Волна - процесс переноса (т.е. распространения) энергии, осуществляемый при помощи колебаний

Классификации волн

Имеется множество классификаций волн, различающиеся по своей физической природе, по конкретному механизму распространения, по среде распространения и т. п.

[править]Влияние субстанции

Особенности физической среды, в которой распространяются волны, накладывают особенности на характер их распространения, оставляя неизменными базовые волновые свойства. В связи с этим различают:

§ механические упругие волны в твёрдых, жидких, газообразных материалах:

§ волны на границе двух сред (поверхностные волны), Продольные волны в субстанции

§ поперечные волны

§ волны сдвиговой деформации

§ компаундные волны, возникающие в результате суперпозиции продольных противофазных волн в средах без сдвиговой деформации (жидких, газообразных)

§ Электромагнитные волны

§ Поперечные электромагнитные волны (радиоволны, свет, рентгеновские лучи), в определённой степени аналог компаундных волн, поскольку образуются переменными во времени диполями, характеристика этих волн распространения в пространстве аналогична акустическим ^[9];

§ Продольные ЭМ волны, возникающие при униполярном возбуждении переменным во времени монополем: Схема радиально расположенных диполей (красный цвет соответствует положительному заряду, а синий - отрицательному заряду диполя) ^[10];

§ волновые процессы в проводящих средах, в т.ч. и волны в плазме.;

§ гравитационные волны;

