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振動現象的特性

日常生活中有非常多的振動現象,地震、洗衣機脫水時的振動、汽機車引擎運轉時的振動、冷氣機的噪音、電腦風扇引起的噪音、高鐵經過的振動,這些都是非常典型的振動現象。簡單地說,只要物體發生來回的運動,就可以定義為振動現象 (vibration)。

振動現象會發生,一定要存在兩個要素,一個是作用力的來源,也就是所謂的激振元 (excitation),另外一個要素則是傳遞作用力的介質。以冷氣機的噪音為例,壓縮機的運動就是激振元,而冷氣機內的機構及空氣就是傳遞該作用力的介質;以地震為例,地底的壓力釋放就是激振元,而地殼就是傳遞該作用力的介質。當激振元產生的作用力造成結構中某些與作用力直接接觸的質點開始振動,之後,靠著質點與質點間的作用力,與其鄰接的質點就會跟著被帶動,質點拖著質點,振動的能量就這樣被傳遞下去,這個傳遞的現象就是所謂的力學波或機械波 (mechanical wave)。值得說明的是,在力學波的傳遞過程中,每個質點只會在自己的平衡位置附近來回振盪,並不會隨著運動能量一起被傳遞到遠方。

力學波可分為縱波 (longitudinal wave) 及橫波 (transverse wave),視振動能量的傳遞方向與質點的運動方向而定。當振動能量的傳遞方向與質點的運動方向平行時,該種波就稱為縱波;反之,當振動能量的傳遞方向與質點的運動方向垂直時,該種波就稱為橫波。縱波之所以可以傳遞能量,是因為介質被振動能量作用,發生壓縮或拉伸的變形,再產生恢復原狀的彈性力,藉由該彈性力將能量傳遞下去。而橫波傳遞能量的機制則是因為介質被振動能量作用,發生層狀的剪切變形,再產生恢復原狀的剪切彈性力,藉由該彈性力將能量傳遞下去。在固體系統內,因為固體本身同時具有壓縮拉伸變形彈性及剪切變形彈性 (shear elastic),所以可以以橫波及縱波兩種方式傳遞能量,但在液體及氣體系統內,因為液體及氣體不具備剪切變形彈性,因此只能傳遞縱波,這也就是為什麼聲音一定是靠縱波傳遞的道理所在。通常而言,在一個固體機構或結構系統中,傳遞能量的型式都是縱波與橫波並存的,例如人們感受到地震時,通常會同時感受到上下搖動以及左右搖動,上下搖動就是以縱波形式進行能量的傳遞,而左右搖動就是以橫波形式進行能量的傳遞。

振動現象的傳遞過程中有一個不能忽略的特性,就是運動能量的守恆。系統中每一個質點的運動,都在消耗激振元所傳入的運動能量,而每一個質點在運動過程中消耗的運動能量總和,必定等於激振元所傳入的運動能量總和。

要科學地描述一個力學波的傳遞過程,可以利用幾個力學波的特徵,第一個是振幅(amplitude),也就是介質的最大振動距離。另一個特徵是周期 (period),也就是介質完成一次來回振盪的時間長度,而其倒數即為頻率 (frequency),亦即單位時間長度內介質可以完成來回振盪的次數。最後一個則是相位差 (phase delay),相位差發生的其中一個原因在於力學波的傳遞速度,由於力學波的傳遞速度是有限的,因此先被力學波影響的質點與後被力學波影響的質點在開始振動的時間上會存在一個時間差,這個時間差就是所謂的相位差。


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