Unda mecanică se transferă. Unde mecanice: sursă, proprietăți, formule

Val– procesul de propagare a oscilaţiilor într-un mediu elastic.

undă mecanică– perturbații mecanice care se propagă în spațiu și transportă energie.

Tipuri de valuri:

longitudinal - particulele de mediu oscilează în direcția de propagare a undei - în toate mediile elastice;

X

direcția de oscilație

puncte ale mediului

transversal - particulele mediului oscilează perpendicular pe direcția de propagare a undei - pe suprafața lichidului.

X

Tipuri de unde mecanice:

unde elastice - propagarea deformațiilor elastice;

valuri pe suprafața unui lichid.

Caracteristicile undei:

Fie ca A să oscileze conform legii:
.

Apoi B oscilează cu o întârziere cu un unghi
, Unde
, adică

Energia valurilor.

este energia totală a unei particule. Dacă particuleN, atunci unde - epsilon, V - volum.

Epsilon– energie pe unitatea de volum a undei – densitatea energiei volumetrice.

Fluxul de energie a valurilor este egal cu raportul dintre energia transferată de unde printr-o anumită suprafață și timpul în care se efectuează acest transfer:
, watt; 1 watt = 1J/s.

Densitatea fluxului energetic - Intensitatea undei- flux de energie printr-o unitate de suprafață - o valoare egală cu energia medie transferată de o undă pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață a secțiunii transversale.

[W/m2]

.

Vector Umov– vectorul I care arată direcția de propagare a undei și egală cu debitul energia valurilor care trece printr-o unitate de suprafață perpendiculară pe această direcție:

.

Caracteristicile fizice ale valului:

Vibrații:

1. amplitudine

Val:

1. lungime de undă

   viteza undei

   intensitate

Vibrații complexe (relaxare) - diferite de sinusoidale.

transformata Fourier- orice funcție periodică complexă poate fi reprezentată ca suma mai multor funcții simple (armonice), ale căror perioade sunt multiple ale perioadei funcției complexe - aceasta este analiza armonică. Apare în analizoare. Rezultatul este spectrul armonic al unei oscilații complexe:

DAR

0

sunet - vibratii si unde care actioneaza asupra urechii umane si provoaca o senzatie auditiva.

Vibrațiile și undele sonore sunt un caz special de vibrații și unde mecanice. Tipuri de sunete:

tonuri- sunetul, care este un proces periodic:

1. simplu - armonic - diapazon

   complex - anarmonic - vorbire, muzică

Un ton complex poate fi descompus în unul simplu. Cea mai joasă frecvență a unei astfel de descompunere este tonul fundamental, armonicile rămase (harmonice) au frecvențe egale cu 2 si altii. Un set de frecvențe care indică intensitatea lor relativă este spectrul acustic.

Zgomot - sunet cu o dependență complexă de timp nerepetată (foșnet, scârțâit, aplauze). Spectrul este continuu.

Caracteristicile fizice ale sunetului:

Caracteristicile senzației auditive:

Înălţime este determinată de frecvența undei sonore. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât tonul este mai mare. Sunetul de intensitate mai mare este mai scăzut.

Timbru– determinat de spectrul acustic. Cu cât sunt mai multe tonuri, cu atât spectrul este mai bogat.

Volum- caracterizează nivelul senzaţiei auditive. Depinde de intensitatea și frecvența sunetului. Psihofizic Legea Weber-Fechner: dacă creșteți iritația în progresie geometrică(în același număr de ori), atunci senzația acestei iritații va crește în progresie aritmetică(cu aceeasi suma).

, unde E este volumul (măsurat în foni);
- nivelul de intensitate (măsurat în bels). 1 bel - modificarea nivelului de intensitate, care corespunde unei modificări a intensității sunetului de 10 ori K - coeficient de proporționalitate, depinde de frecvență și intensitate.

Relația dintre zgomot și intensitatea sunetului este curbe de volum egal, construit pe date experimentale (creează un sunet cu o frecvență de 1 kHz, modifică intensitatea până când apare o senzație auditivă similară cu senzația de volum a sunetului studiat). Cunoscând intensitatea și frecvența, puteți găsi fundalul.

Audiometrie- o metodă de măsurare a acuității auzului. Instrumentul este un audiometru. Curba rezultată este o audiogramă. Se determină și se compară pragul de senzație de auz la frecvențe diferite.

Noise meter - măsurarea nivelului de zgomot.

În clinică: auscultatie - stetoscop / fonendoscop. Un fonendoscop este o capsulă goală, cu o membrană și tuburi de cauciuc.

Fonocardiografie - înregistrarea grafică a fundalurilor și a suflurilor cardiace.

Percuţie.

Ecografie– vibrații mecanice și unde cu o frecvență peste 20 kHz până la 20 MHz. Emițătorii de ultrasunete sunt emițători electromecanici bazați pe efectul piezoelectric ( curent alternativ la electrozi, între care - cuarț).

Lungimea de undă a ultrasunetelor este mai mică decât lungimea de undă a sunetului: 1,4 m - sunet în apă (1 kHz), 1,4 mm - ultrasunete în apă (1 MHz). Ecografia este bine reflectată la marginea os-periost-mușchi. Ultrasunetele nu vor pătrunde în corpul uman dacă nu sunt lubrifiate cu ulei (stratul de aer). Viteza de propagare a ultrasunetelor depinde de mediu. Procese fizice: microvibrații, distrugerea biomacromoleculelor, restructurarea și deteriorarea membranelor biologice, efectul termic, distrugerea celulelor și microorganismelor, cavitația. În clinică: diagnostic (encefalograf, cardiograf, ecografie), kinetoterapie (800 kHz), bisturiu cu ultrasunete, industria farmaceutică, osteosinteză, sterilizare.

infrasunete– unde cu o frecvență mai mică de 20 Hz. Acțiune adversă - rezonanță în organism.

vibratii. Acțiune benefică și nocivă. Masaj. boala vibratiilor.

efectul Doppler– modificarea frecvenței undelor percepute de observator (receptor de unde) datorită mișcării relative a sursei de undă și a observatorului.

Cazul 1: N se apropie de I.

Cazul 2: Și se apropie de N.

