Question

共振的应用

Answer 1

共振是十分普遍的自然现象，几乎在物理学的各个分支学科和许多交叉学科中以及工程技术的各个领域中都可以观察到它，都要应用到它。例如桥梁、码头等各种建筑，飞机、汽车、轮船、发动机等机器设备的设计、制造、安装中，为使建筑结构安全工作和机器能正常运转，都必需考虑到防止共振问题。而有许多仪器和装置要利用共振原理来制造。机械共振应用的典型例子是地震仪，它不仅是地震记录和研究地震预报的基本手段，也是研究地球物理的重要工具。利用共振可以制造超声工具，利用原子、分子共振可以制造各种光源如日光灯、激光以及电子表、原子钟等。在音乐艺术中，不论是声乐，还是器乐，共振都起决定性的作用，甚至可以说没有共振就没有音乐。人的听觉器官中有一精巧绝伦的共振系统，许多动物也如此。“听”可以说是利用共振原理对声振动的谐波分析。研究共振对于医学、仿生学均有重大意义。电磁振荡的共振在无线电技术中具有极重要的地位。电磁波信号的产生、接收、放大、分析处理都要靠共振来帮助。可以说凡要用到电磁波的地方离开了电磁波的共振是不可能的。共振还是探索宇宙和认识微观世界的钥匙。靠共振来辨认、识别来自宇宙的电磁波，研究宇宙中星体的物质结构、能量、质量。利用微观粒子的共振可认识微观世界的物理规律。例如利用核磁共振可以研究物质的电子结构和测量核磁矩。值得一提的是，与微观粒子共振有关的诺贝尔物理奖得奖项目就很多，象布洛赫和珀塞尔关于核磁共振技术的发明，卡斯特勒光泵技术的发明，穆斯堡尔效应的发现，巴索夫、普洛霍洛夫和汤斯发明的脉塞和激光，丁肇中和利希特发现的J/Ψ粒子等。 实际上，中国人对于声音共振的运用，还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：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。 到了现代，随着科技的发展和对共振研究的更加深入，共振在社会和生活中“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”迭加起来，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。