什么是共振？ | 浅显易懂的网络研讨会
2026/05/07
什么是振动与共振？
为什么光靠声音就能把玻璃杯震碎！？
小滨：桥本老师！前几天我在电视上看到有人光靠声音就把葡萄酒杯震碎了！光靠声音就能震碎玻璃杯，真是太令人惊讶了！这到底是怎么回事呢？
桥本老师：原来如此。那是“共振”引起的现象。在机械设计中，“共振”也是必须考虑的重要内容。这次我们就来详细学习一下“振动与共振”吧。
声音与振动
桥本老师：首先，让我们来了解一下声音与振动。我们所听到的“声音”其实就是“空气的振动”。通过敲击或摩擦物体产生“振动”，这种振动会转化为“空气的振动”，传入耳朵后，我们就听到了“声音”。由于振动必须通过空气（气体）、水（液体）、金属（固体）等介质才能传播，因此在“真空”中是听不到声音的。
“声音”包含声压（大小）、音高（频率）和音色（波形）这三个要素。我已将关于声音和振动的详细信息整理成了一张表格。
声音与振动的种类
| 声音 | 振动 | ||
|---|---|---|---|
| 大小 | 空气压力变化量 声压：dB（分贝） | 振幅 大小根据用途分别使用位移、速度、加速度 | |
 | ・位移：m |  | |
| ・速度：m/s |  | ||
| ・普通交谈：40~60 dB・电车内：80~100 dB・飞机噪音：120dB | ・加速度：m/s² |  | |
| 频率 | 音高（＝声音的高低） | 机械振动的振动频率 | |
| ・通过频率分析，可以判断振动源自哪个部位 ・可以了解固有振动数及共振的原因 | ||
| ※“频率”是指每秒钟波的重复次数，用于表示声音、振动、电流等。单位为Hz（赫兹） |  | ||
| 波形 | 音色 | 机械特性 | |
| 音叉与小提琴的“拉”音（440Hz）音色由440Hz的整数倍周期叠加决定 | ・可了解发动机的扭矩、振动 特性・可通过活塞燃烧产生的扭矩波动判断特性及异常 | ||
 |  | ||
小滨：原来如此。“声音”和“振动”之间有着密切的关系呢。
桥本老师：接下来我制作了一张比较“振动”与“人类感觉”的图表。
桥本老师：图表的纵轴代表振幅，横轴代表振动频率。 低频振动动作缓慢，所以肉眼可以观察到。超过5Hz后虽然肉眼无法察觉，但用手触摸就能感觉到振动。随着振动频率进一步升高，即使用手触摸也无法感知，但会作为异响被听见。人的眼睛、指尖和耳朵的感官非常灵敏，会在无意识中感知到振动和频率的差异呢。
为什么会发生振动和共振？
振动的种类与发生机制
桥本老师：接下来我来讲解振动的种类与发生机制。振动主要分为自由振动、受迫振动和自激振动这三种。此外，根据振动方向的不同，又可分为直线振动、弯曲振动和扭转振动。
| 按振动发生机制的分类 | ||
|---|---|---|
| 自由振动 | 受迫振动 | 自激振动 |
| 一旦施加外力，即使外力停止，振动仍会持续的现象 | 受周期性外力作用而振动，当外力频率发生变化时，振动频率也会随之变化 | 在非振动的外力作用下产生振动，并以固有振动频率振动 |
| 【具体示例】・直线 方向的固有 振动频率・扭转方向的固有振动 频率・弯曲方向的固有振动频率 | 【 具体示例】・ 电机转速 波动・不平衡・发动机转速波动 | 【 具体例子】・拉小提琴・刹车异响・卡尔曼涡流导致塔科马大桥共振 |
 |  |  |
小滨：除了与机械设计相关的设备和电机外，乐器、刹车等身边的物品也与振动有关呢。通过分析“振动”，似乎可以迅速发现机械设备的故障原因。
固有振动数与共振