Cazul 3: apropierea și distanța dintre I și H unul de celălalt:

Sistem: generatorul de ultrasunete - receptorul - este nemișcat față de mediu. Obiectul se mișcă. Primește ultrasunete cu o frecvență
, o reflectă, trimițând-o către receptor, care primește o undă ultrasonică cu o frecvență
. Diferența de frecvență - schimbarea frecvenței Doppler:
. Este folosit pentru a determina viteza fluxului sanguin, viteza de mișcare a supapelor.

Existența unei unde necesită o sursă de oscilație și un mediu sau câmp material în care această undă se propagă. Valurile sunt de natură cea mai diversă, dar se supun unor modele similare.

Prin natura fizica distinge:

După orientarea perturbărilor distinge:

unde longitudinale - Deplasarea particulelor are loc de-a lungul direcției de propagare; este necesar să existe o forță elastică în mediu în timpul compresiei; poate fi distribuit în orice mediu. Exemple: unde sonore

unde transversale - Deplasarea particulelor are loc pe direcția de propagare; se poate propaga numai în medii elastice; este necesar să existe o forță elastică de forfecare în mediu; se poate propaga numai în medii solide (și la limita a două medii). Exemple: valuri elastice într-o sfoară, valuri pe apă

După natura dependenţei de timp distinge:

unde elastice - deplasari mecanice (deformatii) propagate intr-un mediu elastic. Unda elastică se numește armonic(sinusoidală) dacă vibrațiile mediului corespunzătoare acestuia sunt armonice.

valuri de alergare - Unde care transportă energie în spațiu.

După forma suprafeţei undei : undă plană, sferică, cilindrică.

front de val este locul punctelor până la care au ajuns oscilațiile momentul prezent timp.

suprafata valului- locusul punctelor care oscilează într-o fază.

Caracteristicile valurilor

Lungimea de undă λ - distanta pe care unda se propaga intr-un timp egal cu perioada de oscilatie

Amplitudinea undei A - amplitudinea oscilațiilor particulelor într-o undă

Viteza undei v - viteza de propagare a perturbaţiilor în mediu

Perioada valului T - perioada de oscilatie

Frecvența undei ν - reciproca perioadei

Ecuația undelor de călătorie

În timpul propagării unei unde care se deplasează, perturbațiile mediului ajung în următoarele puncte din spațiu, în timp ce unda transferă energie și impuls, dar nu transferă materie (particulele mediului continuă să oscileze în același loc în spațiu).

Unde v- viteză , φ 0 - faza initiala , ω – frecventa ciclica , A– amplitudine

Proprietățile undelor mecanice

1. reflexia undei – undele mecanice de orice origine au capacitatea de a fi reflectate de la interfața dintre două medii. Dacă o undă mecanică care se propagă într-un mediu întâlnește un obstacol în drum, atunci poate schimba dramatic natura comportamentului său. De exemplu, la interfața dintre două medii cu diferite proprietăți mecanice unda este parțial reflectată și pătrunde parțial în al doilea mediu.

2. Refracția undelor – în timpul propagării undelor mecanice se poate observa și fenomenul de refracție: o modificare a direcției de propagare a undelor mecanice în timpul trecerii de la un mediu la altul.

3. Difracția undelor – abaterea undei de la propagare rectilinie, adică se îndoaie în jurul obstacolelor.

4. Interferența undelor – adăugarea a două valuri. Într-un spațiu în care se propagă mai multe unde, interferența lor duce la apariția unor regiuni cu valorile minime și maxime ale amplitudinii oscilației

Interferența și difracția undelor mecanice.

Un val care curge de-a lungul unei benzi elastice sau a unei sfori este reflectat de la un capăt fix; aceasta creează o undă care se deplasează în direcția opusă.

Atunci când undele sunt suprapuse, se poate observa fenomenul de interferență. Fenomenul de interferență apare atunci când se suprapun unde coerente.

coerent numitvaluriavând aceleași frecvențe, o diferență de fază constantă, iar oscilațiile au loc în același plan.

interferență numit fenomen constant în timp de amplificare reciprocă şi slăbire a oscilaţiilor în puncte diferite mediu ca urmare a suprapunerii undelor coerente.

Rezultatul suprapunerii undelor depinde de fazele în care oscilațiile se suprapun între ele.

Dacă undele din sursele A și B ajung în punctul C în aceleași faze, atunci oscilațiile vor crește; dacă este în faze opuse, atunci are loc o slăbire a oscilațiilor. Ca rezultat, în spațiu se formează un model stabil de regiuni alternante de oscilații sporite și slăbite.

Conditii maxime si minime

Dacă oscilațiile punctelor A și B coincid în fază și au amplitudini egale, atunci este evident că deplasarea rezultată în punctul C depinde de diferența dintre traseele celor două unde.

Conditii maxime

Dacă diferența dintre căile acestor unde este egală cu un număr întreg de unde (adică un număr par de semi-unde) Δd = kλ , Unde k= 0, 1, 2, ..., atunci se formează un maxim de interferență în punctul de suprapunere a acestor unde.

Stare maxima :

A = 2x0.

Stare minima

Dacă diferența de cale a acestor unde este egală cu un număr impar de semi-unde, atunci aceasta înseamnă că undele din punctele A și B vor ajunge în punctul C în antifază și se vor anula reciproc.

Conditie minima:

Amplitudinea oscilației rezultate A = 0.

Dacă Δd nu este egal cu un număr întreg de semi-unde, atunci 0< А < 2х 0 .

Difracția undelor.

Fenomenul de abatere de la propagarea rectilinie și rotunjirea obstacolelor prin valuri se numeștedifracţie.

Relația dintre lungimea de undă (λ) și dimensiunea obstacolului (L) determină comportamentul undei. Difracția este cea mai pronunțată dacă lungimea de undă incidentă mai multe dimensiuni obstacole. Experimentele arată că difracția există întotdeauna, dar devine vizibilă în această condiție d<<λ , unde d este dimensiunea obstacolului.

Difracția este o proprietate comună a undelor de orice natură, care apare întotdeauna, dar condițiile pentru observarea acesteia sunt diferite.

