Волновое движение

1. Объективная классификация звуков обусловлена ​​формой спектра
2. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Определение и свойства упругих волн

В статье описаны свойства и типы волнового движения с особым акцентом на механические волны. Волны - явление, известное почти с начала физики и в то же время очень распространенное в природе. Поэтому тема волнового движения очень обширна, что в некоторых местах будет кратко рассмотрено. Однако стоит упомянуть вначале о большой полезности как возникновения самого явления гармонических колебаний, так и возможностей его использования в технике и других областях.

Математической основой процессов распространения волн является элементарное колебательное гармоническое движение, создающее так называемые вибрации центра. Это движение происходит в случае различных явлений, таких как колебания гармонических систем, синусоидальные течения, колебания воды и земли и, наконец, света. Самая простая волна, известная всем нам, - это, вероятно, звук (голос или акустическая волна). Звуки принадлежат упругим волнам, что означает, что для их поддержки необходимо иметь упругую среду, такую ​​как жидкость, воздух, твердое тело. Однако существуют также волны, которые могут легко распространяться в физическом вакууме; это электромагнитные волны, ответственные за поток электричества и явление света. Существуют также более сложные и экзотические типы волн, такие как некоторые так называемые волновые функции, описывающие квантовое состояние объекта или системы в квантовой физике - в квантовой физике частица представлена ​​не точечным объектом, а волновым явлением, математически идентичным волнам, известным нам из классической физики. Однако этот вопрос настолько сложен и полон дальнейших вопросов, что не будет обсуждаться здесь слишком много.

Поэтому время для определения волнового движения. Волна называется пространственным беспорядком вещества среды при возникновении вибрирующего движения в одной точке среды, называемой источником волны. Принцип таков: в центре распространения (распространение волн) появление беспорядка в одном месте вызывает небольшие изменения (прогибы) в окрестности этого места, сам источник волны не должен двигаться (движется только беспорядок, т.е. волна.) Это возможно только при передаче энергии. Мы говорим, потому что распространяющаяся волна несет энергию без изменения положения частиц (кроме, конечно, их колебаний, когда частицы периодически выходят из положения равновесия, но не движутся вперед вместе с волной, в отличие от энергии.) Волны разделены как правило, в зависимости от центра распространения. Если это упругое вещество, мы говорим, что волна механическая, в противном случае, когда волна распространяется в вакууме, это всегда электромагнитная волна.

Другим делением волн является деление из-за формы и типа распространения. Волны могут быть плоскими (одно- или двумерными, как волны на веревке или волны, образовавшиеся в воде после бросания камня в пруд), и сферическими волнами, распространяющимися в трех измерениях, как свет Солнца. Существует также другой случай для волн в трехмерном пространстве: волны, распространяющиеся в форме поверхности цилиндрического тела. Волновые колебания могут возникать вдоль направления распространения волны - тогда говорят о так называемых продольные волны - или в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой распространяется волна (поперечные волны)

Волны можно правильно описать, зная несколько числовых значений, характеризующих движение волны в данный момент времени. Фаза волны определяется как мгновенное состояние отклонения частиц среды в заданном месте и времени. Например, для одномерной волны, возбуждаемой на жестко закрепленной жесткой веревке, фаза соответствует смещению части струны из предварительно определенного положения относительного равновесия. Чтобы иметь полную информацию о будущем такой волны, необходимо знать скорость распространения. Не следует забывать, что волна никогда не является статическим явлением, она меняется от одного момента к другому (существуют так называемые стоячие волны, но они представляют собой особый случай.) Зная фазу, вы можете определить поверхность волны для данной волны, то есть поверхность, соответствующую данная мгновенная фаза волны. В то же время это поверхность, которая характеризуется одинаковой фазой для каждой из своих точек и распространяется в центре с так называемой фазовая скорость, важная характеристика движения волны. Понятие фронта волны также часто определяется. Что неправильно понято. Лоб - это просто граничная волновая поверхность, ближайшая к той области пространства, которой волна не достигает в данный момент.

