Mehanski val se prenaša. Mehanski valovi: vir, lastnosti, formule
val– proces širjenja nihanj v elastičnem mediju.
mehanski val– mehanske motnje, ki se širijo v prostoru in prenašajo energijo.
Vrste valov:
vzdolžni - delci medija nihajo v smeri širjenja valov - v vseh elastičnih medijih;
x
smer nihanja
točke okolja
prečno - delci medija nihajo pravokotno na smer širjenja valov - na površini tekočine.
X
Vrste mehanskih valov:
elastični valovi - širjenje elastičnih deformacij;
valovi na površini tekočine.
Značilnosti valovanja:
Naj A niha po zakonu: 
.
Potem B niha z zamikom za kot 
, kje 
, tj.
Energija valovanja.
je skupna energija enega delca. Če delciN, kje 
- epsilon, V - prostornina.
Epsilon– energija na enoto volumna valovanja – volumetrična energijska gostota.
Pretok energije valov je enak razmerju med energijo, ki jo valovi prenašajo skozi določeno površino, in časom, v katerem se ta prenos izvaja: 
, vat; 1 vat = 1J/s.
Gostota energijskega toka - intenzivnost valov- pretok energije skozi enoto površine - vrednost, enaka povprečni energiji, ki jo val prenese na enoto časa na enoto površine preseka.
[W/m2]
.
Umov vektor– vektor I, ki kaže smer širjenja valov in enako pretoku valovna energija, ki poteka skozi enoto površine pravokotno na to smer:
.
Fizične značilnosti vala:
amplituda
valovna dolžina
hitrost valovanja
intenzivnost
Vibracijski:
val:
Kompleksna nihanja (sprostitev) - drugačna od sinusnih.
Fourierjeva transformacija- vsako kompleksno periodično funkcijo lahko predstavimo kot vsoto več preprostih (harmoničnih) funkcij, katerih obdobja so večkratniki obdobja kompleksne funkcije - to je harmonična analiza. Pojavlja se v razčlenjevalnikih. Rezultat je harmonični spekter kompleksnega nihanja:
AMPAK
0 
Zvok - vibracije in valovi, ki delujejo na človeško uho in povzročajo slušni občutek.
Zvočne vibracije in valovi so poseben primer mehanskih vibracij in valov. Vrste zvokov:
enostavne - harmonske - uglaste vilice
kompleksno - anharmonično - govor, glasba
tone- zvok, ki je periodičen proces:
Kompleksni ton je mogoče razstaviti na preproste. Najnižja frekvenca takšne razgradnje je osnovni ton, preostali harmoniki (pretoni) imajo frekvence enake 2 
drugo. Nabor frekvenc, ki označujejo njihovo relativno intenzivnost, je akustični spekter.
hrup - zvok s kompleksno neponavljajočo se časovno odvisnostjo (šustenje, škripanje, aplavz). Spekter je neprekinjen.
Fizične značilnosti zvoka:
Značilnosti zaznavanja sluha:
Višina je določena s frekvenco zvočnega vala. Višja kot je frekvenca, višji je ton. Zvok večje intenzivnosti je nižji.
Timbre– določeno z akustičnim spektrom. Več kot je tonov, bogatejši je spekter.
Glasnost- označuje raven slušnega občutka. Odvisno od jakosti in frekvence zvoka. Psihofizični Weber-Fechnerjev zakon: če povečate draženje pri geometrijska progresija(v enakem številu), potem se bo občutek tega draženja povečal aritmetična progresija(za enak znesek).
, kjer je E glasnost (merjena v fonih); 
- raven intenzivnosti (merjeno v belih). 1 bel - sprememba stopnje intenzivnosti, ki ustreza spremembi jakosti zvoka za 10-krat K - koeficient sorazmernosti, odvisen od frekvence in jakosti.
Razmerje med glasnostjo in intenzivnostjo zvoka je krivulje enake glasnosti, ki temelji na eksperimentalnih podatkih (ustvarijo zvok s frekvenco 1 kHz, spreminjajo intenzivnost, dokler se ne pojavi slušni občutek, podoben občutku glasnosti preučevanega zvoka). Če poznate intenzivnost in frekvenco, lahko najdete ozadje.
Avdiometrija- metoda za merjenje ostrine sluha. Instrument je avdiometer. Nastala krivulja je avdiogram. Določimo in primerjamo prag slušne občutljivosti pri različnih frekvencah.
Merilnik hrupa - merjenje ravni hrupa.
V kliniki: auskultacija - stetoskop / fonendoskop. Fonendoskop je votla kapsula z membrano in gumijastimi cevkami.
Fonokardiografija - grafična registracija ozadja in srčnih šumov.
Tolkala.
ultrazvok– mehanske vibracije in valovi s frekvenco nad 20 kHz do 20 MHz. Ultrazvočni oddajniki so elektromehanski oddajniki, ki temeljijo na piezoelektričnem učinku ( izmenični tok na elektrode, med katerimi - kremen).
Valovna dolžina ultrazvoka je manjša od valovne dolžine zvoka: 1,4 m - zvok v vodi (1 kHz), 1,4 mm - ultrazvok v vodi (1 MHz). Ultrazvok se dobro odraža na meji kost-periosteum-mišica. Ultrazvok ne bo prodrl v človeško telo, če ga ne namažemo z oljem (zračna plast). Hitrost širjenja ultrazvoka je odvisna od okolja. Fizikalni procesi: mikrovibracije, uničenje biomakromolekul, prestrukturiranje in poškodbe bioloških membran, toplotni učinek, uničenje celic in mikroorganizmov, kavitacija. V ambulanti: diagnostika (encefalograf, kardiograf, ultrazvok), fizioterapija (800 kHz), ultrazvočni skalpel, farmacevtska industrija, osteosinteza, sterilizacija.
infrazvok– valovi s frekvenco manj kot 20 Hz. Neželeno delovanje - resonanca v telesu.
vibracije. Koristno in škodljivo delovanje. Sporočilo. vibracijska bolezen.
