线性常微分方程:高阶与方程组

共振(resonance)

合着秋千的固有节奏去推它,一连串小小的推动便积累成一次大幅的摆荡;不合拍地推,你就在与它较劲。共振正是这种戏剧性的累积:当一个系统被以其固有频率或附近的频率驱动时,即使一个不大的周期力也会产生巨大的响应。这是全部振动理论中最具影响的事实之一。

在受迫振子 m x'' + c x' + k x = F_0 cos(omega t) 中,稳态幅值取决于驱动频率 omega,并在 omega 接近固有频率时达到峰值。在无阻尼时,恰好以固有频率驱动会使标准的特解猜测失效(强迫本身就是齐次解),正确的解像 t 那样增长——幅值无界增大。有阻尼时,幅值不会变成无穷,而是在共振频率处升到一个有限而尖锐的极大;阻尼越轻,峰越高越窄。

共振是双刃的。它是让收音机选出某个电台、让石英晶体计时、让磁共振激发特定原子核、让酒杯在恰当音高下破碎的原理。它也是机械把自身震散、士兵齐步过桥时桥梁失事所归咎的祸首,以及塔科马海峡大桥这则警世故事的主角(其垮塌更确切地说是气动弹性颤振,而非简单共振)。工程师要么刻意命中共振、要么彻底避开它来作设计。

无阻尼的 x'' + 4x = cos 2t 恰以固有频率 2 驱动。特解不是有界的——它是 x_p = (t sin 2t)/4,其幅值随时间线性增长:纯共振。

以固有频率驱动无阻尼振子,会产生像 t 那样增长的幅值。

存在阻尼时,共振给出很大但有限的峰值,且极大出现在略低于无阻尼固有频率之处,而非恰在其上——“无界”增长是零阻尼极限的理想化。

又称
resonant amplification共振谐振