[pic], где [pic] - фазовая скорость волны.
Уравнения бегущей и отраженной волн и волновое уравнение представлены для случая одного измерения, т.е. распространения волны вдоль оси ОУ. В волновое уравнение входят вторые частные производные по времени и координате от смещения потому, что [pic] есть функция двух переменных t и y. 7. Скорость и ускорение колеблющейся точки. Относительное смещение точек среды.
Если смещение любой точки среды с координатой y в момент времени t задано уравнением:
[pic], то скорость этой точки есть величина [pic], а ускорение - [pic]:
[pic],
[pic]
§ 1.3. Энергия упругих волн.
В среде распространяется плоская упругая волна и переносит энергию, величина которой в объеме [pic]равна:
[pic], где [pic]- объемная плотность среды.
Если выбранный объем записать как [pic], где S – площадь его поперечного сечения, а [pic] - его длина, то среднее количество энергии, переносимое волной за единицу времени через поперечное сечение S, называется потоком [pic] через его поверхность:
[pic][pic].
Количество энергии, переносимое волной за единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны, называется плотностью потока энергии волны.
Эта величина определяется соотношением:
[pic], где [pic] -объемная плотность энергии волны, [pic] - фазовая скорость волны. Так как фазовая скорость волны [pic] - вектор, направление которого совпадает с направлением распространения волны, то можно величине плотности потока энергии I придать смысл векторной величины:
[pic].
Величина [pic], вектор плотности энергии волны, впервые была введена Н.А. Умовым в 1984 году и получила название вектора Умова. Подобная величина для электромагнитных волн называется вектором Умова - Пойнтинга.
Интенсивностью волны называется модуль среднего значения вектора Умова [pic].
§ 1.4. Принцип суперпозиции волн. Групповая скорость.
Принцип суперпозиции (наложения) волн установлен на опыте. Он состоит в том, что в линейной среде волны от разных источников распространяются независимо, и накладываясь, не изменяют друг друга. Результирующее смещение частицы среды в любой момент времени равно геометрической сумме смещений, которые частица получит, участвуя в каждом из слагаемых волновых процессов.
Согласно принципу суперпозиции накладываться друг на друга без взаимного искажения могут волны любой формы. В результате наложения волн результирующее колебание каждой частицы среды может происходить по любому сложному закону. Такое образование волн называется волновым пакетом. Скорость движения волнового пакета не совпадает со скоростью ни с одной из слагаемых волн. В этом случае говорят о скорости [pic] волнового пакета. Скорость перемещения максимума группы волн (волнового пакета) называется групповой скоростью. Она равна скорости переноса энергии волнового пакета.
На практике мы всегда имеем дело с группой волн, так как синусоидальных волн, бесконечных в пространстве и во времени, не существует. Любая ограниченная во времени и пространстве синусоидальная волна есть волновой пакет (его называют цуг волны). Групповая скорость такого пакета совпадает с фазовой скоростью бесконечных синусоидальных волн, результатом сложения которых он является.
В общем виде связь между групповой и фазовой скоростями имеет вид:
§ 1.5. Интерференция волн. Стоячие волны.
1. Интерференцией волн называется явление наложение двух и более волн, при котором в зависимости от соотношения между фазами этих волн происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других.
В пространстве всегда найдутся такие точки, в которых разность фаз складываемых колебаний равна величине [pic], где k – целое число, т.е. волны (от разных источников) приходят в такие точки в фазе. В них будет наблюдаться устойчивое, неизменно продолжающееся все время усиление колебаний частиц. Найдутся в пространстве, где распространяется несколько волн, и такие точки, где разность фаз будет равна [pic], т.е. волны приходят в эти точки в противофазе. В таких точках пространства будет наблюдаться устойчивое ослабление колебаний частиц.
Устойчивая интерференционная картина возникает только при наложении таких волн, которые имеют одинаковую частоту, постоянную во времени разность фаз в каждой точке пространства. Волны, удовлетворяющие этим условиям и источники, создающие такие волны, называются когерентными. Плоские синусоидальные волны, частоты которых одинаковы, когерентны всегда.
2. Запишем условия максимумов и минимумов при интерференции. Когерентные точечные источники [pic] и [pic]испускают волны по всем направлениям. До точки наблюдения М расстояние от первого источника [pic], а от второго - [pic].
Колебания точки М под действием волн от двух источников[pic] и [pic] описываются уравнениями:
[pic], [pic].
Амплитуда результирующего колебания в точке М определится следующим образом (см. раздел «Сложение колебаний»):
Амплитуда колебаний точки М максимальна ([pic]), если
[pic], где [pic]
Величина [pic]называется разностью хода двух волн.