[править]По отношению к направлению колебаний частиц среды § продольные волны (волны сжатия, P-волны) — частицы среды колеблются параллельно (по) направлению распространения волны (как, например, в случае распространения звука); § поперечные волны (волны сдвига, S-волны) — частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (электромагнитные волны, волны на поверхностях разделения сред); § волны смешанного типа. продольная волна поперечная волна [править]По геометрии фронта волны (поверхности равных фаз) § плоская волна — плоскости равных фаз перпендикулярны направлению распространения волны и параллельны друг другу; § сферическая волна — поверхностью равных фаз является сфера; § цилиндрическая волна — поверхность фаз напоминает цилиндр. § спиральная волна — образуется в случае, если сферический или цилиндрический источник/источники волны в процессе излучения движется по некоторой замкнутой кривой. В этом типе волн само излучение источника может и не зависеть от времени[11].     26. Плоская гармоническая бегущая волна. Энергия бегущей волны. Бегущая волна — волновое движение, при котором поверхность равных фаз (фазовые волновые фронты) перемещается с конечной скоростью (постоянной для однородной среды). С бегущей волной, групповая скорость которой отлична от нуля, связан перенос энергии, импульса или других характеристик процесса[1]. Бегущая волна - волна, которая при распространении в среде переносит энергию (в отличие от стоячей волны). Примеры: упругая волна в стержне, столбе газа, жидкости, электромагнитная волна вдоль длинной линии, в волноводе[2]. Бегущая волна — волновое возмущение, изменяющееся во времени и пространстве согласно выражению где — амплитудная огибающая волны, — волновое число и — фаза колебаний. Фазовая скорость этой волны даётся выражением где — это длина волны. Частные случаи Стоячая волна является частным случаем бегущей волны с . То есть, две одинаковые периодические бегущие волны (в рамках справедливости принципа суперпозиции), распространяющиеся в противоположных направлениях, образуют стоячую волну[1]. Частично бегущая волна Возникает при разных амплитудах. Характеристика Характеризуется или коэффициентом бегучести волны (КБВ), или коэффициентом стоячести волны (KCB), или коэффициентом отражения Г, равным отношению амплитуд встречных волн[1]: KCB=1/КБВ=(1+|Г|²)/(1-|Г|²) По линиям передач оптимальная передача энергии требует их согласование: получение в линии режима бегущей волны - KCB=1, Г=0. Такой режим для цепей с сосредоточенными параметрами будет соответствовать равенству внутреннего сопротивления источника сопротивлению нагрузки.   27. Поток энергии. Вектор Умова. Интенсивность волны. Поток энергии — это количество энергии, переносимое через некоторую произвольную площадку в единицу времени. Единицы измерения Единицей измерения потока энергии является ватт, равный одному джоулю, делённому на секунду. Плотность потока энергии — физическая величина, численно равная потоку энергии через единичную площадку, перпендикулярную направлению потока. Часто вводят также вектор плотности потока энергии (так называемый вектор Умова), величина которого равна плотности потока энергии, а направление совпадает с направлением потока. В электродинамике вектор плотности потока электромагнитной энергии носит название вектора Пойнтинга. ектор Пойнтинга (также вектор Умова — Пойнтинга) — вектор плотности потока энергии электромагнитного поля, одна из компонент тензора энергии-импульса электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга S можно определить через векторное произведение двух векторов: (в системе СГС),   (в системе СИ),   где E и H — векторы напряжённости электрического и магнитного полей соответственно. (в комплексной форме)[1],   где E и H — векторы комплексной амплитуды электрического и магнитного полей соответственно. Этот вектор по модулю равен количеству энергии, переносимой через единичную площадь, нормальную к S, в единицу времени. Своим направлением вектор определяет направление переноса энергии. Поскольку тангенциальные к границе раздела двух сред компоненты E и H непрерывны (см. граничные условия), то вектор S непрерывен на границе двух сред. Вектор Пойнтинга и импульс электромагнитного поля В силу симметричности тензора энергии-импульса, все три компоненты вектора пространственной плотности импульса электромагнитного поля равны соответствующим компонентам вектора Пойнтинга, делённым на квадрат скорости света: (в системе СИ) В этом соотношении проявляется материальность электромагнитного поля. Поэтому, чтобы узнать импульс электромагнитного поля в той или иной области пространства, достаточно проинтегрировать вектор Пойнтинга по объёму.   Интенси́вность — скалярная физическая величина, количественно характеризующая мощность, переносимую волной в направлении распространения. Численно интенсивность равна усреднённой за период колебаний волны мощности излучения, проходящей через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения энергии. В математической форме это может быть выражено следующим образом: где T — период волны, dP — мощность, переносимая волной через площадку dS. Интенсивность волны связана со средней плотностью энергии w в волне и скоростью распространения волны u следующим соотношением: Единицей измерения интенсивности в системе СИ является Вт/м², в системе СГС — эрг/с·см².   28. Стоячая волна. Энергетические соотношения в стоячей волне. Стоячая волна́ — колебания в распределённых колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов)амплитуды. Практически