Dopplerjev učinek– sprememba frekvence valov, ki jih zazna opazovalec (valovni sprejemnik) zaradi relativnega gibanja valovnega vira in opazovalca.
Primer 1: N se približuje I.
Primer 2: In se približuje N.
Primer 3: približevanje in razdalja I in H drug od drugega:
Sistem: ultrazvočni generator - sprejemnik - je negiben glede na medij. Objekt se premika. Ultrazvok sprejema s frekvenco 
, ga odbije in ga pošlje sprejemniku, ki sprejme ultrazvočni val s frekvenco 
. Frekvenčna razlika - dopplerjev frekvenčni premik:
. Uporablja se za določanje hitrosti pretoka krvi, hitrosti gibanja zaklopk.
Obstoj vala zahteva vir nihanja in materialni medij ali polje, v katerem se ta val širi. Valovi so najrazličnejše narave, vendar imajo podobne vzorce.
Po fizični naravi razlikovati:
Glede na usmerjenost motenj razlikovati:
|
vzdolžni valovi -
Premik delcev se zgodi vzdolž smeri širjenja; med stiskanjem je v mediju potrebna elastična sila; se lahko distribuira v katerem koli okolju. Primeri: zvočni valovi  |
Prečni valovi -
Premik delcev se zgodi čez smer širjenja; se lahko razmnožuje samo v elastičnih medijih; v mediju je treba imeti strižno elastično silo; se lahko razmnožuje samo v trdnih medijih (in na meji dveh medijev). Primeri: elastični valovi v vrvici, valovi na vodi
|
Glede na naravo odvisnosti od časa razlikovati:
elastični valovi - mehanski premiki (deformacije), ki se širijo v elastičnem mediju. Elastični val se imenuje harmonično(sinusoidno), če so vibracije medija, ki mu ustrezajo, harmonične.
tekoči valovi - Valovi, ki prenašajo energijo v vesolju.
Glede na obliko valovne površine : ravni, sferični, valjasti val.
valovna fronta je mesto točk, do katerih so dosegla nihanja sedanji trenutekčas.
valovna površina- lokus točk, ki nihajo v eni fazi.
Značilnosti valovanja
Valovna dolžina λ - razdalja, po kateri se val širi v času, ki je enak obdobju nihanja
Amplituda valovanja A - amplituda nihanja delcev v valu
Hitrost valov v - hitrost širjenja motenj v mediju
Obdobje valov T - obdobje nihanja
Frekvenca valov ν - recipročna vrednost obdobja
Enačba potujočega vala
Med širjenjem potujočega vala motnje medija dosežejo naslednje točke v prostoru, medtem ko val prenaša energijo in zagon, ne prenaša pa snovi (delci medija še naprej nihajo na istem mestu v prostoru).
kje v- hitrost , φ 0 - začetna faza , ω – ciklična frekvenca , A– amplituda
Lastnosti mehanskih valov
1. odboj valov – mehanski valovi katerega koli izvora se lahko odbijejo od vmesnika med dvema medijema. Če mehanski val, ki se širi v mediju, na svoji poti naleti na oviro, lahko dramatično spremeni naravo svojega vedenja. Na primer na vmesniku med dvema medijema z različnimi mehanske lastnosti val se delno odbije, delno pa prodre v drugi medij.
2. Lom valov – pri širjenju mehanskih valov lahko opazimo tudi pojav loma: spremembo smeri širjenja mehanskih valov med prehodom iz enega medija v drugega.
3. Difrakcija valov – odstopanje valov od pravolinijsko širjenje, se pravi, upogibajo se okoli ovir.
4. Motnje valov – seštevanje dveh valov. V prostoru, kjer se širi več valov, njihova interferenca vodi do pojava območij z najmanjšo in največjo vrednostjo amplitude nihanja.
Interferenca in difrakcija mehanskih valov.
Val, ki teče vzdolž gumijastega traku ali vrvice, se odbija od fiksnega konca; to ustvari val, ki potuje v nasprotni smeri.
Ko se valovi prekrijejo, lahko opazimo pojav motenj. Pojav interference se pojavi, ko se koherentni valovi prekrijejo.
skladno poklicalvaloviimajo enake frekvence, konstantno fazno razliko in nihanja se pojavljajo v isti ravnini.
motnje imenujemo stalen v času pojav medsebojnega ojačanja in oslabitve nihanj v različne točke medij kot posledica superpozicije koherentnih valov.
Rezultat superpozicije valov je odvisen od faz, v katerih se nihanja prekrivajo ena na drugo.
Če valovi iz virov A in B prispejo v točko C v istih fazah, se bodo nihanja povečala; če je v nasprotnih fazah, potem pride do oslabitve nihanj. Posledično se v vesolju oblikuje stabilen vzorec izmeničnih območij okrepljenih in oslabljenih nihanj.
Maksimalni in minimalni pogoji
Če nihanja točk A in B fazno sovpadajo in imajo enake amplitude, potem je očitno, da je nastali premik v točki C odvisen od razlike med potmi obeh valov.
Maksimalni pogoji
Če je razlika med potmi teh valov enaka celemu številu valov (tj. sodo število polovičnih valov) Δd = kλ , kje k= 0, 1, 2, ..., potem nastane interferenčni maksimum na točki superpozicije teh valov.
Maksimalno stanje
: 
A = 2x0.
Minimalno stanje
Če je razlika poti teh valov enaka neparnemu številu polovičnih valov, potem to pomeni, da bodo valovi iz točk A in B prišli v točko C v protifazi in se med seboj izničili.
Minimalni pogoj:
Amplituda nastalega nihanja A = 0.
Če Δd ni enak celemu številu polovičnih valov, potem je 0< А < 2х 0 .
Difrakcija valov.
Pojav odmika od premočrtnega širjenja in zaokroževanja ovir z valovi se imenujedifrakcija.
