Волновое движение
Волна - это возмущение, распространяющееся с конечной скоростью в пространстве и несущее с собой энергию. Суть волнового движения состоит в переносе энергии без переноса вещества. Любое возмущение связано с каким-то направлением (вектор электрического поля в электромагнитной волне, направление колебаний частиц при звуковых волнах, градиент концентрации, градиент потенциала и т.д.). По взаимоположению вектора возмущения и вектора скорости волны, волны подразделяются на продольные (направление вектора возмущения совпадает с направлением вектора скорости) и поперечные (вектор возмущения перпендикулярен вектору скорости). В жидкостях и газах возможны только продольные волны, в твердых телах - и продольные и поперечные.
Волна несет с собой и потенциальную и кинетическую энергию. Скорость волны, т.е. скорость распространения возмущения, зависит как от вида волны, так и от характеристик среды, например, от прочности бетона при затвердевании. Измеряя скорость распространения ультразвука можно определить, какую прочность набрал бетон в процессе выпаривания.
В Японии предложено пропускать ультразвук через стальные изделия перпендикулярно тем поверхностям, расстояние между которыми нужно измерить. Стальные изделия помещались в ванну, которая просвечивалась ультразвуковыми импульсами. Измерив время, необходимое для прохождения импульса от каждого вибратора, определяли внешние размеры изделия /заявка Японии N 51-23193/.
При наличии дисперсии волн понятие скорости волны становится не однозначным: приходится различать фазовую скорость (скорость распространения определенной фазы волны) и групповую скорость, являющуюся скорость переноса энергии, что усложняет различные измерительные работы с помощью различного вида колебаний. В случае же когерентного колебания фазовая скорость может нести информацию о свойствах среды.
Эффект Доплера
Входы: скорость.
Выходы: частота.
Графическая иллюстрация:
Рис.2.23. Источник волн перемещается налево; тогда слева частота волн становится выше (больше), а справа — ниже (меньше)
Сущность:
Эффект Доплера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и движением приёмника. Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука) нужно принимать во внимание движение как источника так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение источника и приёмника. Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение, имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.
Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается (рис.2.23).
Математическое описание:
При движении источника навстречу приемнику:
, где
v— скорость приёмника относительно среды;
c – скорость волн, испускаемых источником;
-
частота, с которой источник испускает
волны;
f– частота, регистрируемая неподвижным приемником.
Применение.
На основе этого эффекта созданы приборы для измерения скорости движения различных объектов.
Патент США 3 555 899: Установка для ультразвукового измерения расхода жидкостей в трубопроводе. Имеется устройство для создания двух траекторий распространения ультразвука между противоположными боковыми стенками трубопровода и устройство, которое направляет эти траектории таким образом, что они располагаются в плоскости, проходящей через параллельно продольные прямые, и наклонены к обеим прямым под взаимно дополняющими углами. Установка имеет устройство, которое посылает ультразвуковые колебания в двух противоположных направлениях по каждой из двух траекторий. Расход определяется путем измерения скорости распространения колебаний по направлению потока и навстречу потоку и вычисления среднего значения разности между указанными различными скоростями. Распространение звуковых колебаний по одной траектории может быть обеспечено путем отражения ультразвуковых колебаний, идущих по другой траектории.
Патент США 3 564 488: Прибор для измерения скорости движущихся объектов, например, для измерения скорости движения тела по рельсам: по одному из рельсов пускаются ультразвуковые волны. В приборе имеется пьезоэлектрический преобразователь, который служит для обнаружения доплеровской частоты в отраженном сигнале, исходящей от точки, расположенной вблизи места контакта движущегося тела с рельсом. Частота Доплера используется для измерения скорости движущегося по рельсам объекта.
Поляризация волн
Входы: нет.
Выходы: поляризованная волна.
Графическая иллюстрация:
Рис 2.24: а - линейная поляризация, б - круговая поляризация
Рис 2.25. Эллиптическая поляризация
Сущность:
Поляризация - нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризованной волне колебания векторов и скорости частиц среды беспорядочно сменяют друг друга, так что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным.
Поперечную волну называют поляризованной, если в каждой точке пространства направление колебаний сохраняется неизменным (линейно-поляризованным) или изменяется с течением времени по определенному закону.
