▲可以想象，如果外界有这些频率的振动源，我们 人体一定会感到不舒服，事实上我们的周围就存在这些 振动源，那就是次声。பைடு நூலகம்
3.4 工程中的振动问题
3 共振与人类的健康
人体器官的固有频率
3.4 工程中的振动问题
3 共振与人类的健康 ◆职业驾驶员往往容易患胃病，除了和他们的工作 紧张有关外，车辆(特别是土路上行进的拖拉机 )的次声 振动也是一个主要因素。 ◆人们的晕车晕船主要和身体体质有关外还和次声 有关：有的人乘坐越高级的轿车反而晕得越厉害，其主 要是高级轿车采取了很多措施控制振动，但次声段的低 频振动却很难控制，这样，高级轿车次声频段振动的相 对比例反而大，易晕车的人乘坐后反应就特别大。 ◆由于人体的自身振动和来自外界的振动有着十分 紧密的关系，所以，利用振动的特性也可以造福人类。 振动工作者和医务人员共同研制成功了各种消除疲劳和 治疗疾病的振动机械。
3.4 工程中的振动问题 1建筑物的共振破坏
近代工程上许多因共振造成的灾难性事故给 我们留下的教训就显得非常深刻。 1940年7月1日美国西海岸华盛顿州建成了一 座当时位居世界第三的 Tacoma 大桥。大桥中央 跨距为853.4 m，全长1810.56 m，桥宽11.9 m， 梁高为 1.3 m ，为悬索桥结构，设计可以抗 60 m/s 的大风。但不幸的是大桥刚建成 4 个月后 (1940年11月7日)就在19 m/s的小风吹拂下整体塌 毁。
3.4 工程中的振动问题
1 建筑物的共振破坏
Tacoma大桥的横截面与气流的旋涡脱落
Tacoma 大桥遭风塌毁的原因就是气流与大桥的共 振所引起的。当风吹过大桥时，气流会在大桥的背风面 产生旋涡，而在19 m/s风速时旋涡脱落的频率与悬索上 桥板的固有频率刚好一致，再加上悬索桥的小阻尼，从 而产生了强烈的共振。因此尽管桥塌毁的这天风并不是 很大，但却吹垮了整座大桥。
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2 电线在风中唱歌
图
流体中冯卡门涡旋街的真实照片
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2 电线在风中唱歌
◆每当涡旋离开电线时，它会传递给电线一个微弱 的冲力。 ▲原因是涡旋有动量，而涡旋和电线总动量是守恒 的；所以每个涡旋离开时都会给电线一个推动。 ◆在某个风速下，涡旋会以电线的共振频率开始脱 离，从而引起电线运动。这种共振效应就是为什么在恰 当的风速下风中的电线会开始唱歌的原因。 ▲古希腊人注意到竖琴发出的可怕的声音就是这个 效应的结果；我们称这个效应为风鸣琴。
在 西 方 ， 直 到 15 世 纪 ， 意 大 利 人 达· 芬奇才开始做共振实验。直到17世纪， 牛津的诺布耳和皮戈特才以所谓的“纸 游码” ( 相当于纸人一类的东西 ) 实验， 来证明弦线的基音和泛音的共振关系。
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生活和工程中的共振问题
■在我国的史籍中也有不少共振的记载。唐朝开元年间， 洛阳有一个姓刘的和尚，他的房间内挂着一幅磬(古代(佛教) 打击乐器 )，常敲磬解烦。有一天，刘和尚没有敲磬，磬却 自动响起来了，不料那磬常常无故自鸣，尤其是半夜里会突 然响动，犹如鬼使神差一般，这使他大为惊奇，终于惊扰成 疾。他的一位好朋友曹绍夔是宫廷的乐令 (管理皇家音乐事 项 )，不但能弹一手好琵琶，而且精通音律，闻讯前来探望 刘和尚。经过一番观察，他发现每当寺院里的钟响起来时， 和尚房里的磬也跟着响了。于是曹绍夔拿出刀来把磬磨去几 处，从此以后磬就不再自鸣了。他告诉刘和尚，这幅磬的音 律(即所谓的固有频率 )和寺院的钟的音律一致，敲钟时由于 共振，磬也就响了。将磬磨去几处就是改变它的音律，这样 就不会引起共鸣。刘和尚恍然大悟，病也随之痊愈了。
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1 建筑物的共振破坏
美国华盛顿州Tacoma悬索桥
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1 建筑物的共振破坏 Tacoma 桥 破 坏 时 ， 当 地 Tacoma 报 社 的 编 辑 Leonard Costsworth恰好路过，并用摄影机记录下一段 珍贵的胶片。
据说，在出事当天，一位记者把车停在桥上，并把 一条狗留在车内。桥倒塌时，只有他本人跑到了桥台处。 当地的报纸以简洁的标题对这场事故作了报道，“损失： 一座桥、一辆汽车、一条狗”。
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3 共振与人类的健康 ▲共振对人类健康有好的一面，同时还会产生直接的 危害。 ▲人体，甚至人体的某个器官也是弹性-质量系统， 因此它们也有自己的固有频率。 ▲人体的平均固有频率一般在 4～5 Hz(赫兹)，各主 要器官的固有频率为3～6 Hz。 ▲次声是频率为0.01～20 Hz的低频声波，这个频率 范围与人体一些主要器官的固有频率处于同一频段，因 此，它很容易引起人体重要器官的共振。
3.4 工程中的振动问题