Razmerje med valovno dolžino (λ) in velikostjo ovire (L) določa obnašanje vala. Difrakcija je najbolj izrazita pri vpadni valovni dolžini več velikosti ovire. Poskusi kažejo, da difrakcija vedno obstaja, vendar postane opazna pod tem pogojem d<<λ , kjer je d velikost ovire.
Difrakcija je skupna lastnost valov katere koli narave, ki se vedno pojavlja, vendar so pogoji za njeno opazovanje različni.
Val na vodni gladini se širi proti dovolj veliki oviri, za katero nastane senca, t.j. ni opaziti nobenega valovnega procesa. Ta lastnost se uporablja pri gradnji valobranov v pristaniščih. Če je velikost ovire primerljiva z valovno dolžino, bo za oviro val. Za njim se širi val, kot da sploh ni ovire, t.j. opazimo difrakcijo valov.
Primeri manifestacije difrakcije . Slišati glasen pogovor za vogalom hiše, zvoke v gozdu, valove na površini vode.
stoječih valov
stoječih valov nastanejo s seštevanjem neposrednih in odbitih valov, če imajo enako frekvenco in amplitudo.
V struni, pritrjeni na obeh koncih, nastanejo kompleksne vibracije, ki jih lahko obravnavamo kot rezultat superpozicije ( superpozicije) dva vala, ki se širita v nasprotnih smereh in doživljata odboj in ponovni odboj na koncih. Vibracije strun, pritrjenih na obeh koncih, ustvarjajo zvoke vseh strunskih glasbil. Zelo podoben pojav se pojavi pri zvoku pihalnih inštrumentov, tudi orgelskih cevi.
vibracije strun. V napeti struni, pritrjeni na obeh koncih, ko se vzbujajo prečne vibracije, stoječih valov , vozli pa naj bodo nameščeni na mestih, kjer je vrvica pritrjena. Zato je struna vznemirjena z opazna intenzivnost samo takšne vibracije, katerih polovica valovne dolžine se celo število krat prilega dolžini strune.
To pomeni pogoj 
Valovne dolžine ustrezajo frekvencam 
n = 1, 2, 3...Frekvence vn poklical naravne frekvence strune.
Harmonične vibracije s frekvencami vn poklical lastne ali običajne vibracije . Imenujejo jih tudi harmoniki. Na splošno je vibracija strune superpozicija različnih harmonikov.
Enačba stoječega valovanja :
Na točkah, kjer koordinate izpolnjujejo pogoj 
(n= 1, 2, 3, ...), je skupna amplituda enaka največji vrednosti - to antinodi
stoječi val. Koordinate protinod
: 
Na točkah, katerih koordinate izpolnjujejo pogoj
(n= 0, 1, 2,…), je skupna amplituda nihanja enaka nič – tole vozlišča stoječi val. Koordinate vozlišča: 
Nastajanje stoječih valov opazimo, ko potujoči in odbiti valovi interferirajo. Na meji, kjer se val odbije, dobimo protinod, če je medij, iz katerega se odboj, manj gosto (a), in vozel, če je bolj gosto (b).
Če upoštevamo potujoči val , nato v smeri njegovega širjenja energija se prenaša oscilatorno gibanje. Kdaj enako ni stoječega vala prenosa energije , Ker vpadni in odbiti valovi enake amplitude nosijo enako energijo v nasprotnih smereh.
Stoječi valovi nastanejo na primer v struni, napeti na obeh koncih, ko se v njej vzbujajo prečne vibracije. Poleg tega so na mestih pritrditve vozlišča stoječega vala.
Če se v zračnem stebru, ki je na enem koncu odprt (zvočni val), vzpostavi stoječi val, se na odprtem koncu oblikuje protinod, na nasprotnem koncu pa vozel.
valovni proces- proces prenosa energije brez prenosa snovi.
mehanski val- motnja, ki se širi v elastičnem mediju.
Prisotnost elastičnega medija je nujen pogoj za širjenje mehanskih valov.
Prenos energije in zagona v mediju nastane kot posledica interakcije med sosednjimi delci medija.
Valovi so vzdolžni in prečni.
Vzdolžni mehanski val - val, pri katerem se gibanje delcev medija pojavi v smeri širjenja valov. Prečni mehanski val - val, pri katerem se delci medija premikajo pravokotno na smer širjenja valov.
Vzdolžni valovi se lahko širijo v katerem koli mediju. Prečni valovi se ne pojavljajo v plinih in tekočinah, saj so
ni fiksnih položajev delcev.
Občasno zunanje delovanje povzroča periodične valove.
harmonično valovanje- val, ki ga ustvarjajo harmonične vibracije delcev medija.
Valovna dolžina- razdalja, po kateri se val širi v obdobju nihanja njegovega vira:
mehanska hitrost valovanja- hitrost širjenja motenj v mediju. Polarizacija je urejanje smeri nihanja delcev v mediju.
Ravnina polarizacije- ravnina, v kateri delci medija vibrirajo v valu. Linearno polariziran mehanski val je val, katerega delci nihajo vzdolž določene smeri (črte).
polarizator- naprava, ki oddaja val določene polarizacije.
stoječi val- val, ki nastane kot posledica superpozicije dveh harmoničnih valov, ki se širita drug proti drugemu in imata enako obdobje, amplitudo in polarizacijo.
Antinode stoječega vala- položaj točk z največjo amplitudo nihanja.
Vozli stoječega vala- negibljive točke vala, katerih amplituda nihanja je enaka nič.
Na dolžini l vrvice, pritrjene na koncih, se prilega celo število n polvalov prečnih stoječih valov:
Takšni valovi se imenujejo načini nihanja.
Način nihanja za poljubno celo število n > 1 se imenuje n-ti harmonik ali n-ti prizvok. Način nihanja za n = 1 se imenuje prvi harmonski ali osnovni nihajni način. zvočni valovi- elastični valovi v mediju, ki povzročajo slušne občutke pri človeku.
