Реферат: Упругие волны

УПРУГИЕ ВОЛНЫ

§ 1. Распространение волн в упругой среде

Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газо­образной) среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание будет распро­страняться в среде от частицы к частице с некоторой скоро­стьюυ . Процесс распространения колебаний в пространстве на­зывается волной.

Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовле­каются волной в поступательное движение, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В попереч­ной волне частицы среды колеблются в направлениях, перпендику­лярных к направлению распространения волны. Упругие попереч­ные волны могут возникнуть лишь в среде, обладающей сопротивле­нием сдвигу. Поэтому в жидкой и газообразной средах возможно возникновение только продольных волн. В твердой среде возможно возникновение как продольных, так и поперечных волн.

На рис. 1.1 показано движение частиц при распространении в среде поперечной волны. Номерами 1, 2 и т. д. обозначены час­тицы, отстоящие друг от друга на расстояние, равное ¼ υ T , т. е. на расстояние, проходимое волной за четверть периода колебаний, совершаемых частицами. В момент времени, принятый за нулевой, волна, распространяясь вдоль оси слева направо, достигла час­тицы 1 , вследствие чего частица начала смещаться из положения равновесия вверх, увлекая за собой следующие частицы. Спустя четверть периода частица 1 достигает крайнего верхнего положе­ния; одновременно начинает смещаться из положения равновесия частица 2 . По прошествии еще четверти периода первая частица будет проходить положение равновесия, двигаясь в направлениисверху вниз, вторая частица достигнет крайнего верхнего положе­ния, а третья частица начнет смещаться вверх из положения рав­новесия. В момент времени, равный Т , первая частица закончит полный цикл колебания и будет находиться в таком же состоянии движения, как и в начальный момент. Волна к моменту времени Т , пройдя путьυ T , достигнет частицы 5 .

На рис. 1.2 показано движение частиц при распространении в среде продольной волны. Все рассуждения, касающиеся поведе­ния частиц в поперечной волне, могут быть отнесены ик данному случаю с заменой смещений вверх и вниз смещениями вправо ивлево. Из рисунка видно,что при распространении продольной волны в среде создаются чередующиеся сгущения и разрежения частиц (места сгущения частиц обведены на рисунке пунктиром), перемещающиеся в направлении распространения волны со ско­ростью υ .

На рис. 1.1 и 1.2 показаны колебания частиц, положения равновесия которых лежат на оси х . В действительности колеблют­ся не только частицы, расположенные вдоль оси х , а совокупность частиц, заключенных в некотором объеме. Распространяясь от ис­точника колебаний, волновой процесс охватывает все новые и но­вые части пространства. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времениt , называется фронтом волны (или волновым фронтом). Фронт волны пред­ставляет собой ту поверхность, которая отделяет часть простран­ства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой ко­лебания еще не возникли.

Геометрическое место точек,колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью. Волновую по­верхность можно провести через любую точку пространства, охваченного волновым процессом. Следовательно, волновых по­верхностей существует бесконечное множество, в то время как волновой фронт каждый момент времени только один. Волновые поверхности остаются неподвижными. Волновой фронт все время перемещается.

Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях они имеют форму плоскости или сферы. Соответственно волна в этих случаях называется плоской или сферической. В плоской волне волновые поверхности представляют со­бой множество параллельных друг другу плоскостей, в сфериче­ской волне — множество концентрических сфер.

Рассмотрим случай, когда плоская волна распространяется вдоль оси х . Тогда все точки среды, положения равновесия кото­рых имеют одинаковую координату х (но различные значения координат y иz ), колеблются в одинаковой фазе.

На рис.1.3 изображена кривая, которая дает смещение x из положения равновесия точек с различными x в некоторый мо­мент времени. Не следует воспринимать этот рисунок как зримое изображение волны. На рисунке показан график функции x (х , t) для некоторого фиксированного момента времени 1 . С течением времени график перемещается вдоль оси х . Такой график можно строить как для продольной, так и для поперечной волны. В обоих случаях он выглядит одинаково.