Важной особенностью волн является поляризация, имеющая место в случае распространения поперечных колебаний. Проще говоря, поляризация - это степень упорядоченности колебаний в центре. Как правило, поляризация обсуждается в связи с электромагнитными волнами, но мы можем использовать аналогию для механического движения, которое интуитивно лучше понимается. Таким образом, у нас есть веревка, на которой мы генерируем пружинящую волну, например, перемещая ее конец в определенной плоскости или поворачивая один конец веревки так, чтобы ее остальное представляло собой спираль (спираль) в пространстве. В первом случае мы получаем простую модель линейной поляризации, вторая - круговая поляризация. Электромагнитное поле, которое представляет собой поперечную волну, может вести себя очень похоже. Конечно, очень часто бывает отсутствие какой-либо поляризации - тогда колебательные движения выполняются центр во всех возможных направлениях на разных уровнях. Также возможно частично поляризовать волну, выраженную, например, в процентах. В природе мы обычно имеем дело с неполяризованными или частично поляризованными волнами. Сходная ситуация для электромагнитного излучения небесных тел, таких как звезды и различные радиоисточники, которые достигают нас из космоса.

Неполяризованная электромагнитная волна может быть преобразована в волны с определенной поляризацией с помощью простой системы. Вещество, непосредственно ответственное за изменение заказа, является так называемым поляризатор, задача которого состоит в том, чтобы позволить колебаниям среды происходить только в определенном направлении. Поляризация также происходит при отражении света от поверхностей с определенными свойствами. Эта поверхность может быть озеро , полупрозрачные витрины или солнцезащитные очки. Таким образом, мы также получаем линейную поляризацию. Это показано на рисунке ниже.

Рис. 1 Поляризация световой волны при отражении

Вернемся, однако, к поляризаторам. Благодаря пластинам, изготовленным из соответствующих веществ, обладающим таким свойством, что они упорядочивают электромагнитные колебания только в одном направлении, вы можете получить интересные эффекты, включая затухание всей волны включительно. Для этого достаточно установить две поляризационные пластины таким образом, чтобы одна из них блокировала свет в одной плоскости, а другая располагалась относительно нее с прямым углом поворота. Тогда волна будет поляризована первой платой, но из-за приобретенных свойств она не пройдет через вторую, предполагая, что последняя не пропускает поляризованный свет в направлении, таком как поляризация первого поляризатора. Весь свет будет остановлен, оптическим эффектом станет потемнение пластин. Тогда говорят, что поляризаторы скрещены.

Рис. 2 Принцип работы поляризаторов

2. Типы волн

Часто забывают, что каждая волна, распространяющаяся как волна, также является волной. Такие сигналы могут иметь любую форму и другие характеристики, такие как ударные волны, слышимые после взрыва бомбы или удара молнии. Такие волны называются непериодическими волнами, в отличие от периодических волн, характеризующихся регулярным повторением изменения формы. Кроме того, при периодическом движении волны фазовые поверхности волны излучаются с постоянным соотношением взаимных расстояний между их частями, например гребнями волн. Это расстояние известно из курса элементарной физики с длиной волны (обозначаемой как λ - лямбда). Согласно более точному определению, это просто расстояние, которое проходит одиночная волна за период T, время, которое требуется частицам для колебания в волновом движении, чтобы совершить один полный поворот от положения равновесия. и вернись к нему. Период определяется как отношение длины λ к фазовой скорости распространения волны:

T = λ / n

Единицей периода является, конечно, вторая и другая единица времени, и ее обратная величина дает общеизвестную и используемую величину - частоту, которая выражается числом периодов полной волны, попадающих в одну секунду. Базовая единица измерения - один герц (1 Гц.):

f = 1 / T

Стоит обратить внимание на тот факт, что помимо периодических волн периодические колебания также наблюдаются в пространстве. Это так называемые гармонические волны, где простейшим примером является синусоидальная вибрация.

3. Явления, сопровождающие волновое движение

Типичными для распространения волн в упругих средах являются изгиб (дифракция), преломление, отражение и интерференция.