Frekvenca nihanja, ki ustreza zvočnim valovom, je v območju od 16 Hz do 20 kHz.
Hitrost širjenja zvočnih valov je določena s hitrostjo prenosa interakcije med delci. Hitrost zvoka v trdnem v p je praviloma večja od hitrosti zvoka v tekočini v l, ki pa presega hitrost zvoka v plinu v g.
Zvočni signali so razvrščeni po višini, tembru in glasnosti. Višina zvoka je določena s frekvenco vira zvočnih vibracij. Višja kot je frekvenca nihanja, višji je zvok; nizkofrekvenčne vibracije ustrezajo nizkim zvokom. Zvok zvoka je določen z obliko zvočnih vibracij. Razlika v obliki vibracij, ki imajo enako obdobje, je povezana z različnimi relativnimi amplitudami osnovnega načina in prizvoka. Za glasnost zvoka je značilna stopnja jakosti zvoka. Intenzivnost zvoka - energija zvočnih valov, ki padejo na površino 1 m 2 v 1 s.
Valovi. Splošne lastnosti valov.val - to je pojav širjenja v prostoru skozi čas spremembe (motnje) fizikalne količine, ki s seboj nosi energijo.
Ne glede na naravo valovanja se prenos energije zgodi brez prenosa snovi; slednje se lahko pojavi le kot stranski učinek. Prenos energije- temeljna razlika med valovi in nihanji, pri katerih se pojavljajo le "lokalne" energetske transformacije. Valovi praviloma lahko prepotujejo precejšnje razdalje od kraja izvora. Zaradi tega se valovi včasih imenujejo " vibracije, ločene od oddajnika».
Valove je mogoče razvrstiti
Po svoji naravi:
Elastični valovi - valovi, ki se širijo v tekočih, trdnih in plinastih medijih zaradi delovanja elastičnih sil.
Elektromagnetni valovi- širjenje v prostoru motnje (sprememba stanja) elektromagnetnega polja.
Valovi na površini tekočine- konvencionalno ime za različne valove, ki se pojavljajo na meji med tekočino in plinom ali tekočino in tekočino. Valovi na vodi se razlikujejo po temeljnem mehanizmu nihanja (kapilarni, gravitacijski itd.), kar vodi do različnih zakonov disperzije in posledično do različno obnašanja teh valov.
Glede na smer nihanja delcev medija:
vzdolžni valovi - delci medija nihajo vzporedno v smeri širjenja valov (kot na primer v primeru širjenja zvoka).
Prečni valovi - delci medija nihajo pravokotno smer širjenja valov (elektromagnetno valovanje, valovanje na površinah ločevanja medijev).
a - prečno; b - vzdolžno.
mešani valovi.
Glede na geometrijo valovne fronte:
Valovna površina (valovna fronta) je lokus točk, do katerih je motnja dosegla določen trenutek. V homogenem izotropnem mediju je hitrost širjenja valov enaka v vseh smereh, kar pomeni, da vse točke fronte nihajo v isti fazi, fronta je pravokotna na smer širjenja valovanja in vrednosti nihanja količine na vseh točkah sprednje strani so enake.
stanovanje valovno-fazne ravnine so pravokotne na smer širjenja valov in vzporedne med seboj.
sferična val - površina enakih faz je krogla.
Cilindrična val - površina faz spominja na valj.
Spiralna val - nastane, če se sferični ali valjasti vir / viri vala v procesu sevanja premika po določeni zaprti krivulji.
ravninski val
Val imenujemo ploščat, če so njegove valovne površine ravnine, ki so vzporedne ena z drugo, pravokotno na fazno hitrost vala. = f(x, t)).
Poglejmo si ravno monokromatski (enofrekvenčni) sinusoidni val, ki se širi v homogenem mediju brez slabljenja vzdolž osi X.
,kje
Fazna hitrost valovanja je hitrost valovne površine (spredaj),
- amplituda valovanja - modul največjega odstopanja spremenljive vrednosti od ravnotežnega položaja,
– ciklična frekvenca, T – obdobje nihanja, – frekvenca valov (podobno kot nihanje)
k - valovno število, ima pomen prostorske frekvence,
Druga značilnost vala je valovna dolžina m, to je razdalja, po kateri se val širi med enim obdobjem nihanja, ima pomen prostorske dobe, to je najkrajša razdalja med točkami, ki nihajo v eni fazi. 
y 
Valovna dolžina je povezana z valovnim številom z razmerjem , ki je podobna časovnemu razmerju
Valovna številka je povezana s ciklično frekvenco in hitrostjo širjenja valov
x
y
y 
Na slikah sta prikazana oscilogram (a) in posnetek (b) vala z označenimi časovnimi in prostorskimi obdobji. Za razliko od stacionarnih nihanj imajo valovi dve glavni značilnosti: časovno periodičnost in prostorsko periodičnost.
Splošne lastnosti valov:
Valovi nosijo energijo.
2. Valovi izvajajo pritisk na telesa (imajo zagon).
3. Hitrost valovanja v mediju je odvisna od frekvence valovanja – disperzije.Tako se valovi različnih frekvenc širijo v istem mediju z različno hitrostjo (fazno hitrostjo). 
4. Valovi se upogibajo okoli ovir – difrakcija.
Difrakcija se pojavi, ko je velikost ovire primerljiva z valovno dolžino.
5. Na vmesniku med dvema medijema se valovi odbijajo in lomijo.
Vpadni kot je enak kotu odboja, razmerje med sinusom vpadnega kota in sinusom lomnega kota pa je za ta dva medija konstantna vrednost.
6. Ko se koherentni valovi prekrijejo (fazna razlika teh valov v kateri koli točki je konstantna v času), interferirajo – nastane stabilen vzorec interferenčnih minimumov in maksimumov. 
