機械振動與電磁振蕩的妙用

趙鵬睿 崔彥彬

(華北電力大學機械工程系 河北 保定 071001)

一般地說，任何一個物理量的值不斷地經過極大值和極小值而變化的現象，稱為振動，振動是自然界中最普遍的一種運動形式．

電磁振蕩和機械振動屬于不同的物理現象，屬不同的領域，都有各自的研究對象，表面上似乎互不關聯，但仔細研究它們的規律時，物理本質上存在著某些共同的規律——振動原理，也就是運用振動或振蕩，便將一種規則的、周期性的變化包含在一個平均值附近．

振蕩現象與我們的生產生活密切相關，振動原理的應用自古有之．例如計時方法，大概除了日晷、沙漏、滴漏以外，其余的計時原理都與振蕩有關，從較簡單的單擺、平衡輪，直至石英鐘、銨分子鐘、銫原子鐘，都是利用振蕩現象來實現對時間的計量．進一步的考察使我們認識到，振蕩過程總是伴隨著反復的能量轉換．例如單擺的振蕩，就是動能和重力勢能之間的反復變換．氨分子鐘亦然，只不過是把重力換成了鍵力．

生產中成功運用振動原理的發明可謂俯拾皆是．有一種運送物料的裝置就巧妙地利用了振動，它可以使粉狀的、顆粒狀的或成型的物料或產品沿直線的或螺旋的通道移動，其作用原理是非對稱振動．若不是非對稱，物料只能在原地振動，而不會如我們所希望的實現定向移動．而這種振蕩巧就巧在只需一個工頻振蕩的電磁鐵就可實現，從而省去了軸輥或傳送帶這些需要維護的部件．

振動原理的另一項成功運用是沖擊鉆．很難設想若沒有沖擊鉆，巖石打孔、建筑安裝或電氣安裝的打孔等作業將如何完成．如果只是用鉆頭在巖石或混凝土構件上簡單地旋轉，不但進度奇慢，而且摩擦的熱量會使鉆頭前端焊接的合金鋼與鉆桿開焊、脫落．只有加入振動后，一方面是有力度的軸向錘擊，另一方面通過旋轉將震碎的殘渣排出，才能實現較可觀的工作效率．與此相似，風鎬、混凝土振搗棒也都是振動原理的成功應用．成功運用振動原理的發明可謂比比皆是．

聲學領域也是震蕩應用的主要領域，很多發明和振蕩密切相關的．嚴格地說，次聲、可聞聲以及超聲的差別僅在于振蕩頻率的不同，只是根據我們的感知來加以區分的．

1877年，當愛迪生第一次把唱頭的唱針輕輕放在錄音錫簡上時，他在該領域開創了新紀元．因為在此之前誰能認識到聲音竟然是可以儲存的?也沒有人敢設想讓機器來模仿人的聲音．這是愛迪生對振動現象的一次經典運用．

量變導致質變，聲振蕩頻率的差異必然導致其特性的差異．例如，次聲不易衰減的特性可以用來預測災變，利用次聲與人體臟器的共振而產生了次聲武器．超聲則在非常寬泛的領域顯示出神奇的功效．例如在醫療方面用于診斷治療，航海方面用于聲納，工業方面用于探傷、鉆孔、成像、干預化學反應等．

電磁振蕩對社會進步的貢獻怎么說也不過分．1865年麥克斯韋方程預示了電磁波的存在．此后，在1887年赫茲通過實驗證實了麥克斯韋理論的正確，自此，我們生活的空間就增加了一種新的存在——電磁波．嚴格地說是人工產生的電磁波，因為自然形態的電磁波一直就充斥于宇宙空間．無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線都是電磁波，它們的區別僅在于波長不同，但都以光速傳播．自從19世紀末意大利人馬可尼和俄羅斯人波波夫各自成功地進行了無線電通信試驗以來，人們在這領域的探索就一發不可收拾．最初人們嘗試用不同波段的無線電波進行通訊，僅此項就夠讓當時的人們興奮好大一陣子的了．然后，在1906年無線電廣播出現了．1925年發明了電視機；1936年軍用雷達誕生；1946年電子計算機誕生；1947年基于雷達的技術成果，微波爐誕生；1954年彩色電視誕生；20世紀末手機誕生了，手機的出現極大地改變了我們的生活，以至于今天的人們很難想象，如果沒有手機我們將如何應對日常事務．

這一切都源于振動與振蕩，而這些成就大多集中在近200年的時段里．振動與振蕩現象為我們的發明創新提供了無窮無盡的可能性和想象空間，而我們在這領域的探索才剛剛開始．

任何事物都有兩方面，振動雖然改變著我們的生活，影響著世界的進程，但是，振動引起的噪音會影響人們的身體健康，過大的振動會影響加工精度、儀表的測精度、控制系統失靈等．機械振動還要消耗能量，影響機械的效率，強烈的振動會引起零部件結構破壞，甚至造成嚴重事故．