• Дифракция происходит для каждого типа волны в условиях распространения волны в неоднородной среде, когда плоская волна, падающая на препятствие, может в некоторой степени также достичь области, геометрически принадлежащей тени этого препятствия. Модель Гюйгенса - Френеля объясняет это явление тем, что каждая точка центра, до которой достигает волна, создает новый источник сферической волны. Когда таких элементарных сферических волн много, они могут взаимодействовать друг с другом, создавая новые волны и новый волновой фронт. Эти волны формируются в определенной области и приводят к новой, сложной плоской волне. Если у нас есть площадь геометрической тени границы, так называемый интерференционная структура между освещенной областью и областью тени препятствия. Дифракция также происходит на щелях с соответствующей длиной волны. На практике отклонение волн проявляется как отклонение прямых линий при наличии непрозрачных краев объектов для данного типа излучения.

• Волновая рефракция (преломление) проявляется в изменении направления распространения любой волны при прохождении через граничную поверхность для двух разных по свойствам центров. Важно, что при таком переходе скорость распространения волны во второй среде отличается от исходной. Это влечет за собой изменение так называемого показатель преломления волны, то есть размер, характерный для данной среды (стекло, жидкости, воздух и т. д.). Абсолютный показатель преломления в среде определяется как отношение скорости волны в частичной к ее фазовой скорости в среде, в которую проходит свет, согласно формуле:

n = c / v

Аналогично, относительный показатель преломления представляет собой отношение, рассчитанное по отношению к среде, в которую волна проходит из другого первого центра, и тесно связано с длиной волны в данных центрах. Явление рефракции также может иметь место в ситуации, когда равномерное изменение фазовой скорости волны происходит в однородной среде, например, из-за изменения плотности этой среды. Преломление света всегда происходит в соответствии с законом Снеллиуса, который гласит, что направление распространения волн: падающее и отраженное находится в одной и той же плоскости. Пробой часто включает частичное отражение падающих волн,

• Отражение волны заключается в внезапном изменении направления распространения волны на границе различных оптических центров. Этими центрами могут быть, например, воздух и стекло или стекло и вода. Согласно закону отражения, известному из оптики, угол, под которым падают волны, всегда равен углу, под которым он отражается. Также возможно так называемое полное внутреннее отражение волны, возникающее, когда эта волна падает на границу между более плотной и разреженной средой относительно исходной под достаточно большим углом, превышающим некоторый граничный угол. Такая волна затем проходит практически в менее частый центр.

• Волновая интерференция заключается в предположении и взаимодействии двух или более отдельных компонентов волнового движения. Этот эффект приводит к ослаблению некоторых случайных областей волн, падающих на экран (так называемые дифракционные полосы) на разных фазах и подъему гребня волны с долиной, и усилению других областей на экране (это происходит, когда составляющие фазы волн совпадают или очень близки). ) Этот эффект очень интересен также с точки зрения квантовой механики, где частицы тоже мешают друг другу, так называемые волны материи, имеет довольно значительное применение практически, среди других интерферометрия, получение хороших разрешающих способностей для приборов, голография в области световых волн и генерация волн, активно уменьшающих шум, используя интерференцию правильно выбранных акустических волн. На следующих графиках показаны примеры конструктивной интерференции (усиления интенсивности) и разрушительных волн.

Рис. 3 График мешающих волн с разными амплитудами для фаз, отличающихся на 0 (график 1) и π (график 2)

4. Звуковые волны

Эти волны являются частным случаем механических колебаний с частотами в диапазоне 16 Гц - 20 кГц. Звуки являются продольными волнами и распространяются как в газах, так и в жидкостях и твердых телах (например, в стекле). Типичными источниками таких волн являются механические колебания объектов, таких как музыкальный инструмент, человеческий голос, атмосферная турбулентность. Можно преобразовать механические колебания в электрические импульсы: микрофон передает вибрации тонкого слоя металла через электрический кабель на осциллограф, позволяя визуализировать звук. Изображение, которое видно на экране, принимает форму поперечной волны и является графическим представлением зависимости давления среды - времени при распространении волны (давление газа уменьшается и циклически увеличивается вокруг микрофона, амплитуда наклонов увеличивается при увеличении громкости.) Интенсивность звука составляет здесь средняя энергия голосовой волны, которая падает перпендикулярно направлению распространения волны к определенной поверхности. Базовая единица измерения - это ват на квадратный метр (Вт / м2). Другими единицами являются, например, интенсивность, выраженная в тюках и децибелах (дБ). Это значение интенсивности, данное в возрастающей логарифмической шкале, то есть нелинейное.