桥本老师：物体都有固有的振动频率，这被称为“固有振动频率”。顺便提一下，据说人的“固有振动频率”在2~5Hz之间，一旦达到这个频率，就会让人感到不适。 汽车等交通工具的座椅，在设计时会特意避免产生相同的振动频率。 “固有振动数”可以通过测量系统或计算公式来确认。例如，对于发动机发电机，可以使用以下计算公式来求得。
■发动机发电机系统扭转固有频率简易计算公式
■什么是共振？
当施加的振动频率与固有振动频率相同时，会产生远大于施加振动幅度的振动（数十倍），这种现象被称为共振。共振倍率会因材料不同而发生显著变化。据称，金属材料的共振倍率为50~80倍，橡胶和树脂材料则为5~10倍。此外，在轴向、弯曲和扭转方向上，其固有振动频率也各不相同。
桥本老师：开场用声音震碎酒杯的表演，正是这种“共振现象”的典型例子。通过声音使空气振动，再利用音高调节频率，从而对酒杯施加强制振动。当“强制振动频率”与酒杯的“固有振动频率”相吻合时，就会产生比施加的振动更强的振动，导致酒杯破裂。
小滨：原来“固有振动频率”和“共振”之间有这样的关系啊。“共振”究竟是在什么时候、以何种方式发生的呢？希望能包括具体例子在内，详细了解一下。
共振何时发生？
各种共振现象
1. 发动机与发电机的共振
当发动机扭矩的周期性波动与前述计算出的发动机发电机的扭转固有振动频率在某个转速范围内重合时，就会发生共振，导致联轴器的橡胶部件损坏（变形、熔损）。
桥本老师：对于发动机发电机而言，如右图红线所示，其工作转速范围内存在共振点。通过使用扭转刚度较低的橡胶联轴器，将该共振点移至低速转速范围，就能在发动机启动时使其通过共振点，从而避免共振现象。
在火箭发动机的开发中，解决共振问题也至关重要。发动机的涡轮泵中，高速旋转的涡轮叶片有时会因共振导致的金属疲劳而损坏。目前，研发工作正通过仿真和实机试验，致力于如何设计以避免共振，以及如何规避共振。
2. 由伺服电机和步进电机振动引起的共振
步进电机是一种以步进方式旋转的电机，常被应用于小型执行器中。虽然通过微步进等技术可以实现平滑的旋转控制，但在某些旋转区域，微小的振动可能会与机械系统的固有振动频率发生共振。此外，伺服电机也可能因电机脉动扭矩与电机机架发生共振。因此，有必要掌握在工作旋转范围内可能出现的共振情况，并采取措施加以避免。
桥本老师：掌握设备的固有振动频率、控制系统的阶跃频率以及共振转速范围，并加以规避（或通过）这一点非常重要。有时可以通过降低联轴器的扭转刚度（如橡胶联轴器、树脂联轴器）或提高扭转刚度（如金属板簧联轴器），来将共振点避开工作转速范围。
3.利用共振的振动输送机
一种利用振动输送物料的装置。其工作原理是通过使振动产生共振，利用该能量驱动输送带本身摆动，因此驱动电机的功率可以较小。对于较长的输送带，共振点（即产生摆动的部位）会增多，从而能够实现平稳的输送。
桥本老师：此外，最近还开发出了利用振动进行发电的装置。有些装置利用压电元件，仅靠微弱的振动就能发电；还有些则是通过声音或踩踏铺在地板上的垫子来发电（声能发电、地板发电）。虽然共振和振动常给人以破坏物品或产生噪音等有害的印象，但通过利用振动发电和共振的技术，可以将它们转化为有用的能源。在节能和蓄电方面的应用也值得期待。
小滨：真是个绝妙的机制啊。我希望能深入学习共振和振动的相关知识，并将其运用到设计和开发技术中去！！
监修・讲师
桥本老师 / 三木普利株式会社
1972年加入三木普利株式会社。作为产品经理，负责市场营销和技术工作，活跃于国内外。 此外，不仅与企业合作，还参与了与大学及专业机构的联合研究。目前还负责技术指导和员工培训。