Valovi in viri, ki jih vzbujajo, se imenujejo koherentni, če fazna razlika valov ni odvisna od časa. Valovi in viri, ki jih vzbujajo, se imenujejo nekoherentni, če se fazna razlika valov spreminja s časom.
Interferirajo lahko samo valovi enake frekvence, pri katerih se nihanja pojavljajo v isti smeri (t.j. koherentni valovi). Interferenca je lahko stacionarna ali nestacionarna. Samo koherentni valovi lahko dajo stacionarni interferenčni vzorec. Na primer, dva sferična vala na površini vode, ki se širita iz dveh koherentnih točkovnih virov, bosta ob interferenci ustvarila rezultantni val. Sprednji del nastalega vala bo krogla.
Ko se valovi vmešavajo, se njihove energije ne seštevajo. Interferenca valov vodi do prerazporeditve energije nihanja med različnimi tesno razporejenimi delci medija. To ni v nasprotju z zakonom o ohranjanju energije, ker je v povprečju za veliko območje prostora energija nastalega vala enaka vsoti energij motečih valov.
Ko se nekoherentni valovi prekrijejo, je povprečna vrednost kvadrata amplitude nastalega vala enaka vsoti kvadratov amplitud superponiranih valov. Energija nastalih nihanj vsake točke medija je enaka vsoti energij njegovih nihanj, zaradi vseh nekoherentnih valov posebej.
7. Medij absorbira valove. Z oddaljenostjo od vira se amplituda vala zmanjša, saj se energija vala delno prenese v medij.
8. Valovi so razpršeni v nehomogenem mediju.
Sipanje - motnje valovnih polj, ki nastanejo zaradi nehomogenosti medija in razpršitvenih predmetov, ki so v tem mediju. Intenzivnost sipanja je odvisna od velikosti nehomogenosti in frekvence valovanja.
mehanskih valov. Zvok. Zvočna značilnost .
val- motnja, ki se širi v prostoru.
Splošne lastnosti valov:
prenašajo energijo;
imeti zagon (pritisk na telesa);
na meji dveh medijev se odbijajo in lomijo;
absorbira okolje;
difrakcija;
motnje;
disperzija;
Hitrost valov je odvisna od medija, skozi katerega valovi prehajajo.
Mehanski (elastični) valovi.
Poseben primer mehanskih valov - valovi na površini tekočine, valovi, ki nastanejo in se širijo po prosti površini tekočine ali na meji med dvema tekočinama, ki se ne mešata. Nastanejo pod vplivom zunanjega vpliva, zaradi česar se površina tekočine odstrani iz ravnotežnega stanja. V tem primeru nastanejo sile, ki vzpostavijo ravnovesje: sile površinske napetosti in gravitacije.
Mehanski valovi so dveh vrst
Vzdolžni valovi, ki jih spremljajo natezna in tlačna deformacija, se lahko širijo v vseh elastičnih medijih: plinih, tekočinah in trdnih snoveh. Prečni valovi se širijo v tistih medijih, kjer se med strižno deformacijo pojavijo elastične sile, torej v trdnih snoveh.
Za prakso so zelo zanimivi preprosti harmonični ali sinusni valovi. Enačba ravnega sinusnega vala je:
- tako imenovani valovno število ,
– krožna frekvenca ,
AMPAK - amplituda nihanja delcev.
Slika prikazuje "posnetke" prečnega vala v dveh časovnih točkah: t in t + Δt. V času Δt se je val premaknil vzdolž osi OX za razdaljo υΔt. Takšni valovi se imenujejo potujoči valovi.
Valovna dolžina λ je razdalja med dvema sosednjima točkama na osi OX, ki nihata v istih fazah. Na razdalji, ki je enaka valovni dolžini λ, val teče skozi obdobje T, torej
λ = υT, kjer je υ hitrost širjenja valov.
Za katero koli izbrano točko na grafu valovnega procesa (na primer za točko A) se x-koordinata te točke spreminja s časom t in vrednost izraza ωt – kx se ne spremeni. Po časovnem intervalu Δt se bo točka A premaknila vzdolž osi OX za določeno razdaljo Δx = υΔt. torej: ωt – kx = ω(t + Δt) – k(x + Δx) = konst ali ωΔt = kΔx.
To pomeni:
Tako ima potujoči sinusni val dvojno periodičnost – v času in prostoru. Časovno obdobje je enako obdobju nihanja T delcev medija, prostorsko obdobje je enako valovni dolžini λ. Valovno število je prostorski analog krožne frekvence.
Zvok.
Vsak nihajni proces je opisan z enačbo. Izveden je bil tudi za zvočne vibracije:
Osnovne značilnosti zvočnih valov
|
Subjektivna percepcija zvoka (glasnost, višina, tember) |
Objektivne fizikalne značilnosti zvoka (hitrost, intenzivnost, spekter) |
Hitrost zvoka v katerem koli plinastem mediju se izračuna po formuli:
β - adiabatska stisljivost medija,
ρ - gostota.
Uporaba zvoka
Sonarji, ki se uporabljajo pod vodo, se imenujejo sonar ali sonar (ime sonar je sestavljeno iz začetnih črk treh angleških besed: zvok - zvok; navigacija - navigacija; doseg - doseg). Sonari so nepogrešljivi za preučevanje morskega dna (njenega profila, globine), za odkrivanje in preučevanje različnih predmetov, ki se premikajo globoko pod vodo. Z njihovo pomočjo je mogoče zlahka odkriti tako posamezne velike predmete ali živali, kot tudi jate majhnih rib ali mehkužcev.
Ultrazvočni valovi se pogosto uporabljajo v medicini za diagnostične namene. Ultrazvočni skenerji vam omogočajo, da pregledate notranje organe osebe. Ultrazvočno sevanje je za ljudi manj škodljivo kot rentgenski žarki.
Elektromagnetni valovi.
Njihove lastnosti.
elektromagnetno valovanje je elektromagnetno polje, ki se sčasoma širi v prostoru.