Условие максимума при интерференции имеет вид:
Если целое число волн укладывается на разности хода двух волн, то при их сложении наблюдается интерференционный максимум.
Амплитуда колебаний точки М минимальна ([pic]), если
[pic], ([pic]).
Условие минимума при интерференции имеет вид:
Если нечетное число полуволн укладывается на разности хода двух волн, то при их сложении наблюдается интерференционный минимум.
3. Простейший случай интерференции наблюдается при наложении бегущей и отраженной волн, что приводит к образованию стоячей волны. Уравнения бегущей и отраженной волны имеют вид:
[pic], [pic]
Суммарное смещение [pic] частицы среды, находящейся на расстоянии y от источника колебаний, равно сумме смещений [pic] и [pic]:
Это и есть уравнение стоячей волны. Величина [pic] - амплитуда, а ([pic]) - фаза стоячей волны. Можно сказать, что частицы в стоячей волне имеют одну фазу колебаний. Амплитуда колебаний частиц в стоячей волне зависит от их координат (расстояний до источника колебаний), но не зависит от времени. Знак модуля поставлен в формуле для амплитуды стоячей волны, потому что амплитуда – величина положительная.
В стоячей волне есть точки, которые все время остаются неподвижными. Такие точки называются узлами смещения, их положение определяется из условия:
[pic], отсюда следует [pic]. Выполнение этого соотношения будет при условии [pic] для [pic] Итак, координаты узлов задаются формулой:
Расстояние между двумя соседними узлами равно [pic].
Точки среды, колеблющиеся с наибольшей амплитудой, называются пучностями стоячей волны, их положение (координаты) определяются соотношением:
Это уравнение можно получить из условия максимума амплитуды
[pic], т.е. [pic]. Последнее соотношение выполняется при значениях аргумента [pic] ([pic]).
Расстояние между двумя соседними пучностями равно [pic].
4. Изменение фазы волны при ее отражении. Как отмечалось ранее, стоячая волна образуется при сложении бегущей и отраженной волн. Отраженную волну можно рассматривать как бегущую волну, распространяющуюся в обратном направлении и ее можно получить при отражении бегущей волны от границы двух сред. Для синусоидальных волн это означает, что при отражении от более плотной среды фаза волны скачком изменяется на [pic] радиан, а при отражении от менее плотной среды фаза волны не изменяется. Изменение фазы на [pic] радиан соответствует появлению дополнительного хода луча, равного [pic] .
Глава 2. Звуковые волны.
1.Важным видом продольных волн являются звуковые волны. Так называются волны с частотами 17 – 20000 Гц. Учение о звуке называется акустикой. В акустике изучаются волны, которые распространяются не только в воздухе, но и в любой другой среде. Упругие волны с частотой ниже 17 Гц называются инфразвуком, а с частотой выше 20000 Гц – ультразвуком.
Звуковые волны – упругие колебания, распространяющиеся в виде волнового процесса в газах, жидкостях, твердых телах.
2. Избыточное звуковое давление. Уравнение звуковой волны.
Уравнение упругой волны позволяет вычислить смещение любой точки пространства, по которому проходит волна, в любой момент времени. Но как говорить о смещении частиц воздуха или жидкости от положения равновесия? Звук, распространяясь в жидкости или газе , создает области сжатия и разряжение среды, в которых давление соответственно повышается или понижается по сравнению с давлением невозмущенной среды.
Если [pic] - давление и плотность невозмущенной среды (среды, по которой не проходит волна), а [pic] - давление и плотность среды при распространении в ней волнового процесса, то величина [pic] называется избыточным давлением. Величина [pic] есть максимальное значение избыточное давление (амплитуда избыточного давления).
Изменение избыточного давления для плоской звуковой волны (т.е. уравнение плоской звуковой волны) имеет вид:
[pic], где y – расстояние от источника колебаний точки, избыточное давление в которой мы определяем в момент времени t.
Если ввести величину избыточной плотности [pic]и ее амплитуды [pic]так же, как мы вводили величину избыточного звукового давления, то уравнение плоской звуковой волны можно было бы записать так:
[pic]. 3. Объективные и субъективные характеристики звука.
Само слово «звук» отражает два различных, но взаимосвязанных понятия: 1)звук как физическое явление; 2)звук – то восприятие, которое испытывает слуховой аппарат (человеческое ухо) и ощущения, возникающие у него при этом. Соответственно характеристики звука делятся на объективные, которые могут быть измерены физической аппаратурой, и субъективные, определяемые восприятием данного звука человеком.
К объективным (физическим ) характеристикам звука относятся характеристики, которые описывают любой волновой процесс: частота, интенсивность и спектральный состав. В таблицу 3 включены сравнительные данные объективных и субъективных характеристик.
