1.1.1 振動

物體（或質點）受到一定力的作用，將離開平衡位置，產生一個位移，該力消失后，它將回到其平衡位置；并且還要越過平衡位置移到相反方向的最大位移位置，然后返回平衡位置。這樣一個完整運動過程稱為一個“循環”或稱為一次“全振動”。

振動是往復、周期性的運動，振動的快慢常用振動周期和振動頻率兩個物理量來描述，振動的強弱則用振幅來描述。

周期——振動物體完成一次全振動所需要的時間，稱為振動周期，用T表示。常用單位為秒（s）。

頻率——振動物體在單位時間內完成全振動的次數，稱為振動頻率，用f表示。常用單位為赫茲（Hz）。

振幅——振動物體離開平衡位置的最大距離，稱為振動的振幅，用A表示。

由周期和頻率的定義可知，二者互為倒數，即

1.諧振動

最簡單最基本的直線振動稱為諧振動，任何復雜的振動都可視為多個諧振動的合成。如圖1-1所示，質點M作勻速圓周運動時，其水平投影就是一種水平方向的諧振動。質點M的水平位移y和時間t的關系可用諧振方程來描述

式中 A——振幅，即最大水平位移；

ω——圓頻率，即1s內變化的弧度數；

φ——初相位，即t=0時質點M的相位；

ωt+φ——質點M在t時刻的相位。

諧振動方程描述了諧振動物體在任一時刻的位移情況，其特點如下：

1）物體受到的回復力大小與位移成正比，其方向總是指向平衡位置，如彈簧振子的振動，單擺與音叉的振動等。

2）諧振物體的振幅不變，為自由振動，其頻率為固有頻率。

3）由于物體做諧振動時，只有彈性力或重力做功，其他力不做功，符合機械能守恒的條件，因此諧振物體的能量遵守機械能守恒。

4）在平衡位置時動能最大，勢能為零；在位移最大位置時勢能最大，動能為零；其總能量保持不變。

2.阻尼振動

諧振動是理想條件下的振動，即不考慮摩擦和其他阻力的影響。但任何實際物體的振動，總要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振動物體的能量不斷減少。同時，由于在振動傳播過程中，伴隨著能量的傳播，也使振動物體的能量不斷地減少。這種隨時間變化振幅不斷減小或能量不斷減少的振動稱為阻尼振動。

阻尼振動的位移與時間的關系曲線如圖1-2所示。

阻尼振動的振幅不斷減小，而周期卻不斷延長。阻尼振動受到阻力作用，不符合機械能守恒。

3.受迫振動

受迫振動是物體受到周期性變化的外力作用時所產生的振動，如氣缸中活塞的振動。

受迫振動的振幅與外力的頻率有關，當外力頻率與受迫振動物體固有頻率相同時，受迫振動的振幅達最大值，這種現象稱為共振。

受迫振動物體受到外力作用，不符合機械能守恒。

超聲波探頭中的壓電晶片在發射超聲波時，一方面在高頻電脈沖激勵下產生受迫振動，另一方面在起振后受到晶片背面吸收塊的阻尼作用，因此又是阻尼振動。壓電晶片在接收超聲波時同樣產生受迫振動和阻尼振動。在設計探頭中的壓電晶片時，應使高頻電脈沖的頻率等于壓電晶片的固有頻率，從而產生共振，這時壓電晶片的電聲能量轉換效率最高。