- •16.22.2. Колебания системы с различными парциальными частотами.
- •Из последних соотношений находим значение :
- •16.22.3. Колебания системы с двумя степенями свободы при наличии трения.
- •16.22.3.1. Изучение колебаний системы с одинаковыми парциальными частями.
- •16.22.3.2. Колебания системы с различными парциальными частями.
- •16.22.4. Энергия колебаний системы при отсутствии трения.
- •16.22.5. Вынужденные колебания системы с двумя степенями свободы при отсутствии трения.
- •17. Упругие волны.
- •17.1. Распространение упругих возмущений в твёрдом теле.
- •17.2. Отражение упругих импульсов от границы раздела сред.
- •17.3.Уравнение плоской волны, движущейся в определённом координатном направлении.
- •17.4. Уравнение плоской волны, движущейся в произвольном направлении в пространстве.
- •17.5. Продольные волны в твёрдом теле. Волновое уравнение.
- •17.6. Упругие волны в газах. Волновое уравнение.
- •17.7. Прохождение продольных волн через границу раздела сред.
- •17.8. Некоторые особенности волнового процесса.
- •17.9. Интерференция волн.
- •17.10. Стоячие волны.
- •17.11. Энергия волны. Вектор Умова.
- •17.12. Элементы акустики.
- •17.13. Акустические резонаторы.
- •17.14. Эффект Доплера в акустике.
- •17.15. Инфразвук и ультразвук.
17.8. Некоторые особенности волнового процесса.
Колебания, возбуждаемые источником, с течением времени распространяются в среде. В волновой процесс вовлекаются всё более удалённые от источника точки среды. В зависимости от типа волны и свойств среды, амплитуда колебаний точек среды может оставаться постоянной или убывать с удалением от источника.
При этом распространение колебаний в среде связано не с перемещением частиц, а с возбуждением их колебаний за счёт упругих сил, возникающих в деформированных участках среды. Сами же частицы среды колеблются около их положений равновесия, не перемещаясь со временем в пространстве. С течением времени в волновой процесс вовлекаются всё более удалённые точки среды, т.е. постоянная фаза колебаний, равная нулю для фронта волны, удаляется от источника с постоянной скоростью. Таким образом, в пространстве распространяются поверхности одинаковой фазы колебаний (плоскости для плоской волны), что и воспринимается как волновой процесс, перемещение волны в пространстве.
Волновая, или фазовая, скорость равна скорости перемещения в пространстве постоянной фазы колебаний (в частности, фронта волны). Из уравнения плоской волны поверхность
р
авных
фаз отвечает условию . Из
этого условия следует, что
,
т
.е.
фазовая скорость равна
Е
сли
же фаза волны равна ,
то фазовая скорость равна ,
т.е. в первом случае волна движется в
положительном направлении оси ОХ,
а во втором - в
п
ротивоположном.
Учитывая, что и и
(где:
- частота
к
олебаний,
а –
длина волны), скорость волны можно
записать и в виде:
Волновую
скорость можно представить, как было
указано выше, и через величины,
х
арактеризующие
инертные и упругие свойства среды:
Если упругая волна распространяется в одномерной среде (плоская волна), то амплитуда колебаний различных частиц среды будет одинакова при отсутствии потерь на преодоление сопротивления среды. Но для двумерной и трехмерной сред (например, для цилиндрической и сферической волн) амплитуда колебаний частиц среды даже при отсутствии потерь тем меньше, чем более удалена точка среды от источника, колебаний. Это происходит потому, что площадь фронта волны с удалением от источника увеличивается и энергия колебаний, приходящаяся на одну частицу, уменьшается. Но в одной и той же точке среды при указанных условиях амплитуда колебаний остается постоянной во времени.
К
олебания
частиц среды, более удалённых от
источника, запаздывают по фазе. Разность
фаз колебаний для двух частиц на
расстояниях от источника в
бегущей волне в любой момент времени
равна:
и, как видно, не зависит от времени. Учитывая, что , получим
Таким образом, разность фаз колебаний в двух точках среды равна произведению циклической частоты на время, необходимое для прохождения волной расстояния между этими точками, т.е. на время запаздывания колебаний.
У
казанным
выше типам волн соответствуют определенной
формы волновые поверхности (поверхности
равных фаз). Плоской волне
соответствует
плоскость т.е . .
Цилиндрической и сферической волновым поверхностям соответствует цилиндрическая и сферическая волны, уравнения которых имеют вид
и
Из уравнения плоской волны для среды без затухания следует, что скорость колебаний частиц среды около их положений равновесия равна:
а ускорение:
О
тносительная
деформация среды также изменяется по
периодическому закону:
К
ак
видно из приведенных соотношений,
смещение частиц среды и их ускорение,
скорость и относительная деформация
отличаются по фазе на . В то же время
смещение от
с
корости,
ускорение от относительной деформации
отличаются по фазе на . Поскольку
ф
азовая
функция одинакова для смещения,
скорости, ускорения, и относительной
деформации, для любого момента времени
эти характеристики распределены в
пространстве с одинаковым пространственным
периодом, равным длине волны .
