波动的一般概念

波动的一般概念

 

(1) 振动与波动

 

宇宙间一切物质(大至宏观天体，小至微观粒子)均处于一定的运动状态，这些运动状态有移动、转动、振动和波动等。振动与波动是物质运动状态中两个密切相关的运动。波动简称波，它是波动在物体或空间中的传播;振动是产生波动的根源。

 

一般来说，物体或质点在某一平衡位置附近作往复运动，叫做机械振动，沧州欧谱简称振动。在周期性直线振动中最基本最重要的是简谐振动，它是物体或质点受弹性力或准弹性力作用下发生的运动。图1-1为弹簧振子的振动规律。

 

弹簧振子Q受力振动后，振子Q离开平衡位置的位移量X随时间t的变化规律可由下列余弦函数(或正弦函数)描述

 

式中：A为振幅，它是质点(振子Q)在振动过程中的最大位移量;T为周期，它是质点(振子Q)在其平衡位置附近振动一次所需要时间;f为频率，它是表示单位时间内质点(振子Q)的振动次数;频率的单位是赫兹(Hz)简称赫。赫(Hz)=每秒振动一次，1千赫(kHz)=103 Hz，1兆赫(MHz)=1000000 Hz=106 Hz。

 

为相位角，它表示质点(振子Q)在振动过程的某一瞬间t时刻所处的位置和速度。在这一时刻的相位也称初始相位。为圆频率，且有，它表示在秒内的振动周期数。X为t时间质点(振子Q)离开平衡位置的距离。由此可见，振幅A、周期T、频率f和相位是描述简谐振动的基本物理参数。振动的类型很多，除了简谐振动外，还有固有振动、受迫振动、阻尼振动等，这些振动都是较为复杂的振动，但它们的基础是简谐振动。

 

(2) 波动的分类

 

波动是振动的结果，是物质的运动形式之一。波动可分成两大类，一类是机械波，另一类是电磁波。机械波是机械振动在弹性介质中引起的波动过程。例如水波、声波、超声波等。电磁波是电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在物体中或空间的传播过程，例如，无线电波、红外线、可见光、紫外线、伧琴射线等统属电磁波范畴。

 

机械波是机械振动系统产生的，电磁波是由电磁振荡系统产生的，尽管两者在本质上是不同的，但它们具有一些波动的共同特征。例如，它们都是由于振动源通过物质之间的相互影响而形成的，波动传播有一定速度，并伴随有能量的传递，在不均匀的介质中都会产生反射、折射和绕射现象。两个波相遇都有可能产生干涉现象，而且这些现象也都从共同规律即几何光学中的反射、折射、透射方面的规律，在物理声学中也得了广泛应用。

 

当然，机械波与电磁波在本质上的差异还是很大的。例如，机械波的传播过程除了振动源外，沧州欧谱还必须依赖于传播介质，而电磁波的传播可以不依赖于传播介质，即使在真空和太空中也能传递和输送。另外，机械波的传播仅是振动状态和振动能量的传输，也就是说振动质点仅将振动能传递给相邻质点，质点只在各自平衡位置附近来回振动，而质点本身并不随波动前进。电磁波的传播不仅有振动能量的传递，而且还有质量的传输，也就是质点的移动。

 

相互间由弹性力连系着的质点所组成的物质，称为弹性介质。需要进行超声检验的大量金属和非金属固体构件都是弹性介质，自然界中的其他液体和气体大多数也属于弹性介质。通常，我们可以认为弹性介质是相互间用小弹簧(弹性力)连系着的质点所组成，如图1–2所示，在外力作用下，这种介质中任何一个质点离开了平衡位置，则弹性力总要使该质点恢复到平衡位置，与此同时，它又引起了相邻质点的位移。以此类推，只要初始的振动能量足够大，那么，质点通过相互间的弹性连系，就可将振动能传输到足够远，这也就是波动的过程。

 

当然，气体和液体分子间的弹性连系比固体介质中原子之间的弹性连系要松散得多,这样也就造成了机械波在气体、液体、固体中传播特性的差别，这在以下各节将逐一加以讨论。