Un val de la suprafața apei se propagă către un obstacol suficient de mare, în spatele căruia se formează o umbră, adică. nu se observă un proces ondulatoriu. Această proprietate este folosită la construcția digurilor în porturi. Dacă dimensiunea obstacolului este comparabilă cu lungimea de undă, atunci va exista o undă în spatele obstacolului. În spatele lui, unda se propagă de parcă nu ar fi fost deloc obstacol, adică. se observă difracția undelor.

Exemple de manifestare a difracției . Auzind o conversație tare după colțul casei, sunete în pădure, valuri la suprafața apei.

valuri stătătoare

valuri stătătoare se formează prin adăugarea undelor directe și reflectate dacă au aceeași frecvență și amplitudine.

Într-un șir fixat la ambele capete, apar vibrații complexe, care pot fi considerate ca rezultat al suprapunerii ( suprapuneri) două unde care se propagă în direcții opuse și experimentează reflexii și re-reflexii la capete. Vibrațiile corzilor fixate la ambele capete creează sunetele tuturor instrumentelor muzicale cu coarde. Un fenomen foarte similar are loc cu sunetul instrumentelor de suflat, inclusiv al țevilor de orgă.

vibrații ale corzilor. Într-un șir întins fixat la ambele capete, când sunt excitate vibrații transversale, valuri stătătoare , iar nodurile ar trebui să fie amplasate în locurile în care este fixată sfoara. Prin urmare, șirul este entuziasmat cu intensitate vizibilă doar astfel de vibrații, a căror jumătate din lungimea de undă se potrivește pe lungimea șirului de un număr întreg de ori.

Aceasta implică condiția

Lungimile de undă corespund frecvențelor

n = 1, 2, 3...Frecvențele vn numit frecvențe naturale siruri de caractere.

Vibrații armonice cu frecvențe vn numit vibratii proprii sau normale . Se mai numesc si armonici. În general, vibrația unei coarde este o suprapunere a diferitelor armonici.

Ecuația undei staționare :

În punctele în care coordonatele satisfac condiția (n= 1, 2, 3, ...), amplitudinea totală este egală cu valoarea maximă - aceasta antinoduri val în picioare. Coordonatele antinodului :

În punctele ale căror coordonate satisfac condiția (n= 0, 1, 2,…), amplitudinea totală a oscilației este egală cu zero – acest noduri val în picioare. Coordonatele nodului:

Formarea undelor stătătoare se observă atunci când undele de călătorie și cele reflectate interferează. La limita unde se reflectă unda, se obține un antinod dacă mediul din care are loc reflexia este mai puțin dens (a), și se obține un nod dacă este mai dens (b).

Dacă luăm în considerare val călător , apoi în sensul de propagare a acestuia se transferă energia miscare oscilatoare. Când la fel nu există un val staționar de transfer de energie , deoarece undele incidente și reflectate de aceeași amplitudine poartă aceeași energie în direcții opuse.

Undele stătătoare apar, de exemplu, într-un șir întins la ambele capete atunci când vibrațiile transversale sunt excitate în el. Mai mult, în locurile de fixare, există noduri de undă staționară.

Dacă o undă staționară este stabilită într-o coloană de aer care este deschisă la un capăt (undă sonoră), atunci se formează un antinod la capătul deschis, iar la capătul opus se formează un nod.

proces val- procesul de transfer de energie fără transfer de materie.

undă mecanică- perturbaţie care se propagă într-un mediu elastic.

Prezența unui mediu elastic este o condiție necesară pentru propagarea undelor mecanice.

Transferul de energie și impuls în mediu are loc ca urmare a interacțiunii dintre particulele învecinate ale mediului.

Undele sunt longitudinale și transversale.

Undă mecanică longitudinală - o undă în care mișcarea particulelor de mediu are loc în direcția de propagare a undei. Undă mecanică transversală - o undă în care particulele mediului se mișcă perpendicular pe direcția de propagare a undei.

Undele longitudinale se pot propaga în orice mediu. Undele transversale nu apar în gaze și lichide, deoarece acestea

nu există poziții fixe ale particulelor.

Acțiunea externă periodică provoacă unde periodice.

undă armonică- o undă generată de vibrațiile armonice ale particulelor mediului.

Lungime de undă- distanța pe care se propagă unda în perioada de oscilație a sursei sale:

viteza undei mecanice- viteza de propagare a perturbaţiei în mediu. Polarizarea este ordonarea direcțiilor de oscilație ale particulelor într-un mediu.

Planul de polarizare- planul în care particulele mediului vibrează în undă. O undă mecanică polarizată liniar este o undă ale cărei particule oscilează de-a lungul unei anumite direcții (linie).

Polarizator- un dispozitiv care emite o undă de o anumită polarizare.

val în picioare- o unda formata ca urmare a suprapunerii a doua unde armonice care se propage una spre alta si avand aceeasi perioada, amplitudine si polarizare.

Antinoduri ale unui val staționar- poziţia punctelor cu amplitudinea maximă a oscilaţiilor.

Noduri ale unui val staționar- punctele nemișcate ale undei, a căror amplitudine de oscilație este egală cu zero.

Pe lungimea l a unui șir fixat la capete se potrivește un număr întreg n semi-unde de unde staționare transversale:

Astfel de unde se numesc moduri de oscilație.

Modul de oscilație pentru un întreg arbitrar n > 1 se numește a n-a armonică sau a n-a harmonică. Modul de oscilație pentru n = 1 se numește primul mod de oscilație armonică sau fundamentală. unde sonore- unde elastice în mediu care provoacă senzații auditive la o persoană.

Frecvența oscilațiilor corespunzătoare undelor sonore se află în intervalul de la 16 Hz la 20 kHz.

Viteza de propagare a undelor sonore este determinată de viteza de transfer a interacțiunii dintre particule. Viteza sunetului într-un solid v p, de regulă, este mai mare decât viteza sunetului într-un lichid v l, care, la rândul său, depășește viteza sunetului într-un gaz v g.

Semnalele sonore sunt clasificate după înălțime, timbru și volum. Înălțimea sunetului este determinată de frecvența sursei de vibrații sonore. Cu cât frecvența de oscilație este mai mare, cu atât sunetul este mai mare; vibraţiilor de frecvenţe joase corespund sunetelor joase. Timbrul sunetului este determinat de forma vibrațiilor sonore. Diferența de formă a vibrațiilor care au aceeași perioadă este asociată cu amplitudini relative diferite ale modului și tonului fundamental. Volumul sunetului este caracterizat de nivelul de intensitate a sunetului. Intensitatea sunetului - energia undelor sonore incidente pe o suprafață de 1 m 2 în 1 s.

Valuri. Proprietățile generale ale undelor.

Val - acesta este fenomenul de propagare în spațiu în timp a unei modificări (perturbare) a unei mărimi fizice care poartă cu ea energie.

Indiferent de natura undei, transferul de energie are loc fără transfer de materie; acesta din urmă poate apărea doar ca efect secundar. Transfer de energie- diferența fundamentală dintre unde și oscilații, în care se produc doar transformări energetice „locale”. Valurile, de regulă, sunt capabile să parcurgă distanțe considerabile de la locul lor de origine. Din acest motiv, undele sunt uneori denumite „ vibraţie desprinsă de emiţător».

Valurile pot fi clasificate

Prin natura sa:

unde elastice - unde se propagă în medii lichide, solide și gazoase datorită acțiunii forțelor elastice.

Undele electromagnetice- propagarea în spaţiu perturbarea (schimbarea stării) a câmpului electromagnetic.

Valuri pe suprafața unui lichid- denumirea convențională pentru diverse unde care apar la interfața dintre un lichid și un gaz sau un lichid și un lichid. Undele pe apă diferă prin mecanismul fundamental de oscilație (capilar, gravitațional etc.), ceea ce duce la diferite legi de dispersie și, ca urmare, la un comportament diferit al acestor unde.

În ceea ce privește direcția de oscilație a particulelor mediului:

unde longitudinale - particulele mediului oscilează paralelîn direcția de propagare a undelor (ca, de exemplu, în cazul propagării sunetului).

unde transversale - particulele mediului oscilează perpendicular direcția de propagare a undelor (unde electromagnetice, unde pe suprafețele de separare a mediilor).

a - transversal; b - longitudinală.

valuri mixte.

Conform geometriei frontului de undă:

Suprafața de undă (frontul de undă) este locul punctelor la care perturbația a ajuns la un moment dat în timp. Într-un mediu izotrop omogen, viteza de propagare a undei este aceeași în toate direcțiile, ceea ce înseamnă că toate punctele frontului oscilează în aceeași fază, frontul este perpendicular pe direcția de propagare a undei și valorile oscilante. cantitatea în toate punctele frontului este aceeași.

apartament planurile undă - fază sunt perpendiculare pe direcția de propagare a undei și paralele între ele.

sferic val - suprafața fazelor egale este o sferă.

Cilindric val - suprafața fazelor seamănă cu un cilindru.

Spirală undă - se formează dacă o sursă/surse de undă sferică sau cilindrică în procesul de radiație se deplasează de-a lungul unei anumite curbe închise.

val plan

O undă se numește plată dacă suprafețele sale de undă sunt plane paralele între ele, perpendiculare pe viteza de fază a undei. = f(x, t)).

Să considerăm o undă sinusoidală plană monocromatică (o singură frecvență) care se propagă într-un mediu omogen fără atenuare de-a lungul axei X.

,Unde

Viteza de fază a unei unde este viteza suprafeței undei (front),

- amplitudinea undei - modulul abaterii maxime a valorii în schimbare de la poziția de echilibru,

– frecvența ciclică, T – perioada de oscilație, – frecvența undei (asemănătoare oscilațiilor)

k - numărul de undă, are semnificația frecvenței spațiale,

O altă caracteristică a undei este lungimea de undă m, aceasta este distanța pe care se propagă unda în timpul unei perioade de oscilație, are semnificația unei perioade spațiale, aceasta este distanța cea mai scurtă dintre punctele care oscilează într-o fază.

y

Lungimea de undă este legată de numărul de undă prin relația , care este similară cu relația de timp

Numărul de undă este legat de frecvența ciclică și viteza de propagare a undei

X
y
y

Figurile arată o oscilogramă (a) și un instantaneu (b) a unei unde cu perioadele de timp și spațiu indicate. Spre deosebire de oscilațiile staționare, undele au două caracteristici principale: periodicitatea temporală și periodicitatea spațială.

Proprietățile generale ale undelor:

1. 
   Valurile transportă energie.

Intensitatea undei este energia medie în timp pe care o undă electromagnetică sau sonoră o transferă pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață a unei suprafețe situată perpendicular pe direcția de propagare a undei. Intensitatea undei este proporțională cu pătratul amplitudinii sale I=W/t∙S, unde W este energia, t este timpul, S este aria frontului. I=[W/m2]. De asemenea, intensitatea oricărei unde poate fi determinată de I=wv, unde v este viteza de propagare a undei (grup).

2. Undele exercită presiune asupra corpurilor (au impuls).

3. Viteza unei unde într-un mediu depinde de frecvenţa undei - dispersie.Astfel, undele de frecvenţe diferite se propagă în acelaşi mediu cu viteze diferite (viteza de fază).

4. Undele se îndoaie în jurul obstacolelor - difracție.

Difracția apare atunci când dimensiunea obstacolului este comparabilă cu lungimea de undă.

5. La interfața dintre două medii, undele sunt reflectate și refractate.

Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie, iar raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este o valoare constantă pentru aceste două medii.

6. Când se suprapun unde coerente (diferența de fază a acestor unde în orice punct este constantă în timp), ele interferează - se formează un model stabil de minime și maxime de interferență.

Undele și sursele care le excită sunt numite coerente dacă diferența de fază a undelor nu depinde de timp. Undele și sursele care le excită sunt numite incoerente dacă diferența de fază a undelor se modifică în timp.

Numai undele de aceeași frecvență, în care oscilațiile au loc pe aceeași direcție (adică unde coerente), pot interfera. Interferența poate fi staționară sau non-staționară. Numai undele coerente pot da un model de interferență staționar. De exemplu, două unde sferice de pe suprafața apei, care se propagă din două surse punctuale coerente, vor produce o undă rezultată la interferență. Frontul undei rezultate va fi o sferă.

Când undele interferează, energiile lor nu se adună. Interferența undelor duce la o redistribuire a energiei oscilațiilor între diferite particule strâns distanțate ale mediului. Acest lucru nu contrazice legea conservării energiei deoarece, în medie, pentru o regiune mare a spațiului, energia undei rezultate este egală cu suma energiilor undelor interferente.