Elektromagnetne valove je mogoče vzbuditi le s hitro premikajočimi se naboji.
Obstoj elektromagnetnih valov je leta 1864 teoretično napovedal veliki angleški fizik J. Maxwell. Predlagal je novo razlago Faradayevega zakona elektromagnetne indukcije in svoje ideje še naprej razvijal.
Vsaka sprememba magnetnega polja ustvari vrtinčno električno polje v okoliškem prostoru, časovno spremenljivo električno polje ustvari magnetno polje v okoliškem prostoru.
Slika 1. Izmenično električno polje generira izmenično magnetno polje in obratno
Lastnosti elektromagnetnih valov na podlagi Maxwellove teorije:
Elektromagnetni valovi prečno – vektorji in so pravokotni drug na drugega in ležijo v ravnini, pravokotni na smer širjenja.
Slika 2. Širjenje elektromagnetnega valovanja
Električno in magnetno polje v potujočem valu se spreminjata v eni fazi.
Vektorji v potujočem elektromagnetnem valu tvorijo tako imenovani desni triplet vektorjev.
Nihanja vektorjev in se pojavljajo v fazi: v istem trenutku, na eni točki v prostoru, projekcije jakosti električnega in magnetnega polj dosežejo maksimum, minimum ali nič.
Elektromagnetno valovanje se širi v snovi s končna hitrost
Kjer je - dielektrična in magnetna prepustnost medija (od njih je odvisna hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja v mediju),
Električne in magnetne konstante.
Hitrost elektromagnetnih valov v vakuumu
Gostota pretoka elektromagnetne energije
ozintenzivnost
J
imenujemo elektromagnetna energija, ki jo val prenaša na enoto časa skozi površino enote površine:
,
Če tukaj zamenjamo izraza za , in υ ter upoštevamo enakost volumetričnih gostot energije električnega in magnetnega polja v elektromagnetnem valu, lahko dobimo:
Elektromagnetni valovi so lahko polarizirani.
Prav tako elektromagnetno valovanje imajo vse osnovne lastnosti valov : nosijo energijo, imajo zagon, se odbijajo in lomijo na meji med dvema medijema, absorbirajo jih medij, kažejo lastnosti disperzije, uklona in interference.
Hertz eksperimenti (eksperimentalno odkrivanje elektromagnetnih valov)
Prvič so eksperimentalno preučevali elektromagnetno valovanje
Hertz leta 1888. Razvil je uspešno zasnovo generatorja elektromagnetnih nihanj (Hertz vibrator) in metodo za njihovo detekcijo z resonančno metodo.
Vibrator je bil sestavljen iz dveh linearnih prevodnikov, na koncih katerih so bile kovinske kroglice, ki tvorijo iskriško režo. Ko je bila od indukcije do trupa priložena visoka napetost, je v režo preskočila iskra, ki je skrajšala režo. Med njegovim gorenjem je v krogu prišlo do velikega števila nihanj. Sprejemnik (resonator) je bil sestavljen iz žice z iskriško režo. Prisotnost resonance se je izrazila v pojavu isker v iskriščih resonatorja kot odgovoru na iskro, ki nastane v vibratorju.
Tako so Hertzovi poskusi zagotovili trdno podlago za Maxwellovo teorijo. Izkazalo se je, da so se elektromagnetni valovi, ki jih je napovedal Maxwell, uresničili v praksi.
NAČELA RADIJSKIH KOMUNIKACIJ
Radijska komunikacija prenos in sprejem informacij z uporabo radijskih valov.
24. marca 1896 je Popov na sestanku Oddelka za fiziko Ruskega fizikalno-kemijskega društva s svojimi instrumenti nazorno pokazal prenos signalov na razdalji 250 m in oddal prvi na svetu dvobesedni radiogram "Heinrich Hertz".
SHEMA SPREJEMNIKA A.S. POPOV
Popov je uporabljal radiotelegrafsko komunikacijo (prenos signalov različnega trajanja), takšno komunikacijo je mogoče izvesti le s kodo. Kot vir radijskih valov je bil uporabljen oddajnik iskre z vibratorjem Hertz, kot sprejemnik pa je služil koherer, steklena cev s kovinskimi opilki, katere upor ob udarcu elektromagnetnega vala pade stokrat. Za povečanje občutljivosti kohererja so enega od njegovih koncev ozemljili, drugega pa priključili na žico, dvignjeno nad Zemljo, pri čemer je skupna dolžina antene znašala četrtino valovne dolžine. Signal oddajnika iskre hitro upada in ga ni mogoče prenašati na velike razdalje.
Radiotelefonske komunikacije (govor in glasba) uporabljajo visokofrekvenčni moduliran signal. Nizko (zvočni) signal prenaša informacije, vendar se praktično ne oddaja, visokofrekvenčni signal pa se dobro oddaja, vendar ne prenaša informacij. Modulacija se uporablja za radiotelefonske komunikacije.
Modulacija - postopek vzpostavitve ujemanja med parametri VF in NF signala.
V radijskem inženiringu se uporablja več vrst modulacij: amplituda, frekvenca, faza.
Amplitudna modulacija - sprememba amplitude nihanj (električnih, mehanskih itd.), ki se pojavljajo pri frekvenci, ki je veliko nižja od frekvence samih nihanj.
Visokofrekvenčno harmonično nihanje ω je amplitudno modulirano z nizkofrekvenčnim harmonskim nihanjem Ω (τ = 1/Ω je njegova doba), t je čas, A je amplituda visokofrekvenčnega nihanja, T je njegova perioda.
Shema radijske komunikacije z uporabo AM signala
AM oscilator
Amplituda RF signala se spreminja glede na amplitudo LF signala, nato modulirani signal oddaja oddajna antena.
V radijskem sprejemniku sprejemna antena sprejema radijske valove, v nihajnem krogu se zaradi resonance izbere in ojača signal, na katerega je uglašeno vezje (nosilna frekvenca oddajne postaje), nato pa nizkofrekvenčna komponenta signala je treba izbrati.
