Упругие волны
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 участки dS. За время dt через площадку dS пройдет энергия dW, заключенная в изображенном на рис. 6.2 косом цилиндре. Объем этого цилиндра равен dV = υ dt dS cosφ . В нем содержится энергия dW = w dV = w υ dtdS cos φ (w — мгновенное значение плотности энергии в том месте, где расположена площадка dS). Приняв во внимание, что
w υ dS cos φ = j dS cos φ = j dS
(dS = n dS; см. рис. 6.2), можно написать: dW = j dS dt. Отсюда для потока энергии dΦ через площадку dS получается формула
|
|
(ср. с формулой (11.5)). Полный поток энергии через поверхность равен сумме элементарных потоков (6.12):
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 dS совпадают по направлению. Кроме того, модуль вектора j для всех точек поверхности одинаков. Следовательно,
(r — радиус волновой поверхности). Согласно (6.11) . Таким образом,
(ar – 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 средняя плотность 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 суммой колебаний, 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 ).
|
|
Сложив вместе эти уравнения и преобразовав результат по формуле для суммы косинусов, получим
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10