Другие важные параметры, описывающие данный звук: спектр относится к полученному цвету звука, звуковому давлению, длительности и основной частоте (другими словами: субъективный, высота) и времени реверберации. Акустическое давление представляет собой отклонение во времени относительно среднего давления среды распространения волны. Минимальное звуковое давление, которое создает у человека впечатление звука, составляет около 2 * 10-5 Па. Важным значением с точки зрения музыки является время реверберации, определяемое как время, в течение которого интенсивность звуков снижается до 60 децибел (дБ) после выключения источника волны. Спектр звука - это распределение интенсивности волн в зависимости от частоты или энергии звука. Следовательно, это определенный набор составных звуков (мультиплексов), которые можно разбить на тригонометрические функции с заданными частотами и амплитудами. Такой спектр является основным источником данных о звуке, его генезисе, а иногда и о среде, в которой он распространяется. Исследование спектров (не только акустических, а также электромагнитных) называется спектроскопией и полезно во многих областях науки.

Объективная классификация звуков обусловлена ​​формой спектра

• Тон, один тон, простой звук только с одной частотой,
• Wieloton, полосовой спектр, сложный звук - может быть гармоническим, то есть составленным из синусоидальных колебаний с частотами, равными полному кратному данной заданной основной частоты, или ангармоническим - это набор колебаний, никоим образом неструктурированный,
• Шум - совокупность неупорядоченных вибраций, образующих так называемые непрерывный спектр.

Объективная классификация звуков

Это разделение было разработано в результате возможности восприятия кратковременных звуков в форме тонов определенной ощутимой высоты. Это также включает в себя шум. Это разделение хорошо работает при описании таких звуков, возникающих в природе, как шум, трещины и т. Д.

• Слуховые ощущения с определенной частотой делятся на простые тона и гармонические тона,
• Впечатления о невозможности определить высоту - это шумы и негармонические колебания,

Конечно, в соответствии с тем, что было сказано ранее о спектре, каждое множество разлагается на простые тона с помощью анализа Фурье (анализ звука, спектральный анализ). Эта возможность часто практически используется человеком. Наиболее популярным применением спектрального анализа является анализ человеческой речи, полезный для идентификации людей, музыки, производства звукоизоляционных и звукоизолирующих корпусов. Этот процесс часто неразрывно связан с синтезом простых звуков с разными частотами и другими характеристиками.

Отдельным типом звука является шум, который воспринимается как набор звуков, вредных для здоровья и благополучия человека. Могут быть вибрации и турбулентный шум, и, кроме того, непрерывный и импульсный и стационарный или нестационарный шум. Шум определяется на основе так называемого Числовая шкала N. Поля более или менее сопоставимы по спектру заданного шума с графиками отражающих кривых. чувствительность для звука человека. В общем, измеряется в децибелах. Шум выше приблизительно 80 дБ считается вредным шумом. Звуки в диапазоне 120-130 дБ определяют так называемый болевой порог, при котором человек воспринимает шум как болезненное ощущение в ухе. При еще более высоких интенсивностях происходит повреждение уха (барабанной перепонки), иногда также потеря слуха и ожоги кожи. Когда шум достигает примерно 180 дБ, даже угроза человеческой жизни становится еще больше. В свою очередь, шумы с более низким акустическим давлением, хотя и не особенно вредные с точки зрения медицины, называются неприятными, поскольку они часто вызывают стресс , уныние, снижение работоспособности и усталости. Допустимые дозы шума в указанных местах, однако, дают определенные нормы. Например, в городе днем ​​шум не должен превышать 60 дБ, ночью - 50 дБ, в парках и других зонах отдыха - 40 дБ, днем, на рабочем месте существуют конкретные рекомендации в зависимости от характера работы.

Длительность звука может влиять на характер звука; Например, продолжительные, сильные звуки вызывают временное увеличение порога слышимости, поэтому следующие звуки кажутся тише.