λ =υ T,

где υ — скорость волны, T — период колебаний. Длину волны можно определить также как расстояние между ближайшими точ­ками среды, колеблющимися с разностью фаз, равной 2p (см. рис. 1.3).

λ v =υ .

К этой формуле можно прийти также из следующих соображений. За одну секунду источник волн совершает v колебаний, порождая в среде при каждом колебании один «гребень» и одну «впадину» волны. К тому моменту, когда источник будет завершать v-e коле­бание, первый «гребень» успеет пройти путь υ . Следовательно, v «гребней» и «впадин» волны должны уложиться на длине υ .

§ 2. Уравнения плоской и сферической волн

Уравнением волны называется выражение, которое дает сме­щение колеблющейся частицы как функцию ее координат х , у , z и времени t :

(имеются в виду координаты равновесного положения частицы). Эта функция должна быть периодической как относительно вре­мени t , так и относительно координат х , y, z . Периодичность по времени вытекает из того, что x описывает колебания час­тицы с координатами х , у , z . Периодич­ность по координатам следует из того, что точки, отстоящие друг от друга на расстоя­ние λ , колеблются одинаковым образом.

Найдем вид функции x , в случае плос­кой волны, предполагая, что колебания носят гармонический характер. Для уп­рощения направим оси координат так, чтобы ось х совпала с направлением рас­пространения волны. Тогда волновые поверхности будут пер­пендикулярными к оси х и, поскольку все точки волновой поверх­ности колеблются одинаково, смещение x будет зависеть только от х и t : x = x (х , t) . Пусть колебания точек, лежащих в плоскости х = 0 (рис. 2.1), имеют вид

x (х , t) =a cos ( w t + a ) .

Найдем вид колебания точек в плоскости, соответствующей про­извольному значению х . Для того чтобы пройти путь от плоскости х = 0 до этой плоскости, волне требуется время t =x / υ (υ – скорость распространения волны). Следовательно, колебания частиц, лежащих в плоскости х , будут отставать по времени на t от колебаний частиц в плоскости х = 0, т. е. будут иметь вид

x (х , t) =a cos [ w ( t − t ) + a ] = a cos [ w ( t − x / υ ) + a ] .

Итак, уравнение плоской волны (и продольной, и поперечной), распространяющейся в направлении оси х, выглядит следующим образом:

Величина a представляет собой амплитуду волны. Начальная фаза волны a определяется выбором начал отсчета х и t . При рас­смотрении одной волны начала отсчета времени и координаты обычно выбираются так, чтобы a была равной нулю. При совмест­ном рассмотрении нескольких волн сделать так, чтобы для всех них начальные фазы равнялись пулю, как правило, не удается.

w ( t − x / υ ) + a = const

Таким образом, скорость распространения волныυ в уравнении (2.2) есть скорость перемещения фазы, в связи с чем ее называют фазовой скоростью.

x = a cos [ w ( t + x / υ ) + a ]

из которого следует, что волна (2.5) распространяется в сторону убывания х .

x = a cos ( w t + kx + a )

Уравнение волны, распространяющейся в сторону убывания х , отличается от (2.8) только знаком при члене kx .

При выводе формулы (2.8) мы предполагали, что амплитуда колебаний не зависит от х . Для плоской волны это наблюдается в том случае, когда энергия волны не поглощается средой. При рас­пространении в поглощающей энергию среде интенсивность волны с удалением от источника колебаний постепенно уменьшается – наблюдается затухание волны. Опыт показывает, что в однородной среде такое затухание происходит по экспоненциальному закону:a = a ₀ e^–γx . Соответственно урав­нение плоской волны имеет следующий вид:

(a ₀ – амплитуда в точках плоскости х = 0).

Теперь найдем уравнение сферической волны. Всякий реаль­ный источник волн обладает некоторой протяженностью. Однако если ограничиться рассмотрением волны на расстояниях от источ­ника, значительно превышающих его размеры, то источник можно считать точечным. В изотропной и однородной среде волна, по­рождаемая точечным источником, будет сферической. Допустим, что фаза колебаний источника равнаw t + a . Тогда точки, лежа­щие на волновой поверхности радиуса r , будут колебаться с фазой

w ( t – r/ υ ) = w t – kr + a

где a — постоянная величина, численно равная амплитуде на рас­стоянии от источника, равном единице. Размерность а равна раз­мерности колеблющейся величины, умноженной на размерность длины.Для поглощающей среды в формулу (2.10) нужно доба­вить множитель e^–γx .

Напомним, что в силу сделанных предположений уравнение (2.10) справедливо только при r , значительно превышающих размеры источника. При стремлении r к нулю выражение для амп­литуды обращается в бесконечность. Этот абсурдный результат объясняется неприменимостью уравнения для малых r .

§ 3. Уравнение плоской волны, распространяющейся в произвольном направлении

Найдем уравнение плоской волны, распространяющейся в на­правлении, образующем с осями координат x , y , z углы α, β, γ. Пусть колебания в плоскости, проходя­щей через начало координат (рис. 3.1), имеют вид

x = a cos [ w( t − ) +a ] =a cos ( wt − kl +a ).

(k =ω/υ; см. формулу (2.7)).

Выразим l через радиус-вектор точек рассматриваемой поверх­ности. Для этого введем единичный вектор n нормали к волновой поверхности. Из рис. 3.1 видно, что скалярное произведение n на радиус-вектор r любой из точек поверхности равно l :

nr = r cos φ=l .

x = a cos ( wt − k nr +a )

k = k n ,

x ( r , t ) = a cos ( wt − kr +a )

Мы получили уравнение плоской незатухающей волны, распро­страняющейся в направлении, определяемом волновым векто­ром k . Для затухающей волны нужно добавить в уравнение мно­жительe^{– γl} = e^{– γ nr} .

Функция (3.5) дает отклонение от положения равновесия точ­ки с радиусом-вектором r в момент времени l (r оп­ределяет равновесное положение точки). Чтобы перейти от радиу­са-вектора точки к ее координатам х , у , z , выразим скалярное про­изведение kr через компоненты векторов по координатным осям:

kr = k_x x +k_y y + k_z z .

x (x , y , z , t ) = a cos ( wt − k_x x –k_y y – k_z z +a )

x = Re ae^{i (ωt -kr +α)}

â = ae ^{i α} ,

которое называют комплексной амплитудой. Модуль этого числа дает амплитуду, а аргумент – начальную фазу волны Таким образом, уравнение плоской незатухающей волны мож­но представить в виде

x = â e^{i (ωt -kr )}

Преимущества такой записи выяснятся в дальнейшем.

§ 4. Волновое уравнение

Уравнение любой волны является решением дифференциального уравнения, называемого волновым. Чтобы установить вид волнового уравнения, сопоставим вторые частные производные по координатам и времени от функции (3.6), описывающей плос­кую волну. Продифференцировав эту функцию дважды по каждой из переменных, получим

Сопоставив эту сумму с производной по времени и заменивk ² /ω² через 1/υ² (см. (2.7)), получим уравнение

Это и есть волновое уравнение. Его можно записать в виде

где Δ – оператор Лапласа.

Легко убедиться в том, что волновому уравнению удовлетворя­ет не только функция (3.6), но и любая функция вида

Действительно, обозначив выражение, стоящее в скобках в правой части (4.4), через ς, имеем

Аналогично

Подстановка выражений (4.5) и (4.6) в уравнение (4.2) приво­дит к выводу, что функция (4.4) удовлетворяет волновому урав­нению, если положить υ=ω/k.

Всякая функция, удовлетворяющая уравнению вида (4.2), описывает некоторую волну, причем корень квадратный из вели­чины, обратной коэффициенту при, дает фазовую скоростьэтой волны.