Таблица 3.
|Субъективные |Объективные характеристики | |Характеристики | | |Высота звука |Высота звука определяется частотой | | |волны | |Тембр (окраска звука)|Тембр звука определяется его спектром | |Громкость (сила |Сила звука определяется нтенсивностью | |звука) |волны (или квадратом ее амплитуды) |
Остановимся на некоторых определениях.
Частота звука измеряется числом колебаний частиц среды, участвующих в волновом процессе, в 1 секунду.
Интенсив?ность волны измеряется энергией, переносимой волной в единицу времени через единичную площадь (расположенную перпендикулярно направлению распространению волны).
Спектральный состав (спектр) звука указывает из каких колебаний состоит данный звук и как распределены амплитуды между отдельными его составляющими.
Различают сплошные и линейчатые спектры. Для субъективной оценки громкости используются величины, называемые уровнем силы звука и уровнем громкости. Все акустические величины и их размерности в СИ приведены в приложении.
Глава 3. Электромагнитные волны.
1. Электромагнитными волнами называются возмущения электромагнитного поля (т.е. переменное электромагнитное поле), распрострняющиеся в пространстве.
Утверждение о существовании электромагнитных волн является непосредственным следствием решения системы уравнений Максвелла. Согласно этой теории следует, что переменное электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волн, фазовая скорость которых равна:
[pic] где[pic] - скорость света в вакууме, [pic], [pic]- электрическая и магнитная постоянные, [pic], [pic] - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость среды.
2. Электромагнитные волны - поперечные волны. Векторы Е и Н поля электромагнитной волны взаимно перпендикулярны друг другу. Вектор скорости волны [pic] и векторы Е и Н образуют правую тройку векторов (Рисунок 2.1.4).
Для сравнения ориентации тройки векторов [pic], Е и Н на рисунке приведено расположение осей декартовой системы координат. Такое сопоставление уместно и в дальнейшем будет использовано для определения проекций векторов Е и Н на координатные оси.
Рисунок 2.1.4
Взаимно перпендикулярные векторы Е и Н колеблются в одной фазе (их колебания синфазные). Модули этих векторов связаны соотношением:
[pic] которое справедливо для любой бегущей электромагнитной волны независимо от формы ее волновых поверхностей.
3.По форме волновых поверхностей волны могут быть плоские, эллиптические, сферические и т.д..
Монохроматической волной называется электромагнитная волна одной определенной частоты. Монохроматическая волна не ограничена в пространстве и во времени. В каждой точке электромагнитного поля монохроматической волны проекции векторов Е и Н на оси координат совершают гармонические колебания одинаковой частоты [pic]. Например, для плоской монохроматической волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси ОУ, как показано на рисунке 2.1.3.,ее уравнение имеет вид:
Такие волны называются плоско (или линейно) поляризованными волнами.
Плоскость, в которой происходит колебание вектора Е называют плоскостью поляризации линейно поляризованной волны, а плоскость колебаний вектора Н – плоскостью колебаний. Ранее эти названия были обратными (см. [1]).
6. Все сказанное о стоячих волнах в упругих средах относится и к электромагнитным волнам. В этом случае, однако, волна характеризуется не одним вектором, а двумя взаимно перпендикулярными векторами Е и Н.
Стоячая электромагнитная волна состоит из двух стоячих волн - магнитной и электрической, колебания которых сдвинуты по фазе на [pic].
7. Энергия электромагнитных волн.
Объемная плотность энергии электромагнитного поля в линейной изотропной среде задается соотношением:
[pic] с - скорость света в вакууме.
В случае плоской линейно поляризованной монохроматической волны, распространяющейся вдоль положительного направления ОY, напряженность электрического поля задается уравнением:
[pic] соответственно объемная плотность энергии этой волны [pic]
Значение объемной плотности энергии волны меняется за период от 0 до [pic].Среднее за период значение энергии равно:
8. Вектор плотности потока энергии электромагнитной волны называется вектором Умова - Пойнтинга:
Для линейно поляризованной монохроматической волны вектор Пойнтинга направлен в сторону распространения волны и численно равен: [pic]
Интенсивность электромагнитной волны равна модулю среднего значения вектора Пойнтинга за период его полного колебания:
Интенсивностью электромагнитной волны называется физическая величина, численно равная энергии, переносимая волной за единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны.
Интенсивность бегущей монохроматической волны: [pic] - фазовая скорость волны, [pic]среднее значение объемной плотности энергии поля волны.
Интенсивность света (электромагнитных волн, рассматриваемых в оптике) прямо пропорциональна квадрату амплитуды колебаний вектора напряженности Е поля световой волны.
----------------------- VФ
E
H
Страницы: 1, 2
