Уравнение бегущей волны. Фазовая скорость. Волновое уравнение

Бегущими волнами называются волны, которые переносят в пространстве энергию. Перенос энергии волнами количественно характеризуется вектором плотности потока энергии. Этот вектор для упругих волн называется вектором Умова (по имени русского ученого Н. А. Умова (1846—-1915), решившего задачу о распространении энергии в среде). Направление вектора Умова совпадает с направлением переноса энергии, а его модуль равен энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны.

Для вывода уравнения бегущей волны — зависимости смещения колеблющейся частицы от координат и времени — рассмотрим плоскую волну, предполагая, что колебания носят гармонический характер, а ось х совпадает с направлением распрост­ранения волны (рис. 220). В данном случае волновые поверхности перпендикулярны оси х, а так как все точки волновой поверхности колеблются одинаково, то сме­щение будет зависеть только от х и t, т. е.

На рис. 220 рассмотрим некоторую частицу В среды, находящуюся от источника колебаний О на расстоянии х. Если колебания точек, лежащих в плоскости х=0, описываются функцией то частица В среды колеблется по тому же

закону, но ее колебания будут отставать по времени от колебаний источника на так как для прохождения волной расстояния х требуется время — скорость

распространения волны. Тогда уравнение колебаний частиц, лежащих в плоскости х, имеет вид

откуда следует, что является не только периодической функцией времени, но

и периодической функцией координаты х. Уравнение (154.1) есть уравнение бегущей волны. Если плоская волна распространяется в противоположном направлении, то

 

В общем случае уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль положитель­ного направления оси х в среде, не поглощающей энергию, имеет вид

где А = const — амплитуда волны, — циклическая частота, — начальная фаза вол­ны, определяемая в общем случае выбором начал отсчета х и t, — фаза плоской волны.

Для характеристики волн используется волновое число

 

Учитывая (154.3), уравнению (154.2) можно придать вид

 

 

 

Уравнение волны, распространяющейся вдоль отрицательного направления оси х, отличается от (154.4) только знаком члена

Основываясь на формуле Эйлера (140.7), уравнение плоской волны можно записать в виде

 

где физический смысл имеет лишь действительная часть (см. § 140). Предположим, что при волновом процессе фаза постоянна, т. е.

 

Продифференцировав выражение (154.5) и сократив на получим откуда

 

Следовательно, скорость v распространения волны в уравнении (154.6) есть не что иное, как скорость перемещения фазы волны, и ее называют фазовой скоростью.

Повторяя ход рассуждений для плоской волны, можно доказать, что уравнение сферической волны — волны, волновые поверхности которой имеют вид концентричес­ких сфер, записывается как

 

где r — расстояние от центра волны до рассматриваемой точки среды. В случае сферической волны даже в среде, не поглощающей энергию, амплитуда колебаний не остается постоянной, а убывает с расстоянием по закону 1/r. Уравнение (154.7) справед­ливо лишь для r, значительно превышающих размеры источника (тогда источник колебаний можно считать точечным).

Из выражения (154.3) вытекает, что фазовая скорость

 

Если фазовая скорость волн в среде зависит от их частоты, то это явление называют дисперсией волн, а среда, в которой наблюдается дисперсия волн, называется диспер­гирующей средой.

Распространение волн в однородной изотропной среде в общем случае описывается волновым уравнением — дифференциальным уравнением в частных производных

 

или

 

где — фазовая скорость, — оператор Лапласа. Решением урав-

нения (154.9) является уравнение любой волны. Соответствующей подстановкой можно убедиться, что уравнению (154.9) удовлетворяют, в частности, плоская волна (см. (154.2)) и сферическая волна (см. (154.7)). Для плоской волны, распространяющейся вдоль оси х, волновое уравнение имеет вид

 

§ 155. Принцип суперпозиции. Групповая скорость

Если среда, в которой распространяется одновременно несколько волн, линейна, т. е. ее свойства не изменяются под действием возмущений, создаваемых волной, то к ним применим принцип суперпозиции (наложения) волн: при распространении в линейной среде нескольких волн каждая из них распространяется так, как будто другие волны отсутствуют, а результирующее смещение частицы среды в любой момент времени равно геометрической сумме смещений, которые получают частицы, участвуя в каждом из слагающих волновых процессов.

Исходя из принципа суперпозиции и разложения Фурье (см. (144.5)) любая волна может быть представлена в виде суммы гармонических волн, т. е. в виде волнового пакета, или группы волн. Волновым пакетом называется суперпозиция волн, мало отличающихся друг от друга по частоте, занимающая в каждый момент времени ограниченную область пространства.

«Сконструируем» простейший волновой пакет из двух распространяющихся вдоль положительного направления оси х гармонических волн с одинаковыми амплитудами, близкими частотами и волновыми числами, причем Тогда

 

Эта волна отличается от гармонической тем, что ее амплитуда

 

есть медленно изменяющаяся функция координаты х и времени t.

За скорость распространения этой негармонической волны (волнового пакета) принимают скорость перемещения максимума амплитуды волны, рассматривая тем самым максимум в качестве центра волнового пакета. При условии, что получим

 

Скорость есть групповая скорость. Бе можно определить как скорость движения группы волн, образующих в каждый момент времени локализованный в пространстве волновой пакет. Выражение (155.1) получено для волнового пакета из двух составля­ющих, однако можно доказать, что оно справедливо в самом общем случае.

Рассмотрим связь между групповой (см. (155.1)) и фазовой (см.

(154.8)) скоростями. Учитывая, что (см. (154.3)), получим

 

или

 

Из формулы (155.2) вытекает, что может быть как меньше, так и больше в зависи­мости от знака В недиспергирующей среде и групповая скорость совпадает с фазовой.

Понятие групповой скорости очень важно, так как именно она фигурирует при измерении дальности в радиолокации, в системах управления космическими объектами и т. д. В теории относительности доказывается, что групповая скорость в то

время как для фазовой скорости ограничений не существует.

Интерференция волн

Согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов связывают с понятием когерентности. Волны называются когерент - ными, если разность их фаз остается постоянной во времени. Очевидно, что когерент­ными могут быть лишь волны, имеющие одинаковую частоту. При наложении в про­странстве двух (или нескольких) когерентных волн в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Это явление называется интерференцией волн.

Рассмотрим наложение двух когерентных сферических волн, возбуждаемых точеч­ными источниками (рис. 221), колеблющимися с одинаковыми амплитудой

и частотой и постоянной разностью фаз. Согласно (154.7),

 

где — расстояния от источников волн до рассматриваемой точки В, k — волно-

вое число, — начальные фазы обеих накладывающихся сферических волн.

Амплитуда результирующей волны в точке В по (144.2) равна

 

 

 

Так как для когерентных источников разность начальных фаз то

результат наложения двух волн в различных точках зависит от величины

называемой разностью хода волн. В точках, где

 

наблюдается итерференционный максимум: амплитуда результирующего колебания В точках, где

 

наблюдается — итерференционный максимум: амплитуда результирующего колебания

называется соответственно порядком интерфереацион-

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: