共振

共振是指一物理系統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。

一般來説一個系統（不管是力學的、熱學的還是電子的）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。

振盪強度是振幅的平方。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。也是一個與振盪器的阻尼有關的係數。阻尼高的系統一般來説有比較寬的共振頻率帶，共振頻率帶也稱為帶寬。

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，系統振幅顯著增大的現象。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。

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1）上出現一個共振峯。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峯。對於非線性系統，共振區出現振幅跳躍現象，共振峯發生明顯變形，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，共振峯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；機械起動或停止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。

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，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，共振現象也可以説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説，是共振產生了宇宙和世間萬物，沒有共振就沒有世界。共振現象在生活中也被廣泛應用，盪鞦韆暫且不論，電視、網絡以及眼睛看到的一切事物，都是根據共振原理而接受信號的。

衝擊測試：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。因為很小衝擊力就能激起寬範圍的頻率，這個方法是很有效的。使用該技術時，敲擊機器結構的不同部位是很重要的，因為結構共振頻率在同一個點採集，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。這樣就能輕鬆的識別設備的自然頻率。

啓停機測試：在設備轉軸上貼上反光帶，這樣啓停機過程中，就能得到相位。可以看到整個過程的幅值和相位變化。設備啓停機過程中，使用峯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。如果某轉速下出現振動峯值且相位變化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。

19世紀初，一隊拿破崙士兵在指揮官的口令下，邁着威武雄壯、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，橋樑突然發生強烈的顫動並且最終斷裂坍塌，造成許多官兵和市民落入水中喪生。後經調查，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樑的抗壓力時，橋就斷裂了。類似的事件還發生在俄國和美國等地。有鑑於此，所以後來許多國家的軍隊都有這麼一條規定：大隊人馬過橋時，要改齊走為便步走。

對於橋樑來説，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，儘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，所以導致事故的發生。每年肆虐於沿海各地的熱帶風暴，也是藉助於共振為虎作倀，才會使得房屋和農作物飽受摧殘。因為風除了產生沿着風向的一個風向力外，還會對風區的構築物產生一個橫力，而且風在表面的漩渦在一定條件下產生脱落，從而對構築物產生一個震動。要是風的橫力產生的震動頻率和構築物的固定頻率相同或者相近時，就會產生風荷載共振。近幾十年來，美國及歐洲等國家和地區還發生了許多起高樓因大風造成的共振而劇烈搖擺的事件。 ^[1] 

當直升機在地面工作時（或滑跑時）受到外界振動後，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；機身振動反饋於旋翼的擺振運動，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，系統的阻力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（振幅）將越來越大，直到直升機毀壞才告終，即出現了地面共振。

機牀運轉時，運動部分總會有某種不對稱性，從而對機牀的其他部件施加週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牀的固有頻率接近或相等時，會發生共振，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。 ^[2] 

也是由於共振的力量，巨大的冰川能被“温柔”的海洋波濤給拍裂開。甚至於美國阿拉斯加李杜牙灣經常出現的高達上百米的巨浪，也是由於共振在其中發揮了很大的“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。

共振是十分普遍的自然現象，幾乎在物理學的各個分支學科和許多交叉學科中以及工程技術的各個領域中都可以觀察到它，都要應用到它。例如橋樑、碼頭等各種建築，飛機、汽車、輪船、發動機等機器設備的設計、製造、安裝中，為使建築結構安全工作和機器能正常運轉，都必需考慮到防止共振問題。而有許多儀器和裝置要利用共振原理來製造。機械共振應用的典型例子是地震儀，它不僅是地震記錄和研究地震預報的基本手段，也是研究地球物理的重要工具。利用原子、分子共振可以製造各種光源如日光燈、激光以及電子錶、原子鐘等。研究共振對於醫學、仿生學均有重大意義。電磁振盪的共振在無線電技術中具有極重要的地位。電磁波信號的產生、接收、放大、分析處理都要靠共振來幫助。可以説凡要用到電磁波的地方離開了電磁波的共振是不可能的。共振還是探索宇宙和認識微觀世界的鑰匙。靠共振來辨認、識別來自宇宙的電磁波，研究宇宙中星體的物質結構、能量、質量。利用微觀粒子的共振可認識微觀世界的物理規律。例如利用核磁共振可以研究物質的電子結構和測量核磁矩。值得一提的是，與微觀粒子共振有關的諾貝爾物理獎得獎項目就很多，象布洛赫和珀塞爾關於核磁共振技術的發明，卡斯特勒光泵技術的發明，穆斯堡爾效應的發現，巴索夫、普洛霍洛夫和湯斯發明的脈塞和激光，丁肇中和利希特發現的J/Ψ粒子等。 ^[3] 

到了現代，隨着科技的發展和對共振研究的更加深入，共振在社會和生活中“震盪”得更為頻繁和緊密了。

激光器中的諧振腔、無線電中的電諧振等，就是使系統固有頻率與驅動力的頻率相同，發生共振。電台通過天線發射出短波/長波信號，電視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射信號，短波通過雲層發射，長波通過直接向地球表面發射。路由器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，然後天線將放大後的信號經過過濾後傳至路由器。

在建築工地經常可以看到，建築工人在澆灌混凝土的牆壁或地板時，為了提高質量，總是一面灌混凝土，一面用攪拌棒進行攪拌，使混凝土之間變得更緊密、更結實。此外，粉碎機、測振儀、電振泵、測速儀等，也都是利用共振現象進行工作的。

進入20世紀以後，微波技術得到長足的發展，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。具有2500MHz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，爐內產生很強的振盪電磁場，使食物中的水分子作受迫振動，發生共振，將電磁輻射能轉化為熱能，從而使食物的温度迅速升高。微波加熱技術是對物體內部的整體加熱技術，完全不同於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、極為有利於環保的先進技術。

粒子加速器對於物理學的研究和發展是至關重要的，而粒子加速器對於共振的運用，用“登峯造極”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，這是很自然的物質互補原理，既有波又有粒子的特性。物質因為具有波的性質，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，結果變成很大的“波峯”，可把電子或質子推到近乎光速，在高速的相撞下產生新的粒子來。

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着。如動物之間腦電波的傳遞，信息的交流，都離不開共振。 ^[1] 

共振能充當地球生物的保護神。紫外線是太陽發出的一種射線，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。不過不用擔心，大氣中存在的臭氧層，可以藉助於共振的威力，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，保證人類不至於被射線的傷害。

另外，共振還能使地球維持在適當的温度，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後，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，使大氣層保有一定温度，讓萬物在温暖和煦的環境中孕育成長。

俗話説萬物生長靠太陽，其實也可以這麼説：萬物生長靠共振。因為人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。也就是説，沒有共振，地球上的生命便不能長期存在。

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、豔麗繽紛。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，從花卉到水果。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豔豔的、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，而只把綠的顏色反射入我們的眼裏，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，因而這時反射出的是或黃或紅的色彩，映襯出秋天的蒼涼和悽美。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，生活中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。

微觀物質世界的產生與共振有着密不可分的干係。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。宇宙誕生初期的化學元素，也可以説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着如此密切的關係，所以粒子物理學家經常把粒子稱為“共振體”。