3 Волны

Процесс распространения колебаний, периодический во времени и пространстве, называется волной. Если соответствующие волне колебания являются гармоническими, то волна называется гармонической (синусоидальной):

ζ=Asin(t-kх+₀) (12.6)

Расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одной фазе, называется длиной волны λ. Длина волны равна расстоянию, на которое определенная фаза волны распространяется за период.

Геометрическое место точек, колеблющихся в одной фазе, называется волновой поверхностью. Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях они представляют собой параллельные плоскости (плоские волны) или концентрические сферы (сферические волны).

Волны бывают продольные и поперечные. В продольных волнах колебания происходят в направлении распространения волны, в поперечных волнах колебания перпендикулярны направлению распространения волны.

Среди большого разнообразия волн, встречающихся в природе и технике, выделяются следующие их типы: волны на поверхности жидкости, упругие волны и электромагнитные волны.

Процесс распространения колебаний в среде (твердой, жидкой или газообразной) называется упругой волной. Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовлекаются волной в поступательное движение, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. Упругие поперечные волны могут возникать лишь в среде, обладающей сопротивлению сдвигу. Поэтому в жидкой и газообразной средах возможно распространение только продольных волн. В твердой среде распространяются как продольные, так и поперечные волны.

Частными случаями упругих волн являются звуковые и сейсмические волны. Упругие волны, распространяющиеся в воздухе и имеющие частоту в пределах от 16 до 20000 Гц, достигнув уха человека или животных, вызывают ощущение звука и называются звуковыми (акустическими). Упругие волны с частотами меньшими 16 Гц называются инфразвуком, волны с частотами большими 20000 Гц называются ультразвуком. Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными. Это связано с тем, что твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.

Источником звука может быть всякое тело, колеблющееся в упругой среде со звуковой частотой. Так, в струнных инструментах источником звука является струна, соединенная с корпусом инструмента; в духовых инструментах – некоторый объем воздуха.

Большое значение в технике имеет ультразвук – упругие волны с частотами больше 20 кГц. Из-за малых длин волн ультразвуковые волны могут быть получены в виде строго направленных пучков. Ультразвук используется для направленной подводной сигнализации, определения глубин (гидролокатор, эхолот), для механической обработки очень твердых и очень хрупких тел, в медицине (диагностика, ультразвуковая хирургия, микромассаж тканей) и т.д. Существует целая отрасль техники – ультразвуковая дефектоскопия, позволяющая обнаруживать дефекты в изделиях по характерному рассеянию ультразвукового пучка.

Характерными свойствами волн являются их интерференция и дифракция.

Интерференцией называется наложение волн, при котором происходит перераспределение энергии волн в пространстве. В тех точках, куда волны пришли в одной фазе, наблюдаются максимумы интенсивности (волны усиливают друг друга). В тех точках, куда волны пришли в противофазе, наблюдаются минимумы интенсивности (волны ослабляют друг друга).

Дифракцией называется явление огибания волнами препятствий.

Явления интерференции и дифракции упругих волн и волн на поверхности жидкости легко наблюдаются в повседневной жизни. Интерференцию и дифракцию световых (электромагнитных) волн можно наблюдать только при определенных условиях. Эти вопросы будут рассмотрены в следующей лекции.