Când undele incoerente sunt suprapuse, valoarea medie a amplitudinii pătrate a undei rezultate este egală cu suma amplitudinilor pătrate ale undelor suprapuse. Energia oscilațiilor rezultate ale fiecărui punct al mediului este egală cu suma energiilor oscilațiilor sale, datorită tuturor undelor incoerente separat.

7. Undele sunt absorbite de mediu. Odată cu distanța de la sursă, amplitudinea undei scade, deoarece energia undei este parțial transferată în mediu.

8. Undele sunt împrăștiate într-un mediu neomogen.

Scattering - perturbări ale câmpurilor de undă cauzate de neomogenitățile mediului și împrăștierea obiectelor plasate în acest mediu. Intensitatea împrăștierii depinde de mărimea neomogenităților și de frecvența undei.

unde mecanice. Sunet. Caracteristica sunetului .

Val- perturbaţie care se propagă în spaţiu.

Proprietățile generale ale undelor:

• 
  transporta energie;
• 
  au impuls (pune presiune asupra corpurilor);
• 
  la limita a două medii sunt reflectate și refractate;
• 
  absorbit de mediu;
• 
  difracţie;
• 
  interferență;
• 
  dispersie;
• 
  Viteza undelor depinde de mediul prin care trec undele.

1. 
   Unde mecanice (elastice).

Dacă în orice loc al unui mediu elastic (solid, lichid sau gazos) sunt excitate oscilații ale particulelor, atunci datorită interacțiunii atomilor și moleculelor mediului, oscilațiile încep să se transmită dintr-un punct în altul cu o viteză finită în funcție de densitatea și proprietățile elastice ale mediului. Acest fenomen se numește undă mecanică sau elastică. Rețineți că undele mecanice nu se pot propaga în vid.

Un caz special de unde mecanice - valuri pe suprafața unui lichid, unde care apar și se propagă de-a lungul suprafeței libere a unui lichid sau la interfața dintre două lichide nemiscibile. Ele se formează sub influența unei influențe externe, în urma căreia suprafața lichidului este îndepărtată din starea de echilibru. În acest caz, apar forțe care restabilesc echilibrul: forțele tensiunii superficiale și gravitației.

Undele mecanice sunt de două tipuri

Undele longitudinale însoțite de deformații de tracțiune și compresiune se pot propaga în orice mediu elastic: gaze, lichide și solide. Undele transversale se propagă în acele medii în care apar forțe elastice în timpul deformării prin forfecare, adică în solide.

De un interes considerabil pentru practică sunt undele simple armonice sau sinusoidale. Ecuația de undă sinusoidală plană este:

- asa numitul numărul de undă ,

– frecventa circulara ,

DAR - amplitudinea oscilației particulelor.

Figura prezintă „instantanee” ale unei unde transversale în două momente în timp: t și t + Δt. În timpul Δt, unda s-a deplasat de-a lungul axei OX cu o distanță υΔt. Astfel de valuri se numesc unde calatorii.

Lungimea de undă λ este distanța dintre două puncte adiacente pe axa OX, oscilând în aceleași faze. La o distanță egală cu lungimea de undă λ, unda parcurge o perioadă T, prin urmare,

λ = υT, unde υ este viteza de propagare a undei.

Pentru orice punct ales de pe graficul procesului undei (de exemplu, pentru punctul A), coordonata x a acestui punct se modifică în timpul t, iar valoarea expresiei ωt – kx nu se schimba. După un interval de timp Δt, punctul A se va deplasa de-a lungul axei OX pe o anumită distanță Δx = υΔt. Prin urmare: ωt – kx = ω(t + Δt) – k(x + Δx) = const sau ωΔt = kΔx.

Asta implică:

Astfel, o undă sinusoidală călătoare are o periodicitate dublă - în timp și spațiu. Perioada de timp este egală cu perioada de oscilație T a particulelor mediului, perioada spațială este egală cu lungimea de undă λ. Numărul de undă este analogul spațial al frecvenței circulare.

1. 
   Sunet.

Sunet- sunt vibratii mecanice care se propaga in medii elastice - gaze, lichide si solide, percepute de organele auzului. Sunetul este o undă cu o intensitate destul de scăzută. Gama de frecvențe sonore audibile este cuprinsă între aproximativ 20 Hz și 20 kHz. Se numesc unde cu o frecvență mai mică de 20 Hz infrasuneteși cu o frecvență mai mare de 20 kHz - ecografie. Se numesc unde cu frecvențe de la până la Hz hipersonic. Ramura fizicii care se ocupă cu studiul fenomenelor sonore se numește acustică.

Orice proces oscilator este descris printr-o ecuație. De asemenea, a fost derivat pentru vibrațiile sonore:

Caracteristicile de bază ale undelor sonore

Percepția subiectivă a sunetului (volum, înălțime, timbru)

Caracteristicile fizice obiective ale sunetului (viteza, intensitatea, spectrul)

Viteza sunetului în orice mediu gazos se calculează prin formula:

β - compresibilitatea adiabatică a mediului,

ρ - densitate.

1. 
   Aplicarea sunetului

Animalele binecunoscute care au capacitatea de ecolocație sunt liliecii și delfinii. În ceea ce privește perfecțiunea lor, ecolocatoarele acestor animale nu sunt inferioare, dar în multe privințe depășesc (din punct de vedere al fiabilității, preciziei, eficienței energetice) ecolocatoarele moderne artificiale.

Sonarele folosite sub apă se numesc sonar sau sonar (denumirea sonar este formată din literele inițiale a trei cuvinte englezești: sunet - sunet; navigație - navigație; rază - rază). Sonarele sunt indispensabile pentru studierea fundului mării (profilul, adâncimea acestuia), pentru detectarea și studierea diferitelor obiecte care se deplasează adânc sub apă. Cu ajutorul lor, pot fi detectate cu ușurință atât obiectele sau animalele mari individuale, cât și stolurile de pești mici sau moluște.

Undele de frecvențe ultrasonice sunt utilizate pe scară largă în medicină în scopuri de diagnostic. Scanerele cu ultrasunete vă permit să examinați organele interne ale unei persoane. Radiațiile ultrasunete sunt mai puțin dăunătoare pentru oameni decât razele X.

