Упругие волны
УПРУГИЕ ВОЛНЫ
§ 1. Распространение волн в упругой среде
Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газообразной)
среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между
частицами это колебание будет распространяться в среде от частицы к частице
с некоторой скоростью v. Процесс распространения колебаний в пространстве
называется волной.
Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовлекаются волной
в поступательное движение, они лишь совершают колебания около своих
положений равновесия. В зависимости от направления колебаний частиц по
отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают
продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды колеблются
вдоль направления распространения волны. В поперечной волне частицы среды
колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения
волны. Упругие поперечные волны могут возникнуть лишь в среде, обладающей
сопротивлением сдвигу. Поэтому в жидкой и газообразной средах возможно
возникновение только продольных волн. В твердой среде возможно
возникновение как продольных, так и поперечных волн.
На рис. 1.1 показано движение частиц при распространении в среде
поперечной волны. Номерами 1, 2 и т. д. обозначены частицы, отстоящие друг
от друга на расстояние, равное ј vT, т. е. на расстояние, проходимое волной
за четверть периода колебаний, совершаемых частицами. В момент времени,
принятый за нулевой, волна, распространяясь вдоль оси слева направо,
достигла частицы 1, вследствие чего частица начала смещаться из положения
равновесия вверх, увлекая за собой следующие частицы. Спустя четверть
периода частица 1 достигает крайнего верхнего положения; одновременно
начинает смещаться из положения равновесия частица 2. По прошествии еще
четверти периода первая частица будет проходить положение равновесия,
двигаясь в направлении сверху вниз, вторая частица достигнет крайнего
верхнего положения, а третья частица начнет смещаться вверх из положения
равновесия. В момент времени, равный Т, первая частица закончит полный цикл
колебания и будет находиться в таком же состоянии движения, как и в
начальный момент. Волна к моменту времени Т, пройдя путь vT, достигнет
частицы 5.
На рис. 1.2 показано движение частиц при распространении в среде
продольной волны. Все рассуждения, касающиеся поведения частиц в поперечной
волне, могут быть отнесены и к данному случаю с заменой смещений вверх и
вниз смещениями вправо и влево. Из рисунка видно, что при распространении
продольной волны в среде создаются чередующиеся сгущения и разрежения
частиц (места сгущения частиц обведены на рисунке пунктиром),
перемещающиеся в направлении распространения волны со скоростью v.
На рис. 1.1 и 1.2 показаны колебания частиц, положения равновесия
которых лежат на оси х. В действительности колеблются не только частицы,
расположенные вдоль оси х, а совокупность частиц, заключенных в некотором
объеме. Распространяясь от источника колебаний, волновой процесс охватывает
все новые и новые части пространства. Геометрическое место точек, до
которых доходят колебания к моменту времени t, называется фронтом волны
(или волновым фронтом). Фронт волны представляет собой ту поверхность,
которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от
области, в которой колебания еще не возникли.
Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется
волновой поверхностью. Волновую поверхность можно провести через любую
точку пространства, охваченного волновым процессом. Следовательно, волновых
поверхностей существует бесконечное множество, в то время как волновой
фронт каждый момент времени только один. Волновые поверхности остаются
неподвижными. Волновой фронт все время перемещается.
Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях они
имеют форму плоскости или сферы. Соответственно волна в этих случаях
называется плоской или сферической. В плоской волне волновые поверхности
представляют собой множество параллельных друг другу плоскостей, в
сферической волне — множество концентрических сфер.
Рассмотрим случай, когда плоская волна распространяется вдоль оси х.
Тогда все точки среды, положения равновесия которых имеют одинаковую
координату х (но различные значения координат y и z), колеблются в
одинаковой фазе.
На рис.1.3 изображена кривая, которая дает смещение ( из положения
равновесия точек с различными x в некоторый момент времени. Не следует
воспринимать этот рисунок как зримое изображение волны. На рисунке показан
график функции ((х, t) для некоторого фиксированного момента времени 1. С
течением времени график перемещается вдоль оси х. Такой график можно
строить как для продольной, так и для поперечной волны. В обоих случаях он
выглядит одинаково.
Расстояние ?, на которое распространяется волна за время, равное
периоду колебаний частиц среды, называется длиной волны. Очевидно, что
? =vT,
где v — скорость волны, T — период колебаний. Длину волны можно определить
также как расстояние между ближайшими точками среды, колеблющимися с
разностью фаз, равной 2( (см. рис. 1.3).
Заменив в соотношении (1.1) T через 1/v (v — частота колебаний),
получим
?v = v.
