6.6. Фазовая и групповая скорости волн

Скорость распространения волны есть скорость перемещения фазы и называется фазовой скоростью. Фазовая скорость равна

. (6.6.1)

Если в среде распространяется одновременно несколько волн, то колебания частиц среды оказываются геометрической суммой колебаний, которые совершали бы частицы при распространении каждой из волн в отдельности, и к ним применим принцип суперпозиции волн: при распространении в линейной среде (т. е. среде снеизменяющимися свойствами) нескольких волн, каждая из них распространяется так, как будто другие волны отсутствуют, а результирующее смещение частицы среды равно геометрической сумме смещений, которые получают частицы, участвуя в каждом из слагающих волновых процессов.

Используя принципа суперпозиции, любая волна может быть представлена в виде волнового пакета. Волновым пакетом называется суперпозиция волн, мало отличающихся друг от друга по частоте, занимающая в каждый момент времени ограниченную область пространства. Простейший волновой пакет двух распространяющихся вдоль положительного направления оси Х гармонических волн с одинаковыми амплитудами, близкими частотами и волновыми числами, причем

и . (6.6.2)

Тогда

. (6.6.3)

Эта волна отличается от гармонической тем, что ее амплитуда

(6.6.4)

медленно изменяющаяся функция координаты х и времени t.

За скорость распространения волнового пакета принимают скорость перемещения максимума амплитуды волны. При условии, что , получим

, (6.6.5)

где – групповая скорость. Рассмотрим связь между групповой и фазовой скоростями. Учитывая, что волновое число и , получим

. (6.6.6)

В теории относительности доказывается, что групповая скорость  c, в то время как для фазовой скорости ограничений не существует.

6.7. Интерференция упругих волн

Для того чтобы рассмотреть интерференцию волн, введем понятие когерентности. Согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов связано с понятием когерентности. Волны называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени. 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, и заключается в том, что колебания в одних точках усиливают, а в других ослабляют друг друга.

Рассмотрим наложение двух когерентных сферических волн, возбуждаемых точечными источниками S₁ и S₂ , колеблющимися с одинаковыми амплитудой, частотой, нулевой начальной фазой и постоянной разностью фаз. Запишем уравнения колебаний:

, , (6.7.1)

где r₁ и r₂ − расстояния от источников волн до рассматриваемой точки.

Амплитуда результирующей волны равна (сложение одинаково направленных колебаний)

. (6.7.2)

Так как разность начальных фаз , то результат наложения двух волн в различных точках зависит от величины , называемой разностью хода волн.

В точках, где выполняется условие   (m = 0, 1, 2, … − порядок максимума)

. (6.7.3)

Так как квадрат амплитуды колебаний пропорционален интенсивности волны, то получаем

. (6.7.4)

То есть наблюдается усиление интенсивности (увеличение амплитуду) результирующей волны или интерференционный максимум.

2) В точках, где выполняется условие  (m = 1, 2, …)

. (6.7.5)

(6.7.6)

То есть наблюдается ослабление интенсивности (уменьшение амплитуды) результирующей волны или интерференционный минимум.

Таким образом, в результате наложения двух когерентных волн в среде возникают колебания, амплитуда которых различна в разных точках среды, при этом в каждой точке среды получается или максимум амплитуды, или минимум амплитуды, или ее промежуточное значение − в зависимости от значения разности расстояний точки до когерентных источников. Интерференция света приводит к перераспределению энергии волны между соседними областями, хотя в среднем для больших областей энергия остается неизменной.