機械與電學振動

自然(角)頻率(natural angular frequency)

彈一下酒杯、吉他弦或小孩的鞦韆,每個都以自己偏好的速率振鳴——一個它「想」振動的音高。那個偏好的速率就是自然頻率。它由物體的勁度與質量內建決定,而非由你敲得多用力:較緊或較輕的弦唱得較高,較鬆或較重的唱得較低。

對無阻尼的彈簧-質量系統 m x'' + k x = 0,自然角頻率是 omega_0 = sqrt(k/m),單位為弧度每秒。彈簧越硬(k 越大)振鳴越快;質量越重(m 越大)越慢。由 omega_0 可得日常頻率 f = omega_0 / (2 pi),單位為每秒週期數(赫茲),以及週期 T = 2 pi / omega_0,即完成一次完整擺動的時間。「角」這個字只是表示我們以弧度計數(一個完整週期是 2 pi)而非整週期數。

自然頻率是振動系統最重要的單一數字,因為當外加推力以接近 omega_0 的頻率到來時就會發生共振——這時微小而重複的推動能累積成巨大的擺幅。工程師為橋樑、機翼與引擎座架計算 omega_0,正是為了讓日常的驅動力遠離它。當有阻尼時,系統實際上略慢於 omega_0,以 omega_d = omega_0 sqrt(1 - zeta^2) 振鳴,但 omega_0 仍是一切引述時的參考點。

一個 0.5 公斤的質量接在 k = 200 N/m 的彈簧上,omega_0 = sqrt(200/0.5) = 20 弧度每秒,因此以 f = 20/(2 pi) ≈ 3.18 赫茲振鳴,週期 T ≈ 0.31 秒。

光是勁度與質量便決定了自然頻率;你施加的推力不會改變它。

當心單位:omega_0(弧度每秒)與 f(週期每秒,赫茲)相差 2 pi 倍。把兩者搞混是振動計算中最常見的錯誤。

又稱
omega_0undamped natural frequencyresonant frequency自然頻率固有頻率