такая волна возникает при отражениях от преград и неоднородностей в результате наложения отражённой волны на падающую. При этом крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения. Примерами стоячей волны могут служить колебания струны, колебания воздуха в органной трубе[1]; в природе — волны Шумана. Чисто стоячая волна, строго говоря, может существовать только при отсутствии потерь в среде[2] и полном отражении волн от границы. Обычно, кроме стоячих волн, в среде присутствуют и бегущие волны, подводящие энергию к местам её поглощения или излучения. Для демонстрации стоячих волн в газе используют трубу Рубенса. В случае гармонических колебаний в одномерной среде стоячая волна описывается формулой: , где u — возмущения в точке х в момент времени t, — амплитуда стоячей волны, — частота , k — волновой вектор, — фаза. Стоячие волны являются решениями волновых уравнений. Их можно представить себе как суперпозицию волн, распространяющихся в противоположных направлениях. При существовании в среде стоячей волны, существуют точки, амплитуда колебаний в которых равна нулю. Эти точки называются узлами стоячей волны. Точки, в которых колебания имеют максимальную амплитуду, называютсяпучностями. Моды Стоячие волны возникают в резонаторах. Конечные размеры резонатора накладывают дополнительные условия на существование таких волн. В частности, для систем конечных размеров волновой вектор (а, следовательно, длина волны) может принимать лишь определенные дискретные значения. Колебания с определенными значениями волнового вектора называются модами. Например, различные моды колебаний зажатой на концах струны определяют её основной тон и обертоны. Волновое уравнение Для того, чтобы получить стоячие волны как результат решения однородного дифференциального волнового уравнения (Даламбера) необходимо соответствующим образом задать его граничные условия (например, закрепить концы струны). В общем случае неоднородного дифференциального уравнения , где выполняет роль «силы», с помощью которой осуществляется смещение в определенной точке струны, стоячая волна возникает автоматически. Математическое описание стоячих волн В одномерном случае две волны одинаковой частоты, длины волны и амплитуды, распространяющиеся в противоположных направлениях (например, навстречу друг другу), будут взаимодействовать, в результате чего может возникнуть стоячая волна. Например, гармоничная волна, распространяясь вправо, достигая конца струны, производит стоячую волну. Волна, что отражается от конца, должна иметь такую ​​же амплитуду и частоту, как и падающая волна. Рассмотрим падающую и отраженную волны в виде: где: § y0 — амплитуда волны, § — циклическая (угловая) частота, измеряемая в радианах в секунду, § k — волновой вектор, измеряется в радианах на метр, и рассчитывается как поделённое на длину волны , § x и t — переменные для обозначения длины и времени. Поэтому результирующее уравнение для стоячей волны y будет в виде суммы y1 и y2: Используя тригонометрические соотношения, это уравнение можно переписать в виде: Если рассматривать моды и антимоды , то расстояние между соседними модами / антимодами будет равно половине длины волны .   29. Источники и приемники звука. Голосовой и слуховой аппараты человека. Звук - продольные механические волны с частотой от 17 до 20 кГц.   Источник звука. Звук - распространяющиеся в упругих средах, газах, жидкостях и твердых телах механические колебания, воспринимаемые ухом. Источник звука - различные колеблющиеся тела, например туго натянутая струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны. Как возникают колебательные движения? Достаточно оттянуть и отпустить струну музыкального инструмента или стальную пластину, зажатую одним концом в тисках, как они будут издавать звук. Колебания струны или металлической пластинки передаются окружающему воздуху. Когда пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа; при этом слой воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разредится. При отклонении пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разрежает слои воздуха, прилегающие к ней с правой стороны, и т.д. Сжатие и разрежение прилегающих к пластине слоев воздуха будет передаваться соседним слоям. Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая, до полного прекращения колебаний Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя колебаться его барабанную перепонку, вызывая раздражение слухового нерва, воспринимаемое нами как звук. Колебания воздуха, источником которых является колеблющееся тело, называют звуковыми волнами, а пространство, в котором они распространяются, звуковым полем. Скорость распространения звуковых колебаний зависит от упругости среды, в которой они распространяются. В воздухе скорость распространения звуковых колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она может изменяться в зависимости от его влажности, давления и температуры. В безвоздушном пространстве звук не распространяется. При распространении звука, вследствие колебаний частиц среды, в каждой точке звукового поля происходит периодическое изменение давления. Среднее квадратичное значение величины этого давления, обозначаемое буквой P, называют звуковым давлением. За единицу звукового давления принята величина, равная силе в один ньютон (Н), действующей на площадь в один квадратный метр (Н/м2). Чем больше звуковое давление, тем громче звук. При средней громкости человеческой речи звуковое давление на расстоянии 1м от рта говорящего находится в пределах 0,0064-0,64.

