Волны уравнение плоской сферической волны

Уравнением волны называется выражение, которое дает смещение колеблющейся точки как функцию ее координат (x, y, z) и времени t.

.

(5.2.1)

Эта функция должна быть периодической как относительно времени, так и координат (волна – это распространяющееся колебание, следовательно периодически повторяющееся движение). Кроме того, точки, отстоящие друг от друга на расстоянии l, колеблются одинаковым образом.

Уравнение плоской волны

Найдем вид функции x в случае плоской волны, предполагая, что колебания носят гармонический характер.

Направим оси координат так, чтобы ось x совпадала с направлением распространения волны. Тогда волновая поверхность будет перпендикулярна оси x. Так как все точки волновой поверхности колеблются одинаково, смещение x будет зависеть только от х и t: . Пусть колебание точек, лежащих в плоскости , имеет вид (при начальной фазе )

(5.2.2)

Найдем вид колебания частиц в плоскости, соответствующей произвольному значению x. Чтобы пройти путь x, необходимо время .

Следовательно, колебания частиц в плоскости x будут отставать по времени на t от колебаний частиц в плоскости , т.е.

,

(5.2.3)

– это уравнение плоской волны.

Таким образом, x есть смещение любой из точек с координатой x в момент времени t. При выводе мы предполагали, что амплитуда колебания . Это будет, если энергия волны не поглощается средой.

Такой же вид уравнение (5.2.3) будет иметь, если колебания распространяются вдоль оси y или z.

В общем виде уравнение плоской волны записывается так:

, или .

(5.2.4)

Выражения (5.2.3) и (5.2.4) есть уравнения бегущей волны.

Уравнение (5.2.3) описывает волну, распространяющуюся в сторону увеличения x. Волна, распространяющаяся в противоположном направлении, имеет вид:

.

Уравнение волны можно записать и в другом виде.

Введем волновое число , или в векторной форме:

,

(5.2.5)

где – волновой вектор, – нормаль к волновой поверхности.

Так как , то . Отсюда . Тогда уравнение плоской волны запишется так:

.

(5.2.6)

Уравнение сферической волны

В случае, когда скорость волны υ во всех направлениях постоянна, а источник точечный, волна будет сферической.

Предположим, что фаза колебаний источника равна wt (т.е. ). Тогда точки, лежащие на волновой поверхности радиуса r, будут иметь фазу . Амплитуда колебаний здесь, даже если волна не поглощается средой, не будет постоянной, она убывает по закону . Следовательно, уравнение сферической волны:

, или ,

(5.2.7)

где А равна амплитуде на расстоянии от источника равном единице.

Уравнение (5.2.7) неприменимо для малых r, т.к. при , амплитуда стремится к бесконечности. То, что амплитуда колебаний , следует из рассмотрения энергии, переносимой волной.

Волны уравнение плоской сферической волны

Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны λ (рис. 2.4.1):

где v — скорость распространения волны; Т = 1/ν — период; ν — частота. Отсюда скорость распространения волны можно найти по формуле

Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью (рис. 2.4.2). Волновую поверхность можно провести через любую точку пространства, охваченную волновым процессом, т. е. волновых поверхностей бесконечное множество. Волновые поверхности остаются неподвижными (они проходят через положение равновесия частиц, колеблющихся в одинаковой фазе). Волновой фронт (рис. 2.4.2) только один, и он все время перемещается.

Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях волновые поверхности имеют форму плоскости или сферы, соответственно волны называются плоскими (рис. 2.4.3) или сферическими (рис. 2.4.4). В плоской волне волновые поверхности представляют собой систему параллельных друг другу плоскостей, в сферической волне — систему концентрических сфер.

Рис. 2.4.3. Плоские волны

Рис. 2.4.4. Сферические волны

2.4.2. Уравнения плоской и сферической волн

Уравнением волны называется выражение, которое дает смещение колеблющейся точки как функцию ее координат (x, y, z) и времени t:

Эта функция должна быть периодической как относительно времени, так и координат (волна — это распространяющееся колебание, следовательно периодически повторяющееся движение). Кроме того, точки,

Уравнения плоской и сферической волн

Волновые процессы

Основные понятия и определения

Рассмотрим некоторую упругую среду — твёрдую, жидкую или га­зообразную. Если в каком-либо месте этой среды возбудить колебания её частиц, то вследствие взаимодействия между частицами, колебания будут, передаваясь от одной частицы среды к другой распространяться в среде с некоторой скоростью . Процесс распространения колеба­ний в пространстве называется волной.

Если частицы в среде колеблются в направлении распростране­ния волны, то она называется продольной. Если колебания частиц происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, то волна называется попереч­ной. Поперечные механические волны могут возникнуть только в сре­де, обладающей ненулевым модулем сдвига. Поэтому в жидкой и газо­образной средах могут распространяться только продольные волны. Различие между продольными и поперечными волнами наиболее хорошо видно на примере распространения колебаний в пружине — см. рисунок.

