浅谈振动与波动

来源：管窥物理公众号（ID：agrainofphysics），原文摘录自《振动和波动》，作者：陈熙谋。

人类生活在运动的世界里，机械运动是最直观的物理运动形式，它描述物体的位置、方向如何随着时间的推移而变化。研究机械运动的基础物理内容，构成了经典力学。在机械运动中，除了物体发生平动和转动之外，还有常见的运动就是振动和波动了。人类生活中，到处都有振动的例子。人们乘车、船以及飞机会感到振动；工厂中大型机械运转时，机器甚至厂房会振动；农民在耕种时，农具会振动；甚至地球本身也在不时地因地壳运动而振动着。广义而言，人体内心脏的跳动、肺脏的扩张和收缩等，也在一定意义上属于振动。振动并不限制在机械运动范围之内，电流和电压在交流电路中围绕着一定的数值往复变化，也是一种振动，振动现象比比皆是。     

有的振动有利，有的振动有害，人们广泛地应用着有利的振动。日常生活中，人们须臾不可离开的各种计时装置利用着振动，通信、电视以及发电等，是电磁振动在不同领域中的具体体现；中学物理教科书上常举的共振筛、理发推以及播种机，是机械振动的应用。

振动的有害方面也不少。人们需要安静的工作环境时（如进行精密的天平测量时），周围街道上的车辆移动甚至都会成为一种干扰。在工厂的生产中，不利振动更是多见。例如大型化工厂的空气压缩机一般都安装在钢结构的厂房里，当卧式活塞空气压缩机运转时，活塞做水平方向的往复运动。活塞来回运动一次，机器和厂房构成的整个系统的质心也相应地在水平方向来回运动一次，这导致厂房自身的质心在水平方向做相应的往复运动。同样地，机器竖直方向的往复运动，也会导致与其固连的厂房相应地上下振动。如果厂房设计得不合理，或者在合理设计的厂房内随便变更空气压缩机的转速，都有可能导致厂房的振动加剧，甚至发生受迫振动下的共振，使厂房形变过大发生损坏甚至坍塌。

此外，还有有害的自激共振现象。风吹过烟囱或桥梁，在适当的风速和建筑物尺寸下，就会发生破坏性的自激共振。1953年在美国有一只直径为5m、高约90m的焊接烟囱，在风速约为16m/s的强风持续吹动下，1Hz的固有频率发生自激共振。共振后不久，烟囱就发生挠曲，并且开了个大裂缝。对于有害的振动，根据其发生机理，可以加装特定的隔振装置或采取防振措施加以抑制或消除。

说到振动，就要谈到波。粗略地说，波就是振动的传播。实际上，人们能够感知振动的存在，总是离不开振动的某种传播过程。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程，人类最早认识和研究的波恐怕就是机械波中的声波了。无线电波、X射线以及光是电磁振动的传播，不过这种传播已经不再需要借助任何介质来实现，它可以在真空中传播。同为振动的传播，声波和电磁波传播的机理不同，前者是弹性介质中质元受到因应变产生的应力的驱动，把介质中的局部形变（即振动）传播开来；而后者基于电磁感应现象，把电路中局部范围内的电或磁的振动散播开去。

波动的利用同样相当广泛，如各种无线电通信、光测量、音乐欣赏以及超声波诊断或探伤，比比皆是。不必要的波动干扰，例如空中杂散电波对于各种电子设备的影响，可以采用吸收或屏蔽的方法加以降低或消除。现代隐形飞机采用的隐形技术之一，就是在飞机外附加一层特别材料，它对雷达波段的无线电波有强烈吸收作用而极少反射，从而使隐形飞机在接收雷达反射波的屏幕上图像变模糊，甚至消失。高级音乐厅的墙壁上或空中往往设置足够面积的吸声板，用以控制乐音在空中的抑扬时间（交混回响时间），提高音响质量。