Источники звука можно разделить на 2 категории:

· Работающие на собственных частотах(только с 1 частотой), например – музыкальные инструменты.

· Работающие по принципу преобразования электрических колебаний в механические, например – наушники, динамики.

Приёмники звука, акустические приборы для восприятия звуковых сигналов и преобразования их с целью измерения, передачи, воспроизведения, записи или анализа. Наиболее распространеныПриёмники звука, преобразующие акустические сигналы в электрические (см. Электроакустические преобразователи). К ним относятся применяемые в воздухе микрофоны, в воде — гидрофоны, в грунте — геофоны. Важнейшие характеристики таких Приёмники звука: чувствительность, представляющая собой отношение электрического сигнала (напряжения, тока) к акустическому (например, звуковому давлению); частотная характеристика; собственное электрическое сопротивление; направленность.

Свойства:

· Диапазон частот вынужденных колебаний

· Чувствительность (отношение чего-то на входе и на выходе)

· Предельная выходная мощность

· Уровень шумов

Го́лос — звук, издаваемый человеком при разговоре, пении, крике, смехе, плаче. Голосообразование происходит путём выдыхания воздуха из легких через рот и нос, при этом голосовые складкивибрируют и создают звуковые колебания в проходящем через них воздухе. Характерный для каждого человека тембр голоса приобретается в результате прохождения звуковых волн через резонаторы, роль которых выполняют окружающие гортань сверху и снизу воздухоносные полости: ротоглоточная и носовая сверху и трахея с крупными бронхами снизу.

Человеческое ухо номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Верхний предел имеет тенденцию снижаться с возрастом. Большинство взрослых людей не могут слышать звук частотой выше 16 кГц. Ухо само по себе не реагирует на частоты ниже 20 Гц, но они могут ощущаться через органы осязания.

Диапазон громкости воспринимаемых звуков огромен. Но барабанная перепонка в ухе чувствительна только к изменению давления. Уровень давления звука принято измерять в децибелах (дБ). Нижний порог слышимости определён как 0 дБ (20 микропаскаль), а определение верхнего предела слышимости относится скорее к порогу дискомфорта и далее — к нарушению слуха, контузии и т. д. Этот предел зависит от того, как долго по времени мы слушаем звук. Ухо способно переносить кратковременное повышение громкости до 120 дБ без последствий, но долговременное восприятие звуков громкостью более 80 дБ может вызвать потерю слуха

30. Объективные и субъективные характеристики звука.

31. Эффект Доплера в акустике. Ультразвук и инфразвук.

Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.

Сущность явления

Эффект Доплера легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, он услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.

Для волн (например, звука), распространяющихся в какой-либо среде, 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, в вакууме имеет значение только относительное движение источника и приёмника^[1].

Эффект был впервые описан Кристианом Доплером в 1842 году.

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.

Как наблюдать эффект Доплера

Поскольку явление характерно для любых волн и потоков частиц, то его очень легко наблюдать для звука. Частота звуковых колебаний воспринимается на слух как высота звука. Надо дождаться ситуации, когда быстро движущийся автомобиль или поезд будет проезжать мимо вас, издавая звук, например, сирену или просто звуковой сигнал. Вы услышите, что когда автомобиль будет приближаться к вам, высота звука будет выше, потом, когда автомобиль поравняется с вами, резко понизится и далее, при удалении, автомобиль будет сигналить на более низкой ноте.

Математическое описание

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 испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается:

,

где — частота, с которой источник испускает волны, — скорость распространения волн в среде, — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным приёмником

.

(1)

Аналогично, если приёмник движется навстречу волнам, он регистрирует их гребни чаще и наоборот. Для неподвижного источника и движущегося приёмника

,

(2)

где — скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Подставив вместо в формуле (2) значение частоты из формулы (1), получим формулу для общего случая:

.

Ультразвук — упругие звуковые колебания высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16-20 кГц; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до миллиарда Гц. Звуковые колебания с более высокой частотой называют гиперзвуком. В жидкостях и твердых телах звуковые колебания могут достигать 1000 ГГц.

Источники ультразвука

Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока — струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей — электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Ультразвук в природе

Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом (кожановые — Vespertilionidae) или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием (подковоносые — Rhinolophidae) сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 — 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов.

Инфразву́к (от лат. infra — ниже, под) — упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16—25 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0.001 Гц. Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герц, то есть с периодами в десяток секунд.

Природа возникновения инфразвуковых колебаний такая же, как и у слышимого звука, поэтому инфразвук подчиняется тем же закономерностям, и для его описания используется такой же математический аппарат, как и для обычного слышимого звука (кроме понятий, связанных с уровнем звука). Инфразвук слабо поглощается средой, поэтому может распространяться на значительные расстояния от источника. Из-за очень большой длины волны ярко выражена дифракция.

Источники инфразвука

Поиск по сайту: