聪明的测量仪——机械振动原理应用

某化工厂车间里，一种强腐蚀性的液体装在一个巨大的容器中，生产时，让液体从容器流向反应器，但进入反应器的液体量需要进行精确的控制。

“我们尝试使用了各种玻璃或金属制作的仪表，”车间主任对厂长说，“但它们很快就被液体给腐蚀了。”

“如果不测量流量，只测量液体高度的变化怎么样？”厂长问。

“容器很大，高度变化很微小，”车间主任说，“我们无法得到准确的结果， 而且容器接近天花板，操作上很不方便。”

这似乎是一个难以解决的问题。

突然，萃智先生出现了。

“我们需要一台聪明的测量仪，”他说，“不是测量液体，而是测量空隙。”

于是，一个基于振动原理的解决方案产生了：利用振动的原理，测量容器中液面以上的空气部分的共振频率，得 到空气部分的变化量，从而准确推算出液面的细微变化量。还可以用牛老师提到的超声液位计解决这个测量问题。

这里利用了机械振动(mechanical vibration)原理，该原理体现在5个方面：

1.让物体处于振动状态。

比如：电动剃须刀；振动筛。

2.对有振动的物体，则增加振动的频率(甚至到超声波)。

比如：振动送料器、超声清洗。

3.使用物体的共振频率。

比如：噪音武器是希望噪音的频率与敌人的自振频率接近而消灭敌人。

4.用压电振动器代替机械振动器。

比如：石英晶体振荡驱动高精度的钟表

5.使用超声波和电磁场振荡耦合。

比如：在高频炉里混合合金，使混合均匀。

振动沿械振动系统、光电振动系统、场振动系统方向进化。利用物体振动的案例非常多：1）超声波清洗机；选矿用的机械振动筛；2）音叉，超声波驱鸟器；3）超声波碎石机（治疗结石）；4)同时使用声场和磁场来处理空气中的灰尘；在尝试解决问题的时候，我们不妨往思考一下能否用振动。

成功运用振动原理的发明可谓俯拾皆是。 有一种运送物料的装置就巧妙地利用了振动，它可以使粉状的、颗粒状的或成型的物料或产品沿直线的或螺旋的通道移动，其作用原理是非对称振动。若不是非对称，物料只能在原地振动，而不会如我们所希望的实现定向移动。而这种振荡巧就巧在只需一个工频振荡的电磁铁就可实现，从而省却了轴辊或传送带这些需要维护的部件。

振动原理的另一项成功运用是冲击钻。很难设想若没有冲击钻，建筑安装或电气安装的打孔作业将如何完成。如果只是用钻头在混凝土构件上单一地旋转，不但进度奇慢，而且摩擦的热量会使钻头前端焊接的合金钢与钻杆开焊、脱落。只有加入振动后，一方面是有力度的轴向锤击，一方面通过旋转将震碎的混凝土残渣排出，才能实现较可观的工作效率。与此相似，风镐、混凝土振捣棒也都是振动原理的成功应用。

声学领域也是和振荡密切相关的。严格地说，次声、可闻声以及超声的差别仅在于振荡频率的不同，我们只是根据我们的感知来加以区分的。此种情形与红外光、可见光、紫外光的划分有些相似。

1877年，当爱迪生第一次把唱头的唱针轻轻放在录音锡筒上时，他确实是在该领域开创了新纪元。因为在此之前谁能认识到声音竟然是可以储存的？也没有人敢于设想让机器来模仿人的声音。 

量变导致质变，声振荡频率的差异必然导致其特性的差异。例如，次声不易衰减的特性可以用来预测灾变，利用次声与人体脏器的共振而产生了次声武器。超声则在非常宽泛的领域显示出神奇的功效。例如在医疗方面用于诊断治疗，航海方面用于声纳，工业方面用于探伤、洗涤、焊接、粉碎、钻孔、成像、干预化学反应等等。

电磁振荡对社会进步的贡献怎么说也不嫌过分。人们对电磁波的最初认识不是始于实验室，而是始于麦克斯韦的理论推导：著名的麦克斯韦方程预示了电磁波的存在。此后在1887年赫兹通过实验证实了麦克斯韦理论的正确，从那以后，我们生活的空间就增加了一种新的存在：电磁波。严格地说是人工产生的电磁波，因为自然形态的电磁波一直就充斥于宇宙空间。无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线、γ射线都是电磁波，它们的区别仅在于波长不同，但都以光速传播。

自从19世纪末意大利人马可尼和俄罗斯人波波夫各自成功地进行了无线电通信试验以来，人们在这一领域的探索就一发而不可收拾。最初人们尝试用不同波段的无线电波进行通讯，仅此一项就够让当时的人们兴奋一阵子的了。然后在1906年无线电广播出现了。1925年发明了电视机，这种神秘的机器彻底改变了人们的生活方式；1936年军用雷达诞生；1946年电子计算机诞生；1947年基于雷达的技术成果，微波炉诞生；1954年彩色电视诞生；上世纪末手机诞生了，手机的出现极大地改变了我们的生活，以至于今天的人很难想象，如果没有手机我们将如何应对日常事务。

  这一切一切都源于振动与振荡，而这些成就大多集中在近200年的时段里。振动与振荡现象为我们的发明创新提供了无穷无尽的可能性和想象空间，而我们在这一领域的探索才刚刚开始。