К этой формуле можно прийти также из следующих соображений. За одну
секунду источник волн совершает v колебаний, порождая в среде при каждом
колебании один «гребень» и одну «впадину» волны. К тому моменту, когда
источник будет завершать v-e колебание, первый «гребень» успеет пройти путь
v. Следовательно, v «гребней» и «впадин» волны должны уложиться на длине v.
§ 2. Уравнения плоской и сферической волн
Уравнением волны называется выражение, которое дает смещение
колеблющейся частицы как функцию ее координат х, у, z и времени t:
(= ((х, у, z, t)
(имеются в виду координаты равновесного положения частицы). Эта функция
должна быть периодической как относительно времени t, так и относительно
координат х, y, z. Периодичность по времени вытекает из того, что (
описывает колебания частицы с координатами х, у, z. Периодичность по
координатам следует из того, что точки, отстоящие друг от друга на
расстояние ?, колеблются одинаковым образом.
Найдем вид функции (, в случае плоской волны, предполагая, что
колебания носят гармонический характер. Для упрощения направим оси
координат так, чтобы ось х совпала с направлением распространения волны.
Тогда волновые поверхности будут перпендикулярными к оси х и, поскольку все
точки волновой поверхности колеблются одинаково, смещение ( будет зависеть
только от х и t: (= ((х, t). Пусть колебания точек, лежащих в плоскости х =
0 (рис. 2.1), имеют вид
( (х, t) = a cos ((t + ().
Найдем вид колебания точек в плоскости, соответствующей произвольному
значению х. Для того чтобы пройти путь от плоскости х = 0 до этой
плоскости, волне требуется время ( = x/v (v – скорость распространения
волны). Следовательно, колебания частиц, лежащих в плоскости х, будут
отставать по времени на ( от колебаний частиц в плоскости х = 0, т. е.
будут иметь вид
( (х, t) = a cos [ ( ( t - ( ) + ( ] = a cos [ ( ( t - x/v ) + ( ].
Итак, уравнение плоской волны (и продольной, и поперечной),
распространяющейся в направлении оси х, выглядит следующим образом:
( = a cos [ ( ( t - x/v ) + ( ]
Величина a представляет собой амплитуду волны. Начальная фаза волны (
определяется выбором начал отсчета х и t. При рассмотрении одной волны
начала отсчета времени и координаты обычно выбираются так, чтобы ( была
равной нулю. При совместном рассмотрении нескольких волн сделать так, чтобы
для всех них начальные фазы равнялись пулю, как правило, не удается.
Зафиксируем какое-либо значение фазы, стоящей в уравнении (2.2),
положив
( ( t - x/v ) + ( = const
Это выражение определяет связь между временем t и тем местом х, в котором
фаза имеет зафиксированное значение. Вытекающее из него значение dx/dt дает
скорость, с которой перемещается данное значение фазы. Продифференцировав
выражение (2.3), получим
откуда
Таким образом, скорость распространения волны v в уравнении (2.2) есть
скорость перемещения фазы, в связи с чем ее называют фазовой скоростью.
Согласно (2.4) dx/dt > 0. Следовательно, уравнение (2.2) описывает
волну, распространяющуюся в сторону возрастания х. Волна,
распространяющаяся в противоположном направлении, описывается уравнением
( = a cos [ ( ( t + x/v ) + ( ]
Действительно, приравняв константе фазу волны (2.5) и
продифференцировав получившееся равенство, придем к соотношению
из которого следует, что волна (2.5) распространяется в сторону убывания х.
Уравнению плоской волны можно придать симметричный относительно х и t
вид. Для этого введем величину
которая называется волновым числом. Умножив числитель и знаменатель
выражения (2.6) на частоту v, можно представить волновое число в виде
(см. формулу (1.2)). Раскрыв в (2.2) круглые скобки и приняв во внимание
(2.7), придем к следующему уравнению плоской волны, распространяющейся
вдоль оси х:
( = a cos ( (t + kx + ( )
Уравнение волны, распространяющейся в сторону убывания х, отличается от
(2.8) только знаком при члене kx.
При выводе формулы (2.8) мы предполагали, что амплитуда колебаний не
зависит от х. Для плоской волны это наблюдается в том случае, когда энергия
волны не поглощается средой. При распространении в поглощающей энергию
среде интенсивность волны с удалением от источника колебаний постепенно
уменьшается – наблюдается затухание волны. Опыт показывает, что в
однородной среде такое затухание происходит по экспоненциальному закону: a
= a0 e–?x. Соответственно уравнение плоской волны имеет следующий вид:
( = a0 e–?x cos ( (t + kx + ( )
(a0 – амплитуда в точках плоскости х = 0).
Теперь найдем уравнение сферической волны. Всякий реальный источник
волн обладает некоторой протяженностью. Однако если ограничиться
рассмотрением волны на расстояниях от источника, значительно превышающих