Для характеристики поперечных колебаний необходимо задать положение в пространстве плоскости, проходящей через направление колебаний и направление распространения волны — плоскости поляризации.

Область пространства, в которой колеблются все частицы среды, называется волновым полем. Граница между волновым полем и остальным пространством среды называется фронтом волны. Иначе говоря, фронт волны — геометрическое место точек, до которых колебания дошли к данному моменту времени. В однородной и изотропной среде направление распространения волны перпендикулярно к фронту волны.

Пока в среде существует волна, частицы среды совершают колебания около своих положений равновесия. Пусть эти колебания являются гармоническими, и период этих колеба­ний равен Т . Частицы, отстоящие друг от друга на расстояние

(22.1)

вдоль направления распространения волны, совершают колебания одинаковым образом, т.е. в каждый дан­ный момент времени их смещения одинаковы. Расстояние называется длиной волны. Другими словами, длина волны есть расстояние, на которое распространяется волна за один период колебаний.

Геометрическое место точек, совершающих колебания в одной фазе называется волновой поверхностью. Фронт волны – частный случай волновой поверхности. Длина волны – минимальное расстояние между двумя волновыми поверхностями, в которых точки колеблются одинаковым образом, или можно сказать, что фазы их колебаний отличаются на .

Если волновые поверхности являются плоскостями, то волна называется плоской, а если сферами – то сферической. Плоская волна возбуждается в сплошной однородной и изотропной среде при колебаниях бесконечной плоскости. Возбуждение сферической можно представить в виде результата радиальных пульсаций сферической поверхности, а также как результат действия точечного источника, размерами которого по сравнению с расстоянием до точки наблюдения можно пренебречь. Поскольку любой реальный источник имеет конечные размеры, на достаточно большом расстоянии от него волна будет близка к сферической. В то же время участок волновой поверхности сферической волны по мере уменьшения его размеров становится сколь угодно близким к участку волновой поверхности плоской волны.

Уравнения плоской и сферической волн

Уравнением волны называется выражение, которое определяет сме­щение колеблющейся точки, как функцию координат равновесного поло­жения точки и времени:

Если источник совершает периодические колебания, то функция(22.2) должна быть периодической функцией и координат и времени. Периодичность по времениследует из того, что функция описывает пе­риодические колебания точки с координатами; периодич­ность по координатам — из того, что точки находящиеся на расстоя­нии вдоль направления распространения волны, колеблются одинаковым образом

Ограничимся рассмотрением гармонических волн, когда точки среды совершают гармонические колебания. Необходимо отметить, что любую негармоническую функцию можно представить в виде результата наложения гармонических волн. Поэтому рассмотрение только гармонических волн не приводит к принципиальному ухудшению общности получаемых результатов.

Рассмотрим плоскую волну. Выберем систему координат так, чтобы ось Ох совпадала с направлением распространения волны. Тогда волновые поверхности будут перпендикулярны к оси Ох и, поскольку все точки волновой поверхности ко­леблются одинаково, смещение точек среды из положений равновесия будет зависеть только отх и t:

(22.3)

Пусть колебания точек, лежащих в плоскости имеют вид:

(22.4)

Колебания в плоскости, находящейся на расстоянии х от начала координат, отстают по времени от колебаний в на промежуток времени , необходимый волне для преодоления расстояния х, и описываются уравнением

, (22.5)

которое и является уравнением плоской волны, распространяющейся в направлении оси Ох.

При выводе уравнения (22.5) мы предполагали амплитуду колебаний одинаковой во всех точках. В случае плоской волны это выполняет­ся, если энергия волны не поглощается средой.

Рассмотрим некоторое значение фазы, стоящей в уравнении (22.5):

(22.6)

Уравнение (22.6) даёт связь между временем t и местом — х, в котором указанное значение фазы осуществляется в данный момент. Определив из уравнения (22.6) , мы най­дём скорость, с которой перемещается данное значение фазы. Диффе­ренцируя(22.6), получаем:

, откуда следует (22.7)

Таким образом, скорость распространения волны в (22.1) есть скорость распространения фазы, вследствие чего её называет фазовой скоростью.

Уравнение (22.5) описывает волну, распространяющуюся в сторону возрастания х. Волна, распространяющаяся в противоположном нап­равлении, будет описываться аналогичным уравнением:

(22.8)

Уравнения (22.5) и (22.8) обычно представляют в несколько ином виде, чтобы переменные х и t входили в уравнение волны симметрично. Для этого введем величину

, (22.9)

которую называют волновым числом.

С учётом (22.9) уравнение плоской волны (22.5) можно, записать в следующем виде:

(22.10)

Получим уравнение сферической волны. Рассуждая так же, как и в случае плоской волны, легко видеть что точки, лежащие на волновой поверхности радиуса R колеблются с фазой . Можно показать, что амплитуда колебаний в сферической волне даже при отсутствии поглощения среды убывает по закону 1 /R (это является следствием того, что энергия источника волны распределяется по мере удаления от него по волновым поверхностям возрастающей площади). Поэтому уравнение сферической волныможно записать в виде:

(22.11)