共振频率（使系统振动比较容易的频率）

简介

不管是力学、声学，还是电子系统，都会有多个共振频率。在这些频率上，该系统振动比较容易，在其它频率上振动比较困难。如果引起振动的频率比较复杂的话，系统一般会“挑出”其共振频率并随此频率振动，而将其它频率过滤掉。

共振频率

误区解析

固有频率是某种物质特有的固定振动频率。我们知道，每种物质都会振动。但因为物质中微观粒子的差异性，每种物质的频率都不同。物质在一定频率的外力作用下会以该外力的频率振动，在物理学上叫受迫振动。但因为会消耗能量，所以受迫振动的振幅会变小。当外力的频率与物质的固有频率相同时，振幅会达到最大。也就是说发生了共振，此时的频率就是共振频率。

共振的本质

一切的振动其表现形式必然是位移，其背后则必然是能量的流动。共振威力巨大的根本原因在于共振使外界的力量直接作用于分子、原子层次（或者某个其他的特定层次），并不断的吸收能量，使其发生小范围的剧烈位移。如果外界的频率与固有频率不一致，那么外力的作用对象就是整个物体，但是如果与固有频率一致，那作用对象就直接变成了一个个的分子、原子，共振破坏了粒子之间的团结，使之互相内斗，结果就使整个系统瞬间崩溃。从钟摆这个宏观的振动系统来看，如果外力的步调和钟摆的固有频率相同（比如总是在钟摆运动到最高点时，给予钟摆一个斜向下的力），那钟摆就会不断的吸收外界的能量。外界能量每一次都会被完全吸收，并且钟摆不向外界输出任何能量，这样钟摆本身所具有的能量就会急剧增加。如果外力的步调与钟摆不一致，那么上一次吸收的能量，下一次可能就被外力抵消掉，钟摆本身的重力势能也会被外力不时的抵消掉，这就使钟摆本身所具有的能量总是保持在一个波动的水平，并且峰值不会太高，能量在反复的吸收、散失、吸收、散失。

简言之，共振的威力就在于外力以最精准的方式（或者说节奏）作用于物体最微观的层次（或者说特定的层次），使物体在该层次的每个基本单元（比如钟摆、原子、分子）像癌细胞一样不断吸收能量，进而发生剧烈位移，并最终在该层次产生极大的破坏作用。

共振的过程类似于一个强烈的正反馈过程，可以使系统在短时间内剧烈膨胀。

应用

产生共振的重要条件之一，就是要有弹性，而且一件物体受外来的频率作用时，它的频率要与后者的频率相同或基本相近。从总体上来看，这宇宙的大多数物质是有弹性的，大到行星小到原子，几乎都能以一个或多个固有频率来振动。

共振不仅在物理学上运用频率非常高，而且，共振现象也可以说是一种宇宙间最普遍和最频繁的自然现象之一，所以在某种程度上甚至可以这么说，是共振产生了宇宙和世间万物，没有共振就没有世界。  共振现象在生活中也被广泛应用，荡秋千暂且不论，我们每天看的电视，上的网络，甚至是我们眼睛看到的一切事物，都是根据共振原理而接受信号的。

作用

共振能充当地球生物的保护神。我们知道，紫外线是太阳发出的一种射线，它们如果大举入侵地球，人类及各种生物势必遭受极大的危害，因为过量的紫外线会使生物的机能遭到严重的破坏。不过不用担心，我们有大气层中的臭氧层，是它们借助于共振的威力，阻止了紫外线的长驱直入。当紫外线经过大气层时，臭氧层的振动频率恰恰能与紫外线产生共振，因而就使这种振动吸收了大部分的紫外线。所以，共振能使大气中的臭氧层变得如防晒油一样，保证我们不至于被射线的伤害。

另外，共振还能使地球维持在适当的温度，给地球生命创造出一个冷热适宜的生长环境。因为虽然经过臭氧层的堵截围追，但仍有少部分紫外线能够成功地突破层层防线，到达地球表面。这部分紫外线经过地球吸收后，能量减少，变为红外线，扩散回大气中。而红外线的热量，又恰好能和二氧化碳产生共振，然后被“挽留”在大气层中，使大气层保有一定温度，让万物在温暖和煦的环境中孕育成长。

俗话说万物生长靠太阳，其实也可以这么说：万物生长靠共振。因为我们所熟知的植物的光合作用，亦是叶绿素与某些可见光共振，才能吸收阳光，产生氧气与养分。所以没有共振，植物便不能生长，人类和许多动物也就因此会失去了食物的来源。也就是说，没有共振，地球上的生命便不能长期存在。

共振还是一个善于使用色彩和色调的魔幻绘画师，把我们所看到的每一件物体都神奇地染上了颜色，使我们这个世界变得五彩斑斓、艳丽缤纷。钠光是黄的，因为钠原子的振动产生所产生的是黄色的光。水银原子的振动发出蓝光。氖原子送出的振动到了你眼中，就成为了红色。在地面，共振也把所有的物体都染上了各式各样的颜色，从花卉到水果。红苹果把太阳光中我们称为蓝光和绿光的振动频率吸收了，因此我们看到的它就是红艳艳的、令人馋涎欲滴的样子。绿叶中的叶绿素分子的振动频率在太阳的红光及蓝光范围，所以共振把这两种颜色都“贪污”了，而只把绿的颜色反射入我们的眼里，因此树叶看上去便是生机盎然浓绿或嫩绿。也是这同一片叶子，到了秋天的时候，它被共振所“贪污”的却是绿光，因而这时反射出的是或黄或红的色彩，映衬出秋天的苍凉和凄美。就是那种很虚幻的彩虹也是因为有了共振，才有了赤橙黄绿青蓝紫。因此，我们的生活中有着如此美丽迷人的花红柳绿、斑斓烂漫，也无不是拜共振之所赐。

共振体

我们都知道，宇宙是在一次剧烈的大爆炸后产生的。而促使这次大爆炸产生的根本原因之一，便是共振。当宇宙还处于浑沌的奇点时，里面就开始产生了振荡。最初的时候，这种荡振是非常微弱的。渐渐地，振荡的频率越来越高、越来越强，并引起了共振。最后，在共振和膨胀的共同作用下，导致了一阵惊天动地的轰然巨变，宇宙在瞬间急剧膨胀、扩张，然后，就产生了日月星辰，于是，在地球上便有了日月经天、江河行地，也有了植物蓬勃葳蕤、动物飞翔腾跃。

共振不仅创造出了宏观的宇宙，而且，微观物质世界的产生，也与共振有着密不可分的干系。从电磁波谱看，微观世界中的原子核、电子、光子等物质运动的能量都是以波动的形式传递的。宇宙诞生初期的化学元素，也可以说是通过共振合成和产生的。有一些粒子微小到简直无法想象，但它们可以在共振的作用之下，在100万亿分之一秒的瞬间，互相结合起来，于是新的化学元素便产生了。因为宇宙中这些粒子的生成与共振有着如此密切的关系，所以粒子物理学家经常把粒子称为“共振体”。

生物体内

人除了呼吸、心跳、血液循环等都有其固有频率外，人的大脑进行思维活动时产生的脑电波也会发生共振现象。类似的共振现象在其它动物身上也同样普遍地存在着。如动物之间脑电波的传递，信息的交流，都离不开共振。

危害案例

1）桥梁倒塌

19世纪初，一队拿破仑士兵在指挥官的口令下，迈着威武雄壮、整齐划一的步伐，通过法国昂热市一座大桥。快走到桥中间时，桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌，造成许多官兵和市民落入水中丧生。后经调查，造成这次惨剧的罪魁祸首是共振。因为大队士兵齐步走时，产生的一种频率正好与大桥的固有频率一致，使桥的振动加强，当它的振幅达到最大限度直至超过桥梁的抗压力时，桥就断裂了。类似的事件还发生在俄国和美国等地。鉴于此，后来许多国家的军队都有这么一条规定：大队人马过桥时，要改齐走为便步走。

对于桥梁来说，不光是大队人马整齐的脚步能使之断裂，那些看似无物的风儿同样也能对之造成威胁。1940年，美国的全长860米的塔柯姆大桥因大风引起的共振而塌毁，尽管当时的风速还不到设计风速限值的

2）地面共振

当直升机在地面工作时(或滑跑时)受到外界振动后，旋翼桨叶运动偏离平稳位置，如旋翼以后退型摆振运动，这时桨叶重心偏离旋转中心，旋翼重心的离心激振力，激起机身在起落架上的振动；机身振动反馈于旋翼的摆振运动，对旋翼起支持激振的作用，形成一闭环系统，使得旋翼摆振运动越来越大，当旋翼后退型频率与机身在起落架上的某一模型的频率相等或接近时，系统的阻力又不足以消耗它们相互激励的能量，这时整个系统的振动就会是不稳定的，振动幅度（简称振幅）将越来越大，直到直升机毁坏才告终，即出现了地面共振。

3）机器损坏

机床运转时，运动部分总会有某种不对称性，从而对机床的其他部件施加周期性作用力引起这些部件的受迫振动，当这种作用力的频率与机床的固有频率接近或相等时，会发生共振，从而影响加工精度，加大机械钢铁的疲劳破坏，加大机械的损害程度。

