋友解釋說這件樂器與寺院里的鐘聲的共振頻率相合，于是敲鐘時樂器也就會相應地鳴響，把樂器稍微銼去一點，也就改變了它的固有振動頻率，它就不再能和寺里的鐘聲共鳴了。僧人恍然大悟，病也就隨著痊愈了。
現(xiàn)代技術
到了現(xiàn)代，隨著科技的發(fā)展和對共振研究的更加深入，共振在社會和生活中“震蕩”得更為頻繁和緊密了。
弦樂器中的共鳴箱、無線電中的電諧振等，就是使系統(tǒng)固有頻率與驅(qū)動力的頻率相同，發(fā)生共振。電臺通過天線發(fā)射出短波/長波信號，收音機通過將天線頻率調(diào)至和電臺電波信號相同頻率來引起共振。將電臺信號放大，以接受電臺的信號。電波信號通過天線向空中發(fā)射信號，短波通過云層發(fā)射，長波通過直接向地球表面發(fā)射。收音機的天線將共振磁環(huán)的頻率調(diào)節(jié)至和電臺電波信號相同時就會產(chǎn)生共振，電波信號將被放大，然后天線將放大后的信號經(jīng)過過濾后傳至喇叭發(fā)聲。
在建筑工地經(jīng)常可以看到，建筑工人在澆灌混凝土的墻壁或地板時，為了提高質(zhì)量，總是一面灌混凝土，一面用振蕩器進行震蕩，使混凝土之間由于振蕩的作用而變得更緊密、更結(jié)實。此外，粉碎機、測振儀、電振泵、測速儀等，也都是利用共振現(xiàn)象進行工作的。
進入20世紀以后，微波技術得到長足的發(fā)展，使人類的生活進入了一個全新的、更加神奇的領域。而微波技術正是一種把共振運用得非常精妙的技術。微波技術不僅廣泛應用在電視、廣播和通訊等方面，而且“登堂入室”，與人們的日常生活愈來愈密切相關，微波爐便是家庭應用共振技術的一個最好體現(xiàn)。
具有2500赫茲左右頻率的電磁波稱為“微波”。食物中水分子的振動頻率與微波大致相同，微波爐加熱食品時，爐內(nèi)產(chǎn)生很強的振蕩電磁場，使食物中的水分子作受迫振動，發(fā)生共振，將電磁輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使食物的溫度迅速升高。微波加熱技術是對物體內(nèi)部的整體加熱技術，完全不同于以往的從外部對物體進行加熱的方式，是一種極大地提高了加熱效率、極為有利于環(huán)保的先進技術。
專家研究認為，音樂的頻率、節(jié)奏和有規(guī)律的聲波振動，是一種物理能量，而適度的物理能量會引起人體組織細胞發(fā)生和諧共振現(xiàn)象，這種聲波引起的共振現(xiàn)象，會直接影響人們的腦電波、心率、呼吸節(jié)奏等，使細胞體產(chǎn)生輕度共振，使人有一種舒適、安逸感，音律的變化使人的身體有一種充實、流暢的感覺。它活化了體內(nèi)的細胞，加快了血液的流動，激活了人的物理層次的生命潛能。人們還發(fā)現(xiàn)，當人處在優(yōu)美悅耳的音樂環(huán)境中，可以改善精神系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和消化系統(tǒng)的功能，促使人體分泌一種有利健康的活性物質(zhì)，提高大腦皮層的興奮性，振奮人的精神，讓人們的心靈得到了陶冶和升華。所以，人們已經(jīng)開始運用音樂產(chǎn)生的共振，來緩解人們由于各種因素造成的緊張、焦慮、憂郁等不良心理狀態(tài)，而且還能用于治療人的一些心理和生理上的疾病。
粒子加速器對于物理學的研究和發(fā)展是至關重要的，而粒子加速器對于共振的運用，用“登峰造極”來形容也一點不為過。在粒子物理的基本小宇宙中，每一種能量都有對應的頻率，反之亦然，這是很自然的物質(zhì)互補原理，既有波又有粒子的特性。物質(zhì)因為具有波的性質(zhì)，也就有了頻率。粒子加速器就是運用了這樣的共振原理，把許多小小的“波紋”迭加起來，結(jié)果變成很大的“波峰”，可把電子或質(zhì)子推到近乎光速，在高速的相撞下產(chǎn)生新的粒子來。
參考資料 >
共振現(xiàn)象.簡易物理.2022-10-25