Undele electromagnetice.

Proprietățile lor.

unde electromagnetice este un câmp electromagnetic care se propagă în spațiu în timp.

Undele electromagnetice pot fi excitate doar de sarcinile care se mișcă rapid.

Existența undelor electromagnetice a fost prezisă teoretic de marele fizician englez J. Maxwell în 1864. El a propus o nouă interpretare a legii lui Faraday a inducției electromagnetice și și-a dezvoltat ideile în continuare.

Orice modificare a câmpului magnetic generează un câmp electric vortex în spațiul înconjurător, un câmp electric care variază în timp generează un câmp magnetic în spațiul înconjurător.

Figura 1. Un câmp electric alternativ generează un câmp magnetic alternativ și invers

Proprietățile undelor electromagnetice bazate pe teoria lui Maxwell:

Undele electromagnetice transversal – vectori și sunt perpendiculare între ele și se află într-un plan perpendicular pe direcția de propagare.

Figura 2. Propagarea unei unde electromagnetice

Câmpurile electrice și magnetice dintr-o undă care călătoresc se schimbă într-o fază.

Vectorii dintr-o undă electromagnetică care călătoresc formează așa-numitul triplet drept al vectorilor.

Oscilațiile vectorilor și apar în fază: în același moment de timp, într-un punct din spațiu, proiecțiile intensităților câmpurilor electrice și magnetice ating un maxim, minim sau zero.

Undele electromagnetice se propagă în materie cu viteza finala

Unde - permeabilitatea dielectrică și magnetică a mediului (viteza de propagare a undei electromagnetice în mediu depinde de acestea),

Constante electrice și magnetice.

Viteza undelor electromagnetice în vid

Densitatea fluxului de energie electromagnetică sauintensitate J numită energia electromagnetică transportată de o undă pe unitatea de timp prin suprafața unei unități de suprafață:

,

Înlocuind aici expresiile pentru , și υ, și ținând cont de egalitatea densităților de energie volumetrice ale câmpurilor electrice și magnetice într-o undă electromagnetică, putem obține:

Undele electromagnetice pot fi polarizate.

La fel, undele electromagnetice au toate proprietățile de bază ale undelor : transportă energie, au impuls, sunt reflectate și refractate la interfața dintre două medii, absorbite de mediu, prezintă proprietăți de dispersie, difracție și interferență.

Experimente Hertz (detecția experimentală a undelor electromagnetice)

Pentru prima dată, undele electromagnetice au fost studiate experimental

Hertz în 1888. El a dezvoltat un design de succes al unui generator de oscilații electromagnetice (vibrator Hertz) și o metodă de detectare a acestora prin metoda rezonanței.

Vibratorul era format din doi conductori liniari, la capetele cărora se aflau bile metalice care formau un eclator. Când a fost aplicată o tensiune înaltă de la inducție la carcasă, o scânteie a sărit în gol, a scurtcircuitat spațiul. În timpul arderii sale, în circuit au avut loc un număr mare de oscilații. Receptorul (rezonatorul) era format dintr-un fir cu eclator. Prezența rezonanței a fost exprimată prin apariția scânteilor în ecartul de scânteie al rezonatorului, ca răspuns la o scânteie care a apărut în vibrator.

Astfel, experimentele lui Hertz au oferit o bază solidă pentru teoria lui Maxwell. Undele electromagnetice prezise de Maxwell s-au dovedit a fi realizate în practică.

PRINCIPII ALE COMUNICAȚIILOR RADIO

Comunicare radio transmiterea și recepția de informații folosind unde radio.

La 24 martie 1896, la o reuniune a Departamentului de Fizică al Societății Ruse de Fizică și Chimie, Popov, folosind instrumentele sale, a demonstrat clar transmiterea semnalelor pe o distanță de 250 m, transmițând prima radiogramă de două cuvinte din lume „Heinrich”. Hertz”.

SCHEMA RECEPTORULUI A.S.POPOV

Popov a folosit comunicarea radiotelegrafică (transmiterea de semnale de durată diferită), o astfel de comunicare poate fi efectuată numai folosind un cod. Un emițător de scântei cu un vibrator Hertz a fost folosit ca sursă de unde radio, iar un coerer a servit drept receptor, un tub de sticlă cu pilitură de metal, a cărui rezistență, atunci când o undă electromagnetică îl lovește, scade de sute de ori. Pentru a crește sensibilitatea cohererului, unul dintre capete a fost împământat, iar celălalt a fost conectat la un fir ridicat deasupra Pământului, lungimea totală a antenei fiind de un sfert de lungime de undă. Semnalul emițătorului de scânteie scade rapid și nu poate fi transmis pe distanțe lungi.

Comunicațiile radiotelefonice (vorbire și muzică) utilizează un semnal modulat de înaltă frecvență. Un semnal de frecvență joasă (sunet) transportă informații, dar practic nu este emis, iar un semnal de frecvență înaltă este bine emis, dar nu transportă informații. Modulația este utilizată pentru comunicațiile radiotelefonice.

Modulare - procesul de stabilire a unei corespondențe între parametrii semnalului HF și LF.

În ingineria radio se folosesc mai multe tipuri de modulații: amplitudine, frecvență, fază.

Modulație de amplitudine - modificarea amplitudinii oscilaţiilor (electrice, mecanice etc.), survenite la o frecvenţă mult mai mică decât frecvenţa oscilaţiilor în sine.

O oscilație armonică de înaltă frecvență ω este modulată în amplitudine de o oscilație armonică de joasă frecvență Ω (τ = 1/Ω este perioada sa), t este timpul, A este amplitudinea oscilației de înaltă frecvență, T este perioada acesteia.

Schema de comunicații radio folosind semnal AM

oscilator AM

Amplitudinea semnalului RF se modifică în funcție de amplitudinea semnalului LF, apoi semnalul modulat este emis de antena de transmisie.

În receptorul radio, antena de recepție preia unde radio, în circuitul oscilator, datorită rezonanței, este selectat și amplificat semnalul la care este reglat circuitul (frecvența purtătoare a stației de emisie), apoi componenta de joasă frecvență. a semnalului trebuie selectat.