Отметим, что для плоской волны, распространяющейся вдоль оси х , волновое уравнение имеет вид

§ 5. Скорость упругих волн в твердой среде

Пусть в направлении оси х распространяется продольная плос­кая волна. Выделим в среде цилиндрический объем с площадью основания S и высотой Δx (рис. 5.1). Смещения ξ частиц с разными х в каждый момент времени оказываются различными (см. рис. 1.3, на котором изображено ξ в функции от x ). Если основание цилиндра с координатой х имеет в некоторый момент времени смещениеξ, то смещение основания с координатой x+ Δx будет ξ+Δξ. Поэтому рассматриваемый объем деформируется – он получает удлинение (алгебраическая величина,соответствует сжатию цилиндра) или относительное удлинение. Величина дает среднюю деформацию цилинд­ра. Вследствие того, что ξменяется с изменением х не по линейному зако­ну, истинная деформация в разных сечениях цилиндра будет неодинако­вой. Чтобы получить деформацию ε в сечении х , нужно устремить Δx к нулю. Таким образом,

(символ частной производной взят потому, что зависит не толькоот x , но и отt ).

Наличие деформации растяжения свидетельствует о существо­вании нормального напряжения σ, при малых деформациях про­порционального величине деформации. Согласно формуле (14.6) 1-го тома

(E – модуль Юнга среды). Отметим, что относительная деформа­ция , аследовательно, и напряжение σ в фиксированный мо­мент времени зависят от х (рис. 5.2). Там, где отклонения частиц от положения равновесия максимальны, деформация и напряжение равны нулю. В местах, где частицы проходят через положение равновесия, деформация и напряжение достигают максимального значения, причем положительные и отрицательные деформации (т. е. растяжения и, сжатия) чередуются друг с другом. В соответ­ствии с этим, как ужеотмечалось в §1. продольная волна состоит из чередующихся разрежений и сгущений среды.

Обратимся снова к цилиндрическому объему, изображенному на рис.5.1, и напишем для него уравнение движения. Полагая Δx очень малым, проекцию ускорения на ось x можно считать для всех точек цилиндра одинаковой и равной . Масса цилиндра рав­на ρSΔx , где ρ – плотность недеформированной среды. Проек­ция на осьx силы, действующей на цилиндр, равна произведению площади основания цилиндра S на разность нормальных напря­жений в сечениях (x+ Δx +ξ+Δξ) и (x+ ξ):

Значение производной в сечении x+ δможно для малых δ представить с большой точностью в виде

где под подразумевается значение второй частной произ­водной ξ по х в сечении х .

Ввиду малосги величинΔx, ξ и Δξпроизведем в выражении (5.3) преобразование (5.4):

Подставив найденные значения массы, ускорения и силы в уравнение второго закона Ньютона, получим

Наконец, сократив на S Δx , придем к уравнению

которое представляет собой волновое уравнение, написанное для случая, когда ξ не зависит от у иz . Сопоставление уравнений (4.7) и (5.6) дает, что

Таким образом, фазовая скорость продольных упругих волн равна корню квадратному из модуля Юнга, деленного на плотность среды. Аналогичные вычисления для поперечных волн приводят к выражению

где G – модуль сдвига.

§ 6. Энергия упругой волны

Пусть в некоторой среде распространяется в направлении оси х плоская продольная волна

x = a cos ( wt − kx +a )

Выделим в среде элементарный объем ΔV, настолько малый, чтобы скорость движения и деформацию во всех точках этого объема можно было считать одинаковыми и равными, соответственно, и .

Выделенный нами объем обладает кинетической энергией

(ρΔV – масса объема, – его скорость).

Согласно формуле (25.4) 1-го тома рассматриваемый объем обладает также потенциальной энергией упругой деформации

(ε = – относительное удлинение цилиндра, Е — модуль Юнга среды). Заменим в соответствии с (5.7) модуль Юнга через ρυ² (ρ – плотность среды, υ – фазовая скорость волны). Тогда выражение для потенциальной энергии объема ΔV примет вид

Выражения (6.2) и (6.3) в сумме дают полную энергию

Разделив эту энергию на объемΔV, в котором она содержится, получим плотность энергии

Дифференцирование уравнения (6.1) один раз по t , другой раз по x дает

Подставив эти выражения в формулу (6.4) и приняв во внимание, что k² υ² = ω² , получим

В случае поперечной волны для плотности энергии получается та­кое же выражение.

Плотность энергии (6.5) и ее среднее значение (6.6) пропорцио­нальны плотности среды ρ, квадрату частоты ω и квадрату ампли­туды волны а. Подобная зависимость имеет место не только для незатухающей плоскости волны, но и для других видов волн (плос­кой затухающей, сферической и т. д.).