Звуки распространяются в атмосферном воздухе со скоростью 330 м / с. Они сопровождаются явлением эха, которое заключается в отражении волны от более плотной среды, чем центр, в котором распространяется звук. Самый четкий эффект эха проявляется для твердых, больших и гладких поверхностей, то есть хорошо отражающих волновые лучи. Это могут быть стены, скалы, горные хребты, здания, бетон. В свою очередь, акустические волны плохо отражаются от мягких тел, таких как обивка, пена, вода. Эти материалы просто в значительной степени поглощают голосовые волны. Другими условиями, необходимыми для создания эха, являются правильное расстояние между человеком и отражающим препятствием и необходимость прекращения звука, когда отраженная волна достигает наблюдателя эха. Оптимальными условиями являются расстояния в несколько десятков метров, но все же более 17 метров.

5. Инфразвук и ультразвук

Как уже упоминалось, человеческие звуки или звуки ниже нескольких Гц или более 20 кГц не слышны. Ниже нижнего предела частоты находятся другие акустические волны, называемые инфразвуком. Инфразвук имеет более низкие частоты, следовательно, более длинные волны. Они возникают при различных взрывах, молнии, запуске ракеты, посадке самолета; иногда они ощущаются как очень тихие звуки, сопровождаемые вибрациями земли. Они слабо подавляются твердыми веществами и жидкостями, благодаря чему их легко распространять на большие расстояния. Воздействуя на организм человека, инфразвук вызывает чувство недомогания, нервозности, беспокойства; они также могут оказывать влияние, проявляющееся в состоянии, сходном с действием большого количества потребляемого алкоголя. Среди других Из-за этого вредного воздействия, а также других характеристик этих волн, инфразвук не имеет серьезных технических и промышленных применений.

Ультразвук, то есть волны выше 20 кГц, гораздо более полезен в этом отношении. Ультразвук превращается в другой тип вибрации - гиперзвук - со скоростью около 110 Гц. Ультразвук довольно распространен в природе, он используется дельфинами, всеми видами летучих мышей и многими насекомыми, чтобы ориентироваться в космосе (так называемое чувство эхолокации, то есть обнаруживать препятствия и объекты, посылая ультразвуковые волны на частотах около десятков кГц и обнаруживая их в окружающей среде). от возможных препятствий для волн (эффект эха.) Эта опция в основном оснащена животными, которые ведут ночной образ жизни и питание ночью, животными со слаборазвитым зрением и живущими в условиях слабого освещения. они не только охотятся за насекомые и они избегают естественных препятствий благодаря ультразвуковым волнам, но они также способны отличать отраженные отголоски своих собственных излучаемых волн от волн других особей своего вида. Подобный механизм работает у определенных видов птиц, таких как стрижи и липомы. Однако они излучают ультразвук из диапазона, который частично слышен человеческому уху. Ультразвук может оказать вредное воздействие на человека, если его интенсивность и частота достаточно велики. Это действие проявляется, прежде всего, в увеличении тепловой энергии, поступающей в организм, что в крайних случаях приводит к разрушению клеток и тканей.

Человек использует ультразвук, в том числе чтобы исследовать структуру тел посредством наблюдений волн, распространяющихся в данном материале (включая обнаружение дефектов материала, исследование глубин моря, исследование толщины объектов). В медицине волны в этой области используют ультразвуковой (USG) метод, то есть для диагностики органов и тканей используя ультразвуковые волны, распространяющиеся по телу, используя эффект эха. Отраженные таким образом волны отправляются на экран осциллографа или сохраняются на специальных лентах и ​​собираются для последующего анализа.

Сфокусированные ультразвуковые лучи также используются для отделения твердых частиц от более гибкой подложки (удаление зубного камня, разрушение камней в почках, очистка металлических поверхностей перед пайкой и т. Д.). Энергия ультразвуковой вибрации может использоваться для распыления аэрозолей и эмульсий и даже для сварки и склеивания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ричард Фейнамнн, лекции по физике
2. Марта Скорко , физика, Варшава 1983
3. " словарь Физический "- Общие знания, Варшава, 1984;
4. Стивен Попл, Питер Уайтхед " Студенческий Vademecum - Физика" - дельта Варшава, 1996 г .;
5. Петр Шимчак "Откуда эхо?" - ежемесячно "Фокус", № 4/2001,
6. Википедия, интернет

Похожие

Комментарии