Уравнения плоской и сферической волн

Уравнение волны – это уравнение, выражающее зависимость смещения колеблющейся частицы, участвующей в волновом процессе, от координаты ее равновесного положения и времени:

(1)

Эта функция должна быть периодической как относительно времени , так и относительно координат . Кроме того, точки, отстоящие на расстоянии  друг от друга, колеблются одинаковым образом.

Найдём вид функции  в случае плоской волны.

Рассмотрим плоскую гармоническую волну, распространяющуюся вдоль положительного направления оси в среде, не поглощающей энергию. В этом случае волновые поверхности будут перпендикулярны оси . Все величины, характеризующие колебательное движение частиц среды, зависят только от времени и координаты . Смещение будет зависеть только от и : . Пусть колебание точки с координатой (источник колебаний) задается функцией . Задача: найти вид колебания точек в плоскости, соответствующей произвольному значению . Для того, чтобы пройти путь от плоскости до этой плоскости, волне требуется время . Следовательно, колебания частиц, лежащих в плоскости , будут отставать по фазе на время от колебаний частиц в плоскости . Тогда уравнение колебаний частиц в плоскости будет иметь вид:

. (2)

В итоге получили уравнение плоской волны распространяющейся в направлении возрастания :

. (3)

В этом уравнении – амплитуда волны; – циклическая частота; – начальная фаза, которая определяется выбором начала отсчета и ; – фаза плоской волны.

Пусть фаза волны будет величиной постоянной (зафиксируем значение фазы в уравнении волны):

Сократим это выражение на и продифференцируем. В итоге получим:

или .

Таким образом, скорость распространения волны в уравнении плоской волны есть не что иное, как скорость распространения фиксированной фазы волны. Такую скорость называют фазовой скоростью.

Для синусоидальной волны скорость переноса энергии равна фазовой скорости. Но синусоидальная волна не несёт никакой информации, а любой сигнал это модулированная волна, т.е. не синусоидальная (не гармоническая). При решении некоторых задач получается, что фазовая скорость больше скорости света. Здесь нет парадокса, т.к. скорость перемещения фазы не есть скорость передачи (распространения) энергии. Энергия, масса не могут двигаться со скоростью больше чем скорость света c.

Обычно уравнению плоской волны придают симметричный относительно и вид. Для этого вводится величина , которая называется волновым числом. Преобразуем выражение для волнового числа. Запишем его в виде ( ). Подставим это выражение в уравнение плоской волны:

.

Окончательно получим

. (4)

Это уравнение плоской волны, распространяющейся в сторону возрастания . Противоположное направление распространения волны будет характеризоваться уравнением, в котором поменяется знак перед членом .

.

Удобна запись уравнения плоской волны в следующем виде.

Обычно знак Re опускают, подразумевая, что берётся только вещественная часть соответствующего выражения. Кроме этого вводится комплексное число.

Это число называется комплексной амплитудой. Модуль этого числа даёт амплитуду, а аргумент – начальную фазу волны.

Таким образом, уравнение плоской незатухающей волны можно представить в следующем виде.

Всё рассмотренное выше относилось к среде, где отсутствовало затухание волны. В случае затухания волны, в соответствии с законом Бугера (Пьер Бугер, французский учёный (1698 – 1758)), амплитуда волны будет уменьшаться при её распространении. Тогда уравнение плоской волны будет иметь следующий вид.

(5)

 – коэффициент затухания волна. A₀ – амплитуда колебаний в точке с координатами . Это величина обратная расстоянию, при котором амплитуда волны уменьшается в e раз.

Найдем уравнение сферической волны. Будем считать источник колебаний точечным. Это возможно, если ограничиться рассмотрением волны на расстоянии, много большем размеров источника. Волна от такого источника в изотропной и однородной среде будет сферической. Точки лежащие на волновой поверхности радиуса , будут колебаться с фазой

Амплитуда колебаний в этом случае, даже если энергия волны не поглощается средой, не будет оставаться постоянной. Она убывает с расстоянием от источника по закону . Следовательно, уравнение сферической волны имеет вид:

(6)

или

В силу сделанных предположений уравнение справедливо только при , значительно превышающих размеры источника волн. Уравнение (6) неприменимо для малых значений , т.к. амплитуда устремилась бы к бесконечности, а это абсурд.

При наличии затухания в среде уравнение сферической волны запишется следующим образом.