4）次声波共振

对人危害程度尤为厉害的是次声波所产生的共振。次声波是一种每秒钟振动很少、人耳听不到的声波。次声波的声波频率很低，一般均在20赫兹以下，波长却很长，不易衰弱。自然界的太阳磁暴、海浪咆哮、雷鸣电闪、气压突变、火山爆发；军事上的原子弹、氢弹爆炸试验，火箭发射、飞机飞行等等，都可以产生次声波。在我们工作、学习和生活的周围，能够产生次声波的动力设备很多，如鼓风机、引风机、压气机、真空泵、柴油机、电风扇、车辆发动机等。

次声波的这种神奇的功能也引起了军事专家的高度重视，一些国家利用次声波的性质进行次声波武器的研制，已研制出次声波枪和次声波炸弹。不论是次声波枪还是次声波炸弹，都是利用频率为

5）其它

由于共振的力量，巨大的冰川能被“温柔”的海洋波涛给拍裂开。甚至于美国阿拉斯加李杜牙湾经常出现的高达上百米的巨浪，也是由于共振在其中发挥了很大的“推波助澜”的作用。因为共振在这个海湾“作威作福”实在是太厉害了，所以许多航海人对这个海湾都是“敬”而远之。

给人类带来重大伤亡和财产损失的地震，其中亦有共振的“幢幢魔影”：当地壳里的某一板块发生断裂时，产生的波动频率传到地面上，与建筑物产生强烈的共振，于是，就造成了屋毁人亡的惨剧。

持续发出的某种频率的声音会使玻璃杯破碎。高山上的一声大喊，可引起山顶的积雪的共振，顷刻之间造成一场大雪崩。行驶着的汽车，如果轮转周期正好与弹簧的固有节奏同步，所产生的共振就能导致汽车失去控制，从而造成车毁人亡……

人们在生活和生产中会接触到各种振动源，这些振动都可能会对人体产生危害。有科学测试知道人体各部位有不同的固有频率，如眼球的固有频率最大约为60赫兹，颅骨的固有频率最大约为200赫兹等。把人体作为一个整体来看，水平方向的固有频率约为3-6赫兹，竖直方向的固有频率约为48赫兹。因此，跟振动源十分接近的操作人员，如拖拉机驾驶员，风镐、风铲、电锯、镏钉机的操作工，在工作时应尽量避免这些振动源的频率与人体有关部位的固有频率产生共振。并且，为了保障工人的安全与健康，有关部门已作出了相应规定，要求用手工操作的各类振动机械的频率必须大于20赫兹。

人类对付共振危害的方法更是多种多样和更加先进。例如：人们在电影院、播音室等对隔音要求很高的地方，常常采用加装一些海绵、塑料泡沫或布帘的办法，使声音的频率在碰到这些柔软的物体时，不能与它们产生共振，而是被它们吸收掉。又如电动机要安装在水泥浇注的地基上，与大地牢牢相连，或要安装在很重的底盘上，为的是使基础部分的固有频率增加，以增大与电机的振动频率(驱动力频率)之差来防止基础的振动。

大街上的行人、车辆的喧闹声、机器的隆隆声—这些连绵不断的噪声不仅影响人们正常生活，还会损害人的听力。于是人们发明了一种消声器，它是由开有许多小孔的孔板和空腔所构成，当传来的噪声频率与消声器的固有频率相同时，就会跟小孔内空气柱产生剧烈共振。这样，相当一部分噪声能在共振时被“吞吃”掉，而且还能够转变为热能来进行使用。

1）古代

中国人对于声音共振的运用，可以追溯到很久远的年代。早在战国初期，当时的人就发明了各种各样的共鸣器，用来侦探敌情。《墨子·备穴》记载了其中的几种：在城墙根下每隔一定距离挖一深坑，坑里埋置一只容量有七八十升的陶瓮，瓮口蒙上皮革，这样，实际上就做成了一个共鸣器。让听觉聪敏的人伏在这个共鸣器上听动静，遇有敌人挖地道攻城的响声，不仅可以发觉，而且根据各瓮瓮声的响度差可以识别来敌的方向和远近。另一种方法是：在同一个深坑里埋设两只蒙上皮革的瓮，两瓮分开一定距离，根据这两瓮的响度差来判别敌人所在的方向。

以上几种方法被历代军事家因袭使用。明代抗倭名将戚继光曾用上面的方法来侦听敌人凿地道的声音。甚至在本世纪的一些现代战争中，不少国家和民族还继续采用这些方法。

我国古时还发明出了另一种更加轻巧、简便、实用的共鸣器。如唐代的军队中就有一种用皮革制成的叫做“空胡鹿”的随军枕，让听觉灵敏和睡觉警醒的战士在宿营时使用，“凡人马行在三十里外，东西南北皆响闻”。当声音通过地面传播到空穴时，在空穴处产生交混回响，于是就能知道敌人的多寡远近。值得一提的是，这种用竹筒听地声的方法正是现代医用听诊器的滥觞。

