引入

横杆上挂着一排摆长不同的小球,推动其中一个,为什么只有摆长相同的小球跟着大幅摆动?

为什么士兵过桥要便步走,不能齐步走?

为什么乐器音箱、微波炉和核磁共振都离不开“共振”这个词?

共振是受迫振动里振幅达到极大值的特殊情形。它既能让乐器发声、让微波炉加热,也能让桥梁倒塌。差别只在于能量输入是否可控。

正文

定义

共振是驱动力频率接近系统固有频率时,受迫振动振幅急剧增大的现象。

严格地说,共振是受迫振动稳态振幅在 附近出现峰值的情形。

为什么振幅会急剧增大

受迫振动每周期输入的能量为

当驱动频率远离固有频率时,驱动力与位移的相位关系使输入功有正有负,净输入很小。当 时,驱动力始终与速度同向,每周期净输入最大,而阻尼耗散有限,能量持续积累,振幅随之增大。

阻尼越小,能量积累越久,共振峰越尖锐。

共振曲线

驱动频率相对固有频率振幅
远低于接近静态位移,变化平缓
接近急剧增大,出现峰值
等于理论上最大
远高于趋于零

有阻尼时峰值有限,且峰值位置略低于固有频率。无阻尼理想情形下峰值趋于无穷,实际系统不存在这种情况。

共振的两面性

有利应用原理
乐器发声琴箱与弦共振,放大声音
收音机选台LC 电路谐振选出特定频率
微波炉加热微波频率接近水分子转动/振动频率
核磁共振射频场频率匹配自旋进动频率
有害情形后果
桥梁风致振动塔科马海峡大桥因风致振动倒塌
士兵齐步过桥步频接近桥的固有频率,可能引发共振
机械共振发动机转速接近结构固有频率时剧烈振动

因此工程上有两种相反的策略:需要放大的地方提高 ,需要稳定的地方加大阻尼、错开固有频率。

例子分析

横杆实验:多个摆长不同的小球挂在同一横杆上。推动其中一个,摆长相同的小球因固有频率相同而共振,振幅最大;摆长不同的只做微小受迫振动。

这个实验直观说明了:共振的条件是频率匹配,不是“距离近”或“材质相同”。

建筑中的处理

对于桥梁和大厦这类受风影响较大的结构,需要尽量避免风致振动频率与结构固有频率重合:

  • 增加阻尼装置(调谐质量阻尼器)
  • 改变结构质量分布,调整固有频率
  • 采用流线型截面,减少涡激振动

引出

共振时能量从哪里来,为什么不会违反能量守恒?

为什么阻尼越小共振峰越尖,但实际系统不会真的趋于无穷?

非线性系统中,共振曲线会出现什么新现象?