Поток энергии – скалярная величина, размерность которой равна размерности энергии, деленной на размерность времени, т. е. сов­падает с размерностью мощности. В соответствии с этим Φ измеря­ется в ваттах, эрг/с и т. п.

Поток энергии в разных точках среды может быть различной интенсивности. Для характеристики течения энергии в разных точках пространства вводится векторная величина, называемая плотностью потока энергии. Эта величина численно равна потоку энергии через единичную площадку, помещенную в данной точке перпендикулярно к направлению, в котором пере­носится энергия. Направление вектора плотности потока энергии совпадает с направлением переноса энергии.

Пусть через площадку , перпендикулярную к направлению распространения волны, переносится за время Δt энергия ΔW . Тогда плотность потока энергии равна

(см. (6.7)). Через площадку(рис. 6.1) будет перенесена за время Δt энергия ΔW , заключенная в объеме цилиндра с основа­ниеми высотой υΔt (υ – фазовая скорость волны). Если размеры цилиндра достаточно малы (за счет малостии Δt ) для того, чтобы плотность энергии во всех точках цилиндра можно было считать одинаковой, то ΔW можно найти как произведение плотности энергииw на объем цилиндра, равный υΔt :

Подставив это выражение в формулу (6.8), получим для плот­ности потока энергии:

Наконец, введя векторv , модуль которого равен фазовой скорости волны, а направление совпадает с направлением распростране­ния волны (и переноса энергии), можно написать

j = w v

странства, а в данной точке изменяется со временем по закону квадрата синуса. Его среднее значение равно

(см. (6.6)). Выражение (6.11), так же как и (6.6), справедливо для волны любого вида (сферической, затухающей и т. д.).

Отметим, что, когда говорят об интенсивности волны в данной точке, то имеют в виду среднее по времени значение плот­ности потока энергии, переносимой волной.

Зная j во всех точках произвольной поверхности S , можно вычислить поток энергии через эту поверхность. С этой целью разо­бьем поверхность на элементарные участкиdS. За время dt через площадку dS пройдет энергия dW, заключенная в изображенном на рис. 6.2 косом цилиндре. Объем этого цилиндра равенdV = υ dt dS cosφ . В нем содержится энергияdW = w dV = w υ dtdS cos φ (w — мгновенное значение плотности энергии в том месте, где рас­положена площадкаdS ). Приняв во внимание, что

w υ dS cos φ = j dS cos φ =j dS

(d S = n dS; см. рис. 6.2), можно написать:dW = j d S dt. Отсюда для потока энергии d Φ через площадку dS получается формула

В соответствии с (11.7) можно сказать, что поток энергии равен потоку вектора j через поверхность S .

Заменив в формуле (6.13) вектор j его средним по времени значением, получим среднее значение Φ:

Вычислим среднее значение потока энергии через произвольную волновую поверхность незатухающей сферической волны. В каж­дой точке этой поверхности векторы j и d S совпадают по направле­нию. Кроме того, модуль вектора j для всех точек поверхности оди­наков. Следовательно,

(r — радиус волновой поверхности). Согласно (6.11) . Таким образом,

(a_r – амплитуда волны на расстоянии r от источника). Поскольку энергия волны не поглощается средой, средний поток энергии че­рез сферу любого радиуса должен иметь одинаковое значение, т. е. должно выполняться условие

Отсюда следует, что амплитуда а, незатухающей сферической волны обратно пропорциональна расстоянию r от источника волны (см. формулу (5.10)). Соответственно средняя плотность потока энергии обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.

В случае плоской затухающей волны амплитуда убывает с рас­стоянием по закону a = = a₀ e^-γx (см. (2.9)). Соответственно средняяплотность потока энергии (т. е. интенсивность волны) убывает по

Здесь c= 2γ – величина, называемая коэффициентом поглощения волны. Она имеет размерность, обратную размерности длины. Легко сообразить, что величина, обратнаяc, равна расстоянию, на котором интенсивность волны уменьшается в е раз.