Detector radio

Detectare – procesul de conversie a unui semnal de înaltă frecvență într-un semnal de joasă frecvență. Semnalul primit după detectare corespunde semnalului sonor care a acționat asupra microfonului emițătorului. După amplificare, vibrațiile de joasă frecvență pot fi transformate în sunet.

Detector (demodulator)

Dioda este folosită pentru a redresa curentul alternativ

a) semnal AM, b) semnal detectat

RADAR

Se numește detectarea și determinarea precisă a locației obiectelor și a vitezei de mișcare a acestora cu ajutorul undelor radio radar . Principiul radarului se bazează pe proprietatea de reflectare a undelor electromagnetice din metale.

1 - antenă rotativă; 2 - comutator antene; 3 - emițător; 4 - receptor; 5 - scanner; 6 - indicator de distanta; 7 - indicator de direcție.

Pentru radar se folosesc unde radio de înaltă frecvență (VHF), cu ajutorul lor se formează ușor un fascicul direcțional și puterea de radiație este mare. În domeniul metrului și al decimetrului - sisteme de zăbrele ale vibratoarelor, în intervalul centimetric și milimetric - emițători parabolici. Locația poate fi efectuată atât în ​​modul continuu (pentru a detecta o țintă), cât și în modul pulsat (pentru a determina viteza unui obiect).

Domenii de aplicare a radarului:

• 
  Aviație, astronautică, marina: siguranța în trafic a navelor în orice vreme și în orice moment al zilei, prevenirea coliziunii acestora, siguranța decolare etc. aterizările aeronavelor.
• 
  Război: detectarea în timp util a aeronavelor sau rachetelor inamice, reglarea automată a focului antiaerien.
• 
  Radar planetar: măsurarea distanței până la acestea, precizarea parametrilor orbitelor lor, determinarea perioadei de rotație, observarea topografiei suprafeței. În fosta Uniune Sovietică (1961) - radarul lui Venus, Mercur, Marte, Jupiter. În SUA și Ungaria (1946) - un experiment privind primirea unui semnal reflectat de la suprafața lunii.

O TELEVIZIUNE

Schema de telecomunicații coincide practic cu schema de comunicații radio. Diferența este că, pe lângă semnalul sonor, sunt transmise o imagine și semnale de control (schimbarea liniei și schimbarea cadrului) pentru a sincroniza funcționarea emițătorului și receptorului. În transmițător, aceste semnale sunt modulate și transmise, în receptor sunt preluate de antenă și merg la procesare, fiecare pe drumul său.

Luați în considerare una dintre schemele posibile pentru conversia unei imagini în oscilații electromagnetice folosind un iconoscop:

Cu ajutorul unui sistem optic, o imagine este proiectată pe ecranul mozaic, datorită efectului fotoelectric, celulele ecranului capătă o încărcătură pozitivă diferită. Tunul de electroni generează un fascicul de electroni care traversează ecranul, descarcând celulele încărcate pozitiv. Deoarece fiecare celulă este un condensator, o schimbare a sarcinii duce la apariția unei tensiuni în schimbare - o oscilație electromagnetică. Semnalul este apoi amplificat și introdus în dispozitivul de modulare. Într-un kinescop, semnalul video este convertit înapoi într-o imagine (în moduri diferite, în funcție de principiul de funcționare al kinescopului).

Deoarece semnalul de televiziune transportă mult mai multe informații decât radioul, munca se desfășoară la frecvențe înalte (metri, decimetri).

Propagarea undelor radio.
Unda radio - este o undă electromagnetică în domeniul (10 4

Fiecare secțiune a acestei game este aplicată acolo unde avantajele sale pot fi utilizate cel mai bine. Undele radio de diferite game se propagă la distanțe diferite. Propagarea undelor radio depinde de proprietățile atmosferei. Suprafața pământului, troposfera și ionosfera au, de asemenea, o influență puternică asupra propagării undelor radio.

Propagarea undelor radio- acesta este procesul de transmitere a oscilațiilor electromagnetice ale domeniului radio în spațiu dintr-un loc în altul, în special de la un emițător la un receptor.
Undele de diferite frecvențe se comportă diferit. Să luăm în considerare mai detaliat caracteristicile propagării undelor lungi, medii, scurte și ultrascurte.
Propagarea undelor lungi.

Undele lungi (>1000 m) se propagă:

• 
  La distanțe de până la 1-2 mii km datorită difracției pe suprafața sferică a Pământului. Capabil să meargă în jur Pământ(Figura 1). Apoi propagarea lor are loc datorită acțiunii de ghidare a ghidului de undă sferic, fără a fi reflectat.

Orez. unu

Calitatea conexiunii:

stabilitatea recepției. Calitatea recepției nu depinde de ora din zi, an, condițiile meteo.

Dezavantaje:

Datorită absorbției puternice a undei pe măsură ce se propagă pe suprafața pământului, sunt necesare o antenă mare și un transmițător puternic.

Descărcările atmosferice (fulgerele) interferează.

Utilizare:

• 
  Gama este utilizată pentru radiodifuziune, pentru radiotelegrafie, servicii de radionavigație și pentru comunicații cu submarine.
• 
  Există un număr mic de posturi de radio care transmit semnale de timp precise și rapoarte meteorologice.

Propagarea undelor medii

Undele medii ( =100..1000 m) se propagă:

• 
  La fel ca valurile lungi, ele sunt capabile să se îndoaie în jurul suprafeței pământului.
• 
  La fel ca undele scurte, ele pot fi reflectate în mod repetat din ionosferă.

La distanțe mari de transmițător, recepția poate fi slabă în timpul zilei, dar recepția se îmbunătățește noaptea. Puterea recepției depinde și de perioada anului. Astfel, ziua se răspândesc la fel de scurte, iar noaptea - la fel de lungi.

Calitatea conexiunii:

• 
  Raza de comunicare scurta. Stațiile cu unde medii sunt audibile pe o mie de kilometri. Dar există un nivel ridicat de interferență atmosferică și industrială.

Utilizare:

• 
  Folosit pentru comunicații oficiale și de amatori, precum și în principal pentru difuzare.

