Общая характеристика волны

Волна (волновой процесс) – распространение колебания в непрерывной (сплошной) среде. Волновой процесс характеризуется двойной периодичностью: величины, определяющие состояние системы, периодически изменяются во времени и пространстве:

,

где t – время, r – координата рассматриваемой точки.

Периодичность во времени характеризуется, как и в случае колебаний, периодом и частотой, а периодичность в пространстве – длиной волны (λ ). Длина волны – скалярная величина, численно равная расстоянию, на котором повторяется состояние системы:

x(r)=x(r+λ); (3.6)

Для гармонических волн х зависит от времени по закону синуса или косинуса, и длина волны равна расстоянию, на которое распространяется волна за период:

, (3.7)

где υ – скорость распространения волны.

В естествознании образами, наиболее ярко воплощающими противоположность прерывного (дискретного) и непрерывного являются частицы (корпускулы) и волны: частицы – носители дискретности, а волны – непрерывности. Существуют два способа переноса энергии в пространстве: корпускулярный – движение частиц вещества, - и волновой – распространение волн. Важнейшая особенность волн - возможность переноса энергии без переноса вещества. Количественной характеристикой этого процесса является интенсивность волны (I) - величина, численно равная энергии (ΔW), переносимой волной в единицу через единицу площади поверхности (S), перпендикулярной направлению распространения волны:

; (3.8)

Подобно движущимся частицам вещества волны обладают и импульсом, оказывая давление на преграду при поглощении или отражении.

Волны могут различаться по тому, как соотносятся направления колебаний и направление распространения волны (т.е. по геометрическому характеру колебаний): различают продольные (направления параллельны) и поперечные (направления перпендикулярны) волны. Примером продольных волн являются звук, ультразвук, поперечных – свет, волны на поверхности воды.

В зависимости от природы в макромире рассматриваются упругие (механические) и электромагнитные волны.

Упругие волны

Упругими волнами называется процесс распространения механических колебаний в вещественной среде. Условием их распространения является наличие упругой связи частиц в среде: выведение из равновесия одной частицы сказывается на другой и т.д., так что в следствие упругой связи возмущение передается от одной частицы к другой. Возможны два типа механических волн: поперечные и продольные. Поперечные волны возможны в среде, оказывающей сопротивление сдвигу, обладающей упругостью формы т.е. в твердом теле. Продольные упругие волны могут распространяться в любой среде: твердой, жидкой, газообразной.

Среди упругих волн особую роль играют звуковые волны. Звук – продольные механические волны. Звук распространяется в любой среде. В вакууме звуковые волны не распространяются. В воздухе при нормальных условиях скорость звука приблизительно равна 340 м/с, а в воде – 1500 м/с. Звуки принято характеризовать громкостью и высотой тона. Эти характеристики определяются соответственно амплитудой и частотой звуковой волны.

Человек слышит звук с частотами от 16 до 20 000 Гц. Физическое понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком (содержится в шуме атмосферы, леса и моря), выше 20 000 Гц -ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10⁹ до 10¹²-10¹³ Гцотносят к гиперзвуку.