§ 7. Стоячие волны

Если в среде распространяется одновременно несколько волн, то колебания частиц среды оказываются геометрической суммойколебаний, которые совершали бы частицы при распространении каждой из волн в отдельности. Следовательно, волны просто накладываются одна на другую, не возмущая друг друга. Это утверждение называется принципом суперпозиции (наложения) волн.

В случае, когда колебания, обусловленные отдельными волна­ми в каждой из точек среды, обладают постоянной разностью фаз, волны называются когерентными. При сложении когерентных волн возникает явление интерференции, заключающееся в том, что колебания в одних точках усиливают, а в других точках ослабляют друг друга.

Очень важный случай интерференции наблюдается при нало­жении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате колебательный процесс называется стоячей волной. Практически стоячие волны возникают при отражении волн от преград. Падающая на преграду волна и бегущая ей навстречу отраженная волна, налагаясь друг на друга, образуют стоячую волну.

Напишем уравнения двух плоских волн, распространяющихся вдоль оси х в противоположных направлениях:

x₁ = a cos ( wt − kx +a₁ ), x₂ = a cos ( wt + kx +a₂ ).

Уравнение (7.1) есть уравнение стоячей волны. Чтобы упростить его, выберем начало отсчета х так, чтобы разность α₁ – α₂ стала равной нулю, а начало отсчетаt — так, чтобы оказалась равной нулю сумма α₁ – α₂ . Кроме того, заменим волновое числоk егозначением 2π/λ. Тогда уравнение (7.1) примет вид

Из (7.2) видно, что в каждой точке стоячей волны происходят колебания той же частоты, что и у встречных волн, причем ампли­туда зависит от х :

В точках, координаты которых удовлетворяют условию2πx /λ = ±n π (n Î N) – (3.3), амплитуда колебаний достигает максимального значения. Эти точки называются пучностями стоячей волны. Из (3.3) получаются значения координат пучностей:

Следует иметь в виду, что пучность представляет собой не одну единственную точку, а плоскость, точки которой имеют значения координаты x , определяемые формулой (7.4).

В точках, координаты которых удовлетворяют условию

амплитуда колебаний обращается в нуль. Эти точки называются узлами стоячей волны. Точки среды, находящиеся в узлах, колебаний не совершают. Координаты узлов имеют значения

Узел, как и пучность, представляет собой не одну точку, а плос­кость, точки которой имеют значения координаты х , определяе­мые формулой (7.5).

Обратимся снова к уравнению (7.2). Множитель при переходе через нулевое значение меняет знак. В соответствии с этим фаза колебаний по разные стороны от узла отличается на p. Это означает, что точки, лежащие по разные стороны от узла, ко­леблются в противофазе. Все точки, заключенные между двумя со­седними узлами, колеблются синфазно. На рис. 7.1 дан ряд «моментальных фотографий» отклонений точек от положения равновесия. Первая «фотография» соответствует моменту, когда отклонения достигают наибольшего абсолютного значения. Последующие «фотографии» сделаны с интервалами в четверть периода. Стрелками показаны скорости частиц.

Продифференцировав уравнение (7.2) один раз поt , а другой раз по х , найдем выражения для скорости частиц и для дефор­мации среды e:

Уравнение (7.6) описывает стоячую волну скорости, а (7.7) – стоячую волну деформации.

На рис. 7.2 сопоставлены «моментальные фотографии» смеще­ния, скорости и деформации для моментов времени 0 и T/4.Из графиков видно, что узлы и пучности скорости совпадают с узлами и пуч­ностями смещения; узлы же и пучно­сти деформации совпадают соответ­ственно с пучностями и узлами сме­щения. В то время какx и ε достигают максимальных значений, обраща­ется в нуль, и наоборот. Соответст­венно дважды за период происходит превращение энергии стоячей волны то полностью в потенциаль­ную, сосредоточенную в основном вблизи узлов волны (где нахо­дятся пучности деформации), то полностью в кинетическую, со­средоточенную в основном вблизи пучностей волны (где находятся пучности скорости). В результате происходит переход энергии от каждого узла к соседним с ним пучностям и обратно. Средний по времени поток энергии в любом сечении волны равен нулю.