Поляризация может возникнуть вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе (например, в лазерах) при отражении и преломлении волн на границе двух сред (наибольшая степень поляризации имеет место при отражении под углом Брюстера - тангенс угла равен коэффициенту преломления окружающей среды), при распространении волны в анизотропной среде.
Поляризация может возникать и при рассеянии света. Рассеянный на неоднородных средах естественный свет в некоторых направлениях является линейно - поляризованным (и наоборот линейно - поляризованный свет в некоторых направлениях не рассеивается). В основе этого явления, как и при поляризации света, отраженного под углом Брюстера, лежит природа самой электромагнитной поперечной световой волны, а вовсе не анизотропия и ориентация молекул, что лишь препятствует полной поляризации рассеянного света.
Основными являются два вида поляризации:
линейная — колебания возмущения происходит в каком-то одном направлении в плоскости колебаний. В таком случае говорят о «плоско поляризованной волне» (Рис. 2.24 а);
круговая — конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой (Рис. 2.24 б).
На основе этих двух формируются и другие, более сложные виды поляризации, например, эллиптическая (рис. 2.25).
Математическое описание:
вектор напряженности электрического
поля,
вектор напряженности магнитного поля,
- угловая скорость, при которой происходит
поворот Е,
где
–скорость света,
-
длина волны.
Применение.
Поляризация используется для создания различных оптических эффектов. Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, т. к. для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн. В наземных линиях используют антенны с линейной поляризацией.
А.с. 269 588: Способ определения стойкости стекла в спаях с металлом к электролизу, состоящий в том, что через термостат-образец пропускают электрический ток, причем напряжение питающего источника остается постоянным и измеряют величину тока, проходящего через образец, отличающийся тем, что с целью повышения точности наблюдений, о ходе процесса электролиза судят по изменению картины механических напряжений в местах спая с металлом, наблюдаемой в лучах поляризованного света.
А.с. 221 345: Способ контроля кристаллизации кондитерских масс в процессе производства путем микрокопирования исследуемого образца отличается тем, что, с целью повышения точности, контроль осуществляют в проходящем поляризованном световом луче с измерением при этом интенсивности потока с последующим определением содержания кристаллов.
А.с. 249 025: Способ оценки распределения контактных напряжений по величине деформации пластичной прокладки, располагаемый в зоне контакта между соприкасающимися поверхностями, отличается тем, что, с целью повышения точности, в качестве пластичной прокладки используют пленку из оптически чувствительного материала, которую затем просвечивают поляризованным светом в направлении действия контактных сил, и по картине полос судят о распространении контактных напряжений.
Дифракция
Входы: перемещение.
Выходы: интенсивность света.
Графическая иллюстрация:
Рис. 2.26. Распределение интенсивности света
при дифракции на щели
Сущность:
В общем случае дифракция - это отклонения волновых движений от законов геометрической оптики. Если на пути распространения волны имеется препятствие, то на краях препятствия наблюдается огибание волной края. Если размеры препятствия велики по сравнению с длиной волны, то распространение волны почти не отклоняется от прямолинейного, то есть дифракционные явления незначительны. Если же размеры препятствия сравнимы с длиной волны, то наблюдается сильное отклонение от прямолинейного распространения волнового фронта. При малых размерах препятствия волна полностью его огибает - она не замечает препятствия. Очевидно, величина отклонения (количественная характеристика дифракции) при заданном препятствии будет зависеть от длины волны: волны большой длины будут сильнее огибать препятствие.
Такое распределение волн, используется в дифракционных спектроскопах, где белый свет (совокупность волн различной длины) разлагается в спектр с помощью дифракционной решетки.
Математическое описание:
Дифракция на щели (рис.2.26):
,
где:
I – интенсивность
- угол
- длина волны
- ширина щели
c – скорость света.
Применение:
А.с. 252 625: Способ определения статических характеристик прозрачных диэлектрических пленок, заключающийся в том, что через исследуемую пленку пропускают луч света, отличается тем, что, с целью упрощения процесса и сокращения времени определения, на луч когерентного света за исследуемой пленкой устанавливают экран с отверстием, вращают исследуемую пленку в плоскости, перпендикулярной оси луча, получают усредненную дифракционную картину от отверстия и затем из сравнения полученной усредненной дифракционной картины с расчетной картиной определяют статические характеристики пленки.