宋代的科学家沈括就曾巧妙地利用共振原理设计出了在琴弦上跳舞的小人。他先把琴或瑟的各弦按平常演奏需要调好，然后剪一些小小的纸人夹在各弦上。当弹动不夹纸人的某一弦线时，凡是和它共振的弦线上的纸人就会随着音乐跳跃舞动。这个发明比西方同类发明要早几个世纪。

据史籍记载，我国晋代就有人对声音共振现象作出了正确的解释，并已经能够完全认识到，防止共振的最好的方法是改变物体的固有频率，使之与外来作用力的频率相差越大越好。

古时还有一个有趣的故事，说的就是人们如何巧妙地消除共振的。唐朝时候，洛阳某寺一僧人房中挂着的一件乐器，经常莫名其妙地自动鸣响，僧人因此惊恐成疾，四处求治无效。他有一个朋友是朝中管音乐的官员，闻讯特去看望他。这时正好听见寺里敲钟声，那件乐器又随之作响。于是朋友说：你的病我可以治好，因为我找到你的病根了。只见朋友找到一把铁锉，在乐器上锉磨几下，乐器便再也不会自动作响了。朋友解释说这件乐器与寺院里的钟声的共振频率相合，于是敲钟时乐器也就会相应地鸣响，把乐器稍微锉去一点，也就改变了它的固有振动频率，它就不再能和寺里的钟声共鸣了。僧人恍然大悟，病也就随着痊愈了。

2）现代技术

随着科技的发展和对共振研究得更加深入，共振在现代社会和生活中“震荡”得更为频繁和紧密了。

弦乐器中的共鸣箱、无线电中的电谐振等，就是使系统固有频率与驱动力的频率相同，发生共振。电台通过天线发射出短波/长波信号，收音机通过将天线频率调至和电台电波信号相同频率来引起共振。将电台信号放大，以接受电台的信号。电波信号通过天线向空中发射信号，短波通过云层发射，长波通过直接向地球表面发射。收音机的天线将共振磁环的频率调节至和电台电波信号相同时就会产生共振，电波信号将被放大，然后天线将放大后的信号经过过滤后传至喇叭发声。

在建筑工地经常可以看到，建筑工人在浇灌混凝土的墙壁或地板时，为了提高质量，总是一面灌混凝土，一面用振荡器进行震荡，使混凝土之间由于振荡的作用而变得更紧密、更结实。此外，粉碎机、测振仪、电振泵、测速仪等，也都是利用共振现象进行工作的。

进入20世纪以后，微波技术得到长足的发展，使人类的生活进入了一个全新的、更加神奇的领域。而微波技术正是一种把共振运用得非常精妙的技术。微波技术不仅广泛应用在电视、广播和通讯等方面，而且“登堂入室”，与人们的日常生活愈来愈密切相关，微波炉便是家庭应用共振技术的一个最好体现。

具有2500赫兹左右频率的电磁波称为“微波”。食物中水分子的振动频率与微波大致相同，微波炉加热食品时，炉内产生很强的振荡电磁场，使食物中的水分子作受迫振动，发生共振，将电磁辐射能转化为热能，从而使食物的温度迅速升高。微波加热技术是对物体内部的整体加热技术，完全不同于以往的从外部对物体进行加热的方式，是一种极大地提高了加热效率、极为有利于环保的先进技术。

专家研究认为，音乐的频率、节奏和有规律的声波振动，是一种物理能量，而适度的物理能量会引起人体组织细胞发生和谐共振现象，这种声波引起的共振现象，会直接影响人们的脑电波、心率、呼吸节奏等，使细胞体产生轻度共振，使人有一种舒适、安逸感，音律的变化使人的身体有一种充实、流畅的感觉。它活化了体内的细胞，加快了血液的流动，激活了人的物理层次的生命潜能。人们还发现，当人处在优美悦耳的音乐环境中，可以改善精神系统、心血管系统、内分泌系统和消化系统的功能，促使人体分泌一种有利健康的活性物质，提高大脑皮层的兴奋性，振奋人的精神，让人们的心灵得到了陶冶和升华。所以，人们已经开始运用音乐产生的共振，来缓解人们由于各种因素造成的紧张、焦虑、忧郁等不良心理状态，而且还能用于治疗人的一些心理和生理上的疾病。

粒子加速器对于物理学的研究和发展是至关重要的，而粒子加速器对于共振的运用，用“登峰造极”来形容也一点不为过。在粒子物理的基本小宇宙中，每一种能量都有对应的频率，反之亦然，这是很自然的物质互补原理，既有波波动又有粒子的特性。物质因为具有波的性质，也就有了频率。粒子加速器就是运用了这样的共振原理，把许多小小的“波纹”叠加起来，结果变成很大的“波峰”，可把电子或质子推到近乎光速，在高速的相撞下产生新的粒子来。