Radio detektor
Odkrivanje – proces pretvorbe visokofrekvenčnega signala v nizkofrekvenčni signal. Signal, prejet po zaznavi, ustreza zvočnemu signalu, ki je deloval na mikrofon oddajnika. Po ojačanju se lahko nizkofrekvenčne vibracije spremenijo v zvok.
Detektor (demodulator)
Dioda se uporablja za popravljanje izmeničnega toka
a) AM signal, b) zaznan signal
RADAR
Imenuje se zaznavanje in natančno določanje lokacije predmetov in hitrosti njihovega gibanja z uporabo radijskih valov radar . Načelo radarja temelji na lastnosti odboja elektromagnetnih valov od kovin.
1 - vrtljiva antena; 2 - antensko stikalo; 3 - oddajnik; 4 - sprejemnik; 5 - skener; 6 - indikator razdalje; 7 - smerni kazalnik.
Za radar se uporabljajo visokofrekvenčni radijski valovi (VHF), z njihovo pomočjo se zlahka oblikuje usmerjeni žarek in je moč sevanja velika. V metrskem in decimetrskem območju - mrežasti sistemi vibratorjev, v centimetrskem in milimetrskem območju - parabolični oddajniki. Lokacijo lahko izvedemo tako v neprekinjenem (za zaznavanje cilja) kot v impulznem (za določitev hitrosti predmeta) načinu.
Področja uporabe radarja:
Letalstvo, astronavtika, mornarica: prometna varnost ladij v vsakem vremenu in ob vsakem času dneva, preprečevanje njihovega trčenja, varnost pri vzletu itd. pristanki letal.
Bojstvo: pravočasno odkrivanje sovražnikovih letal ali raket, samodejno prilagajanje protiletalskega ognja.
Planetarni radar: merjenje razdalje do njih, določanje parametrov njihovih orbit, določanje obdobja vrtenja, opazovanje topografije površine. V nekdanji Sovjetski zvezi (1961) - radar Venere, Merkurja, Marsa, Jupitra. V ZDA in na Madžarskem (1946) - poskus sprejemanja signala, ki se odbija od površine lune.
Telekomunikacijska shema v osnovi sovpada s shemo radijske komunikacije. Razlika je v tem, da se poleg zvočnega signala prenašajo slika in krmilni signali (sprememba vrstice in okvirja) za sinhronizacijo delovanja oddajnika in sprejemnika. V oddajniku se ti signali modulirajo in prenašajo, v sprejemniku jih antena pobere in gre v obdelavo, vsak po svoji poti.
Razmislite o eni od možnih shem za pretvorbo slike v elektromagnetna nihanja z ikonoskopom:
S pomočjo optičnega sistema se slika projicira na mozaični zaslon, zaradi fotoelektričnega učinka zaslonske celice pridobijo drugačen pozitiven naboj. Elektronska pištola generira elektronski žarek, ki potuje po zaslonu in odvaja pozitivno nabite celice. Ker je vsaka celica kondenzator, sprememba naboja vodi do pojava spreminjajoče se napetosti - elektromagnetnega nihanja. Signal se nato ojača in dovede v modulacijsko napravo. V kineskopu se video signal pretvori nazaj v sliko (na različne načine, odvisno od principa delovanja kineskopa).
Ker televizijski signal nosi veliko več informacij kot radijski, se delo izvaja na visokih frekvencah (metri, decimetri).
Širjenje radijskih valov.
Radijski val - je elektromagnetno valovanje v območju (10 4
Vsak del tega obsega se uporablja tam, kjer je mogoče najbolje izkoristiti njegove prednosti. Radijski valovi različnih obsegov se širijo na različne razdalje. Širjenje radijskih valov je odvisno od lastnosti atmosfere. Močan vpliv na širjenje radijskih valov imajo tudi zemeljska površina, troposfera in ionosfera.
Širjenje radijskih valov- to je proces prenosa elektromagnetnih nihanj radijskega območja v vesolju z enega mesta na drugega, zlasti od oddajnika do sprejemnika.
Valovi različnih frekvenc se obnašajo različno. Podrobneje razmislimo o značilnostih širjenja dolgih, srednjih, kratkih in ultrakratkih valov.
Širjenje dolgih valov.
Dolgi valovi (>1000 m) se širijo:
Na razdaljah do 1-2 tisoč km zaradi difrakcije na sferični površini Zemlje. Sposoben iti naokoli Zemlja(Slika 1). Nato pride do njihovega širjenja zaradi vodilnega delovanja sferičnega valovoda, ne da bi se odbili.
riž. eno Kakovost povezave:
stabilnost sprejema. Kakovost sprejema ni odvisna od časa dneva, leta, vremenskih razmer.
Slabosti:
Zaradi močne absorpcije vala, ko se širi po zemeljski površini, sta potrebna velika antena in močan oddajnik.
Atmosferske razelektritve (strele) motijo.
Uporaba:
Domet se uporablja za radijsko oddajanje, za radiotelegrafijo, radionavigacijske storitve in za komunikacijo s podmornicami.
Obstaja majhno število radijskih postaj, ki oddajajo točne časovne signale in meteorološka poročila.
Srednji valovi ( =100..1000 m) se širijo:
Tako kot dolgi valovi se lahko upognejo okoli zemeljske površine.
Tako kot kratki valovi se lahko tudi večkrat odbijejo od ionosfere.
Kakovost povezave:
Kratek komunikacijski doseg. Srednje valovne postaje so slišne znotraj tisoč kilometrov. Obstaja pa visoka stopnja atmosferskih in industrijskih motenj.
Uporablja se za uradne in amaterske komunikacije, pa tudi predvsem za oddajanje.
Kratki valovi (=10..100 m) se širijo:
Večkrat se odbija od ionosfere in zemeljskega površja (slika 2)
Kakovost povezave:
Kakovost sprejema pri kratkih valovih je zelo odvisna od različnih procesov v ionosferi, povezanih s stopnjo sončne aktivnosti, letnim časom in dnevnim časom. Oddajniki velike moči niso potrebni. Za komunikacijo med zemeljskimi postajami in vesoljskimi plovili so neprimerne, saj ne prehajajo skozi ionosfero.
Uporaba:
Za komunikacijo na dolge razdalje. Za televizijsko, radijsko oddajanje in radijsko komunikacijo s premikajočimi se predmeti. Obstajajo oddelčne telegrafske in telefonske radijske postaje. Ta razpon je najbolj "naseljen".
Ultrakratki valovi (
Včasih se lahko odbijejo od oblakov, umetnih satelitov zemlje ali celo od lune. V tem primeru se lahko komunikacijski doseg nekoliko poveča.
Za sprejem ultrakratkih valov je značilna konstantnost slišnosti, odsotnost bledenja, pa tudi zmanjšanje različnih motenj.
Komunikacija na teh valovih je možna le na vidni razdalji L(slika 7).
Ker se ultrakratki valovi ne širijo čez obzorje, je treba zgraditi veliko vmesnih oddajnikov - repetitorjev.
Ponavljalec- naprava, ki se nahaja na vmesnih točkah radijskih komunikacijskih vodov, ki ojača prejete signale in jih oddaja naprej.
rele- sprejem signalov na vmesni točki, njihovo ojačanje in prenos v isto ali drugo smer. Retransmisija je zasnovana tako, da poveča komunikacijski doseg.
Obstajata dva načina prenosa: satelitski in prizemni.
Satelit:
Aktivni relejni satelit sprejme signal zemeljske postaje, ga ojača in prek močnega usmerjenega oddajnika pošlje signal na Zemljo v isto ali v drugo smer.
Tla:
Signal se posreduje prizemni analogni ali digitalni radijski postaji ali omrežju takšnih postaj, nato pa se pošlje naprej v isto smer ali v drugo smer.
1 - radijski oddajnik,
2 - oddajna antena, 3 - sprejemna antena, 4 - radijski sprejemnik.
Uporaba:
Kontakt umetni sateliti Zemlja in
VHF so razdeljeni na naslednje razpone:
metrski valovi - od 10 do 1 meter, ki se uporablja za telefonsko komunikacijo med ladjami, ladjami in pristaniškimi službami.
decimeter - od 1 metra do 10 cm, uporablja se za satelitsko komunikacijo.
centimeter - od 10 do 1 cm, ki se uporablja v radarju.
milimeter - od 1 cm do 1 mm, uporablja se predvsem v medicini.
Mehanskival v fiziki je to pojav širjenja motenj, ki ga spremlja prenos energije nihajočega telesa z ene točke na drugo brez transporta snovi, v nekem elastičnem mediju.
Medij, v katerem pride do elastične interakcije med molekulami (tekočina, plin oz trdna) je predpogoj za nastanek mehanskih motenj. Možni so le, ko se molekule snovi med seboj trčijo in prenašajo energijo. Eden od primerov takšnih motenj je zvok (akustični val). Zvok lahko potuje po zraku, vodi oz trdno telo vendar ne v vakuumu.
Za ustvarjanje mehanskega vala je potrebna nekaj začetne energije, ki bo medij spravila iz ravnotežja. To energijo bo nato val prenašal. Na primer, kamen, vržen v majhno količino vode, ustvari val na površini. Glasen krik ustvari zvočni val.
Glavne vrste mehanskih valov:
- Zvok;
- Na površini vode;
- potresi;
- potresni valovi.
Mehanski valovi imajo vrhove in padce kot vsi oscilatorna gibanja. Njihove glavne značilnosti so:
- Frekvenca. To je število nihanj na sekundo. Merske enote v SI: [ν] = [Hz] = [s -1].
- Valovna dolžina. Razdalja med sosednjimi vrhovi ali koriti. [λ] = [m].
- Amplituda. Največje odstopanje srednje točke od ravnotežnega položaja. [X max] = [m].
- Hitrost. To je razdalja, ki jo val prepotuje v sekundi. [V] = [m/s].
Valovna dolžina
Valovna dolžina je razdalja med najbližjimi točkami, ki nihajo v istih fazah.
Valovi se širijo v vesolju. Smer njihovega širjenja se imenuje žarek in označena s črto, pravokotno na valovno površino. In njihova hitrost se izračuna po formuli:
Meja valovne površine, ki ločuje del medija, v katerem se že pojavljajo nihanja, od dela medija, v katerem se nihanja še niso začela, - valspredaj.
Vzdolžni in prečni valovi
Eden od načinov za razvrstitev mehanske vrste valov je določitev smeri gibanja posameznih delcev medija v valovu glede na smer njegovega širjenja.
Glede na smer gibanja delcev v valovih so:
- prečnovalovi. Delci medija v tej vrsti valov nihajo pravokotno na valovni žarek. Valovanje v ribniku ali vibrirajoče strune kitare lahko pomagajo vizualizirati prečne valove. Ta vrsta nihanja se ne more širiti v tekočem ali plinastem mediju, ker se delci teh medijev gibljejo naključno in je nemogoče organizirati njihovo gibanje pravokotno na smer širjenja valov. Prečni tip valov se premika veliko počasneje kot vzdolžni.
- Vzdolžnovalovi. Delci medija nihajo v isti smeri kot se širi val. Nekateri tovrstni valovi se imenujejo kompresijski ali kompresijski valovi. Vzdolžne vibracije vzmeti – periodične stiske in raztegovanja – zagotavljajo dobro vizualizacijo takšnih valov. Vzdolžni valovi so najhitrejši valovi mehanskega tipa. Zvočni valovi v zraku, cunamiji in ultrazvok so vzdolžni. Ti vključujejo določeno vrsto potresnih valov, ki se širijo pod zemljo in v vodi.
Nalaganje...