Упругие волны.

Упругие волны.

Если в упругую среду поместить колеблющееся тело (источник колебаний), то соседние с ними частицы среды также придут в колебательное движение. Колебания этих частиц передается (силами упругости) соседними частицам среды и т.д. Через некоторое время колебание охватит все среду. Однако, оно будет совершаться с различными фазами: чем дальше расположена частица от источника колебаний, тем больше будет запаздывать по фазе ее колебание.

Волна (волновой процесс) - распространение колебаний в среде (н-р, сейсмические волны, волны на воде).

Луч – направление распространения волны (колебания).

Волны:

Поперечные Волны, в которых частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны.	Продольные Волны в которых частицы среды совершают колебания в направлении распространения волны.
Возникают только в среде обладающей упругостью формы т.е. твердых телах (искл. волны на поверхности воды)	Возникают в среде обладающей упругостью объема (твердых телах, жидкостях, газах)
Внешний вид: чередование гребней и впадин.	Внешний вид: чередование сгущений и разряжений.
Н-р: распространяется вдоль натянутого горизонтального резинового шнура, один из концов которого закреплен, а другой приведен в вертикальное колебательное движение.	Н-р: продольную волну можно наблюдать на длинной мягкой пружине большого динамометра. Ударив по одному из концов пружины можно заметить, что по пружине будут распространяться последовательные сгущения и разряжение ее витков, бегущие друг за другом.

Характеристики волны.

1) Волновая поверхность – геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе (в каждый момент времени можно привести бесчисленное множество).

2) Фронт волны – геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t (в каждый момент времени один). Волна, у которой фронт является плоскостью называется плоской.

3) Гребень волны - множество точек волны с максимальным положительным отклонением от состояния равновесия.

4) Долина (ложбина) волны - множество точек волны с наибольшим отрицательным отклонением от состояния равновесия.

5) Период распространения волны Т – время одного полного колебания точек волны.

6) Частота ν – величина, обратная периоду.

7) Скорость распространения волны υ- скорость перемещения гребня или впадины в поперечной волне (сжатие или разряжения в продольной волне).

8) Длина волны λ – расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Длина волны равна тому расстоянию, на которое распространяется волна за период колебаний в волне.

9) Распространение волн сопровождается передачей энергии [W]=Дж.
Носители этой энергии (колеблющиеся частицы) с волной не переносятся.

10) Мощность Ф – физическая величина, равная отношению энергии переносимой волной, ко времени. [Ф]=Вт.

11) Интенсивность волны I – величина, равная энергии, которую в среднем переносит волна за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны.

Интенсивность волны – мощность, которая переносится волной через единицу площади поверхности.

Уравнение плоской бегущей волны.

Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси x, имеет вид

где ξ(x, t) – смещение точек среды с координатой x в момент времени t

A - амплитуда волны или амплитуда колебаний в волне

- циклическая (круговая) частота колебаний

k = – волновое число - скорость изменения фазы волнового процесса с измерением координаты [рад/м]

= ( - фаза волны в данной точке среды в данный момент времени

Это уравнение позволяет определить смещение ξ частиц среды с координатой x в любой момент времени t.

Из уравнения следует, что в данный момент времени t фаза волны для точек с разными координатами x различна.

Разность фаз :

- фаза

= 3.14

- координата точки

λ - длина волны

Звуковые волны.

Звук (звуковая волна) - колебания среды (упругая волна) воспринимаемая органом слуха.

Звук распространяется во всех упругих телах - твердых, жидких, газообразных, но не может распространяться в вакууме.

Примеры источников звука: искусственные (колебания струны муз. инструментов, колебания мембраны телефона, свистки, колокол и т.д.), естественные (голосовой аппарат человека и животных, взрыв, обдувание ветром углы здания и т.д.)

Примеры приемников звука: микрофон в воздухе, гидрофон в воде, слуховой аппарат человека и животных и т.д.

При распространении звуковых волн возможны явления характерные для волн любой природы: отражение от препятствий преломление на границе двух сред, интерференция (сложение), дифракция (огибание препятствий), дисперсия (зависимость скорости звука в веществе от частоты звука), поглощение (уменьшение энергии и интенсивности звука в среде вследствие необратимого превращения энергии звука в теплоту).

Характеристики звука: громкость, высота, тембр.

Громкость звука определяется амплитудой колебаний

Высота звука определяется частотой колебаний

Тембр (окраска звука) - зависит от формы колебаний

Если в звуке присутствуют гармоничные колебания только одной частоты, то такой звук называется музыкальным тоном.

Шум - хаотическая смесь тонов.

Эхо – звуковая волна, отраженная от какого-либо препятствия и возвратившаяся к своему источнику.

Частота звука, слышимого человеком, лежит в пределах 16Гц - (16-20) кГц.

Упругие волны с частотой ниже слышимого диапазона называют инфразвуком (источники: грозовые разряды, землетрясения, орудийные выстрелы; воспринимают: медузы).

Упругие волны с частотой более высокой слышимого диапазона называют ультразвуком (вне слышимости) (дельфины, летучие мыши)

Применение ультразвука:

- в науке (открываются новые направления (ультразвуковая химия), зародился новый раздел «акустика» (раздел физики о звуке, новые сферы применения о звуке) и т.д.

- используется в 3х направлениях:

- получение с их помощью различной информации

- воздействие ультразвука на вещество

- передача и обработка сигнала

- очистка (воздуха) с помощью ультразвука

- медицина (хирургия, исследование внутренних органов, стоматология)

-и т.д.

Самые высокочастотные упругие волны – гиперзвук.