Răspândireamic de statura valuri

Undele scurte (=10..100 m) se propagă:

• 
  Reflectat în mod repetat din ionosferă și suprafața pământului (Fig. 2)

Calitatea conexiunii:

Calitatea recepției la unde scurte depinde foarte mult de diferite procese din ionosferă asociate cu nivelul activității solare, perioada anului și momentul zilei. Nu sunt necesare transmițătoare de mare putere. Pentru comunicarea dintre stațiile terestre și navele spațiale, acestea nu sunt adecvate, deoarece nu trec prin ionosferă.

Utilizare:

• 
  Pentru comunicare pe distanțe lungi. Pentru televiziune, radiodifuziune și comunicații radio cu obiecte în mișcare. Există posturi radio departamentale de telegraf și telefon. Acest interval este cel mai „populat”.

Distribuția ultrascurtăvaluri

Unde ultrascurte (

• 
  Uneori pot fi reflectate de nori, sateliți artificiali ai pământului sau chiar de pe lună. În acest caz, raza de comunicare poate crește ușor.

Calitatea conexiunii:

Recepția undelor ultrascurte se caracterizează prin constanța audibilității, absența decolorării, precum și reducerea diferitelor interferențe.

Comunicarea pe aceste unde este posibilă doar la distanță de linie de vedere L(Fig. 7).

Deoarece undele ultrascurte nu se propagă dincolo de orizont, devine necesară construirea multor transmițătoare intermediare - repetoare.

Repetitor- un dispozitiv situat in punctele intermediare ale liniilor de comunicatie radio, care amplifica semnalele primite si le transmite in continuare.

releu- receptia semnalelor intr-un punct intermediar, amplificarea si transmiterea lor in aceeasi directie sau in alta directie. Retransmisia este concepută pentru a mări raza de comunicare.

Există două moduri de retransmisie: satelit și terestră.

Satelit:

Un satelit releu activ primește semnalul stației terestre, îl amplifică și, printr-un transmițător direcțional puternic, trimite semnalul către Pământ în aceeași direcție sau într-o direcție diferită.

Sol:

Semnalul este transmis la o stație radio terestră analogică sau digitală sau la o rețea de astfel de posturi și apoi trimis mai departe în aceeași direcție sau într-o direcție diferită.

1 - transmițător radio,

2 - antenă de transmisie, 3 - antenă de recepție, 4 - receptor radio.

Utilizare:

• 
  a lua legatura sateliți artificiali Pământul și

rachete spațiale. Folosit pe scară largă pentru transmisii de televiziune și radio (benzi VHF și FM), navigație radio, radar și comunicații celulare.

VHF sunt împărțite în următoarele intervale:

unde metrice - de la 10 la 1 metru, folosit pentru comunicarea telefonica intre nave, nave si servicii portuare.

decimetru - de la 1 metru la 10 cm, folosit pentru comunicatii prin satelit.

centimetru - de la 10 la 1 cm, folosit in radar.

milimetru - de la 1cm la 1mm, folosit mai ales in medicina.

Mecanicvalîn fizică, acesta este fenomenul de propagare a perturbațiilor, însoțit de transferul de energie al unui corp oscilant dintr-un punct în altul fără a transporta materie, într-un mediu elastic.

Un mediu în care există o interacțiune elastică între molecule (lichid, gaz sau solid) este o condiție prealabilă pentru apariția perturbărilor mecanice. Ele sunt posibile numai atunci când moleculele unei substanțe se ciocnesc unele de altele, transferând energie. Un exemplu de astfel de perturbații este sunetul (unda acustică). Sunetul poate călători prin aer, apă sau corp solid dar nu în vid.

Pentru a crea o undă mecanică, este nevoie de o energie inițială, care va scoate mediul din echilibru. Această energie va fi apoi transmisă de undă. De exemplu, o piatră aruncată într-o cantitate mică de apă creează un val la suprafață. Un țipăt puternic creează o undă acustică.

Principalele tipuri de unde mecanice:

• Sunet;
• La suprafața apei;
• Cutremurele;
• unde seismice.

Undele mecanice au vârfuri și jgheaburi ca toate mișcări oscilatorii. Principalele lor caracteristici sunt:

• Frecvență. Acesta este numărul de oscilații pe secundă. Unități de măsură în SI: [ν] = [Hz] = [s -1].
• Lungime de undă. Distanța dintre vârfurile sau jgheaburi adiacente. [λ] = [m].
• Amplitudine. Cea mai mare abatere a punctului mediu de la poziția de echilibru. [X max] = [m].
• Viteză. Aceasta este distanța pe care o parcurge o undă într-o secundă. [V] = [m/s].

Lungime de undă

Lungimea de undă este distanța dintre punctele cele mai apropiate unul de celălalt, oscilând în aceleași faze.

Undele se propagă în spațiu. Direcția de propagare a acestora se numește grindăși notat cu o linie perpendiculară pe suprafața undei. Și viteza lor este calculată prin formula:

Limita suprafeței undei, care separă partea mediului în care au loc deja oscilații de partea mediului în care oscilațiile nu au început încă, - valfață.

Unde longitudinale și transversale

Una dintre modalitățile de clasificare a tipului mecanic de unde este de a determina direcția de mișcare a particulelor individuale ale mediului într-o undă în raport cu direcția de propagare a acesteia.

În funcție de direcția de mișcare a particulelor în valuri, există:

1. transversalvaluri. Particulele mediului din acest tip de unde oscilează în unghi drept cu fasciculul de undă. O ondulație într-un iaz sau corzile vibratoare ale unei chitare pot ajuta la vizualizarea undelor transversale. Acest tip de oscilație nu se poate propaga într-un mediu lichid sau gazos, deoarece particulele acestor medii se mișcă aleatoriu și este imposibil să-și organizeze mișcarea perpendicular pe direcția de propagare a undei. Undele de tip transversal se mișcă mult mai încet decât cele longitudinale.
2. Longitudinalvaluri. Particulele mediului oscilează în aceeași direcție în care se propagă unda. Unele unde de acest tip se numesc unde de compresie sau compresie. Vibrații longitudinale arcuri - compresiuni si extensii periodice - asigura o buna vizualizare a unor astfel de unde. Undele longitudinale sunt cele mai rapide unde de tip mecanic. Undele sonore din aer, tsunami-urile și ultrasunetele sunt longitudinale. Acestea includ un anumit tip de unde seismice care se propagă sub pământ și în apă.