§ 3. Уравнение волны

При описании волнового процесса требуется найти амплитуды и фазы колебательного движения в различных точках среды и изменение этих величин с течением времени. Эта задача может быть решена, если известно, по какому закону колеблется и как взаимодействует со средой тело, вызвавшее волновой процесс. Однако во многих случаях не существенно, каким телом возбуждена данная волна; решается более простая задача: дано состояние колебательного движения в некоторых точках среды в определенный момент времени, например известно расположение фронта волны или волновой поверхности; требуется определить состояние колебательного движения в других точках среды эта задача выходит за пределы нашего курса. Здесь же мы найдем связи между состояниями колебательного движения в различных точках среды в простейшем случае, когда в этой среде распространяется плоская или сферическая синусоидальная волна.

Допустим, что волновой процесс распространяется в положительном направлении оси ОХ, т. е. в сторону возрастания координаты х. Обозначим через у колеблющуюся величину; этой величиной могут быть: смещение частиц среды относительно их положения равновесия, отклонение давления или плотности в данном месте среды от равновесного значения и т. д. Для простоты рассуждений предположим, что распространяющаяся волна — синусоидальная, т. е. в каждой точке среды величина у изменяется со временем по гармоническому закону. Мы разумеется помним, что означают слова «по гармоническому закону». Ну а кто не помнит, напомним. Это означает, что зависимость от времени колеблющейся величины выражается формулой:

y(t)=y₀ sin(ωt + φ) (3.1)

здесь выражение ωt + φ называется фазой гармонического колебания, φ – начальная фаза, y₀ - амплитуда колебаний.

Сделаем еще одно определение. Колебание (3.1) происходит с одной единственной частотой ω . Такое колебание называется умным словом монохроматическим. Это определение пришло к нам из оптики и в буквальном переводе (с не помню с какого языка) означает одноцветное. Дело в том, что свет различной частоты имеет разный цвет (красный, желтый и т.п.), поэтому свет какого-то определенного цвета имеет определенную частоту. Ну вот так и назвали. Этим определением пользуются и в других разделах физики, в частности и в теории волн в упругой среде. Но вернемся к нашим волнам.

Допустим, что начало отсчета времени выбрано так, что в точке О при t = 0, у = 0, т. φ =0 тогда

y(t)=y₀ sin ωt

где ω = 2π/Т — угловая частота; Т — период; ωt — аргумент синуса (определяющий значение колеблющейся величины в каждый заданный момент времени) есть фаза колебаний в точке О. Требуется найти фазу колебаний в любой другой точке А, отстоящей от О на расстоянии х. Если мы будем знать фазу колебаний в любой точке (ясно, что теперь она будет зависеть от х), то мы будем знать и аргумент синуса, а значит и значение колеблющейся величины в любой момент времени в любой точке.

Так как точка А расположена относительно О в направлении распространения волны, то в данный момент времени t в этой точке будет такое состояние колебательного движения, какое было в точке О на x/с секунд раньше¹; здесь с - есть скорость распространения фазы колебаний в направлении ОХ. Таким образом, фаза колебаний в точке А в момент t равна фазе колебаний в точке О в более ранний момент t-x/с, т. е. равна ω (t-x/с).

Следовательно, значение колеблющейся величины в точке А в момент времени t:

y(x,t)=y₀ sin ω(t-x/с) (3.2)

Это соотношение называется уравнением синусоидальной волны, а с — ее фазовой скоростью.

Допустим теперь, что волна распространяется в обратном направлении, т.е. от А к О, в сторону убывания координаты х. Тогда определенное состояние колебания, т. е. определенная фаза волны, достигает точки А на τ=x/с секунд раньше, чем точки О, следовательно, фаза в точке А в данный момент времени больше фазы в точке О на ωτ=ωx/с. Если по-прежнему принять фазу в точке О в момент t равной ωt, то в точке А в этот же момент времени фаза будет равна ωτ=ω(t+x/с). Таким образом, уравнение синусоидальной волны можно написать в общем виде:

(3.3)

где знак «минус» берется для волны, распространяющейся в направлении возрастания х, а плюс — в обратном направлении.

При выводе формулы (3.3) предполагалось, что амплитуда колебаний y₀ по мере распространения волны не изменяется, и среда однородная (т. е. скорость распространения фазы колебаний везде одинаковая). Эти два предположения означают, что мы рассматривали плоскую волну, у сферической волны, как мы увидим в дальнейшем, амплитуда колебаний уменьшается обратно пропорционально расстоянию.

Мы уже знаем, что расстояние λ, пройденное волной (т. е. определенной фазой колебаний) за один период колебаний, называется длиной волны, очевидно,

;

В уравнении волны (3.2) колеблющаяся величина зависит от двух переменных: х и t. Если найти производную от y(x,t) по времени, полагая х постоянной, то эта частная производная

показывает скорость изменения колеблющейся величины в данной точке среды. Производная же от у по х при постоянном t

есть разность значений колеблющейся величины, рассчитанная на единицу расстояния между точками среды (Δx =x₂-x₁), т. е. показывает, как резко увеличивается или уменьшается у вдоль оси ОХ (в данный момент времени t) колеблющаяся величина.

Найдем частные производные от колеблющейся величины у по времени при постоянном х:

(3.4)

Если y есть смещение частиц среды при колебаниях, то υ и а будут скоростью и ускорением этих частиц при их колебательном движении в точке с координатой х. Амплитудные значения этих величин связаны между собой:

υ₀=y₀ ω; a= y₀ ω² = υ₀ ω .

Частные производные от у по х при постоянном t будут равны:

,

.

Следовательно,

(3.5)

это и есть дифференциальное уравнение плоской бегущей волны, распространяющейся по оси ОХ. Оно получено нами из уравнения волны (3.3). Однако можно сделать и обратное заключение: если какая-нибудь физическая величина у = у (х, t) зависит от времени и координат так, что ее частные производные удовлетворяют уравнению (3.5), то величина у распространяется в среде в виде плоской волны [см. уравнение (3.3)] со скоростью

и частотой колебаний