生活和工程中的共振问题 ■我国古代很早就对共振现象有记述，公元前 4 世 纪至公元前3世纪，我国《庄子· 杂篇· 徐无鬼》中，就讲 到了调瑟 (有 25根弦的古代弦乐器 )时发生共振的现象： “鼓宫 ( 音谓名 ) 宫动，鼓角 ( 音调名 ) 角动，音律同矣。 夫改调一弦，于五音无当也，鼓之，二十五弦皆动。” 它既描述了基音的共振现象，又描述了基音和泛音的共 振现象。 ■《墨子 • 备穴篇》还记述了共振现象的具体应用； 在城墙根下每隔几米，挖一个坑，坑内埋臵容器为 70～80升的陶瓮，瓮口蒙上皮革。若有敌人挖地道攻城， 可以根据各陶瓮声响情况，确定敌人挖掘的位臵和方向。
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2 电线在风中唱歌 ◆共振的另一个例子是电线在风中歌唱。想像一根 悬挂在风中的绷紧的电线。绕着线的横截面流动的空气 如图(a)所示。
如果风速足够大，那么电线周围平滑的空气流就变 得不稳定了。风试图绕着电线运动以防止形成真空。如 果速度太高，风就不能以平滑的流动来做到这一点，而 会在两侧形成涡流，如图(b)所示。
3.4 工程中的振动问题
生活和工程中的共振问题 ■世界上最早进行共振实验，是在11世纪我国宋代 科学家沈括 (1031～ 1095)。沈括在《梦溪笔谈》中精心 设计了一个声学共振实验，他剪了一个纸人，把它固定 在一根弦上，弹动和该弦频率成简单整数比的弦时，它 就振动使纸人跳跃，而弹其它弦时，纸人则不动。沈括 把这种现象叫做“应声”。
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1 建筑物的共振破坏
计算机模拟图
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1 建筑物的共振破坏
10 年以后，在同一地方重新修建 Tacoma 桥。仍采用悬 索桥型式，新桥总长较旧桥长12 m，但加劲梁改为桁架式。 于1950年10月14日建成通车。
新桥是根据冯卡门的建议修改后建造的。主要的改变是 把桥修成四车道宽，使用侧面开放的桁架，并且在车道之间 放通风的铁栅格以平衡桥面上下的风压。在大风天，人们还 是紧张地望着它，但它一直纹丝不动。
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3 共振与人类的健康
形成声音的声波能够成为极具残忍性和欺骗性的隐 形杀手。________声波武器
1974年法国马赛的国家科学试验中心的科学家曾作 过这样一个实验，发明了世界上第一个具有破坏力的次 声发生器，这种用一台小型飞机发动机驱动的类似于大 哨子的东西，吹出的次声波能伤及8 km(千米)以外被照 射到的人。首次进行该实验的时候，周围被照射的人感 到胃、心、肺等强烈不适，幸而及时关闭了发生器才没 有发生意外事故，但这些人在几小时内仍没有恢复正常。 声波武器的研制还有许多技术问题尚待克服，比如 如何让声波分清敌我友就是个很难的问题。
3.4 工程中的振动问题
4 火车秤的工振原理 在了解了共振的原理后，我们不仅可以防止有害共 振，而且可以利用共振的特性为人类服务。
现代货运火车每节车厢 可以装载 60 ～ 100 吨的矿石， 直接称量几乎不可能。
火车秤的原理
利用共振原理研制了火车秤平台，在平台的下面安 装一个激振器，在平台上安装一个测振器，激振器可以 连续输出不同的频率振动，测振器可以感应到系统的响 应。当系统振幅最大时激振器的频率就是系统的固有频 率，这样就可以计算出系统的质量，从而可以称出火车 装运矿石的重量。
3.4 工程中的振动问题
生活和工程中的共振问题
▲物理学中的实验同样可以得出“虽然驱动力很小，但共振 的结果却可以是惊人地大。”的结论。如图所示一个音叉，它固 定在一个音箱上，音箱用来放大音叉的声音。当把一个同样的音 叉放在附近的音箱上，并敲击它，那第一个音叉就会产生所谓的 共鸣振动而响起来。下面说明为什么：当来自第二个音叉的一系 列声波撞击到第一个音叉上时，空气的每一次压缩给这个音叉一 个小的推动。由于这些推动的发生频率就是音叉的固有频率 ( 两 个音叉是一样的 ) ，所以它们逐次地增加振动的振幅。考虑到这 个干扰声是如此微弱，发现这样结果是令人吃惊的：一个音叉发 出的这种微弱的声音所造成的空气压强的变化约为 1/108，却足以 使第二个音叉振动起来。
3.4 工程中的振动问题
3 共振与人类的健康
◆音乐除了能够丰富人们的心理活动、愉悦身心的 功能外，还是目前心理治疗的方法之一。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。科学家们还认为，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。良性音乐能提高大脑皮层的兴 奋性，可改善人的情绪，振奋人的精神。同时，有助于 缓解心理、社会因素造成的紧张、焦虑、忧郁等不良心 理状态。
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1 建筑物的共振破坏
◆调查这次倒塌的委员会包括了加州理工学院的空气动 力学家冯卡门。他解释说在桥的顶部和底部正在涌出涡旋， 它们以桥的共振频率推动着桥，最后导致桥的倒塌。在华盛 顿大学和加州理工学院的风洞实验室用结构模型做的实验都 证实了他的解释。尽管已经证实了，但是桥的建筑方还是十 分不愿意接受这个解释。桥梁建筑师关心的是静态的力，他 们构筑了极强的强度来面对最大的负载、水流、大风等。他 们不考虑动态的力。冯卡门说，呈现在大风面前的路面形状 其作用就像飞机的机翼，空气形成了涡旋，而正是涡旋的作 用导致了桥面的振动。 ◆从那场灾难事件以后，所有重要的桥梁模型都在风洞 里做过测试，也迫使桥梁工程师们考虑他们设计中的空气动 力学问题。