Lista równań w teorii fal

Ten artykuł podsumowuje równania w teorii fal .

Definicje

Ogólne wielkości podstawowe

Fala może być podłużna , gdzie oscylacje są równoległe (lub antyrównoległe) do kierunku propagacji, lub poprzeczna , gdzie oscylacje są prostopadłe do kierunku propagacji. Oscylacje te charakteryzują się okresowo zmieniającym się w czasie przemieszczeniem w kierunku równoległym lub prostopadłym, a zatem chwilowa prędkość i przyspieszenie są również okresowe i zmienne w czasie w tych kierunkach. (pozorny ruch fali spowodowany kolejnymi oscylacjami cząstek lub pól wokół ich pozycji równowagi) rozchodzi się z prędkościami fazowymi i grupowymi równoległymi lub antyrównoległymi do kierunku propagacji, co jest wspólne dla fal podłużnych i poprzecznych. Poniżej oscylacyjne przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie odnoszą się do kinematyki w oscylujących kierunkach fali - poprzecznej lub podłużnej (opis matematyczny jest identyczny), prędkości grupowe i fazowe są odrębne.

Ilość (nazwy zwyczajowe) (Wspólne) symbole Jednostki SI Wymiar
Liczba cykli falowych N bezwymiarowy bezwymiarowy
(Oscylacyjne) przemieszczenie Symbol dowolnej wielkości zmieniającej się okresowo, np. h , x , y (fale mechaniczne), x , s , η (fale podłużne) I , V , E , B , H , D (elektromagnetyzm), u , U (fale świetlne ), ψ , Ψ , Φ (mechanika kwantowa). Większość ogólnych celów używa y , ψ , Ψ . Dla uogólnienia używa się tutaj litery A , którą można zastąpić dowolnym innym symbolem, ponieważ inne mają określone, powszechne zastosowania.


dla fal podłużnych, dla fal poprzecznych.

M [L]
(Oscylacyjna) amplituda przemieszczenia 0 Dowolny symbol ilości zwykle opatrzony indeksem 0, m lub max albo wielką literą (jeśli przesunięcie było pisane małymi literami). Tutaj dla ogólności stosuje się A i można je zastąpić. M [L]
(Oscylacyjna) amplituda prędkości 0 V , v , v m . Tutaj używa się v . 0 ms -1 [L][T] −1
Amplituda przyspieszenia (oscylacyjnego). 0 A , a , m _ . Tutaj stosuje się a . 0 ms -2 [L][T] −2

Pozycja przestrzenna Pozycja punktu w przestrzeni, niekoniecznie punktu na profilu fali lub jakiejkolwiek linii propagacji
d , r M [L]

0 Przemieszczenie profilu fali Wzdłuż kierunku propagacji odległość przebyta (długość drogi) przez jedną falę od punktu źródłowego r do dowolnego punktu w przestrzeni d (dla fal podłużnych lub poprzecznych)
L , re , r


M [L]
Kąt fazowy δ, ε, φ rad bezwymiarowy

Ogólne wielkości pochodne

Ilość (nazwy zwyczajowe) (Wspólne) symbole Definiowanie równania Jednostki SI Wymiar
Długość fali λ Ogólna definicja (uwzględniająca FM ):


W przypadku fal innych niż FM zmniejsza się to do:

M [L]
Liczba falowa, k -wektor, wektor falowy k , σ W użyciu są dwie definicje:


m -1 [L] −1
Częstotliwość f, v Ogólna definicja (uwzględniająca FM ):


W przypadku fal innych niż FM zmniejsza się to do:


W praktyce N jest ustawione na 1 cykl i t = T = okres czasu dla 1 cyklu, aby uzyskać bardziej użyteczną zależność:

Hz = s -1 [T] −1
Częstotliwość kątowa / pulsacja ω Hz = s -1 [T] −1
Prędkość oscylacyjna v , v t , v Fale podłużne:


Fale poprzeczne:

ms -1 [L][T] −1
Przyspieszenie oscylacyjne a , t _ Fale podłużne:


Fale poprzeczne:

ms -2 [L][T] −2
Różnica długości ścieżek między dwiema falami L , Δ L , Δ x , Δ r M [L]
Prędkość fazowa v str Ogólna definicja:


W praktyce sprowadza się do użytecznej postaci:

ms -1 [L][T] −1
(Wzdłużna) prędkość grupowa v g ms -1 [L][T] −1
Opóźnienie czasowe, opóźnienie czasowe/wyprzedzenie Δ t S [T]
Różnica w fazach δ , Δ ε , Δ ϕ rad bezwymiarowy
Faza Brak standardowego symbolu



Fizycznie; górny znak: propagacja fali w kierunku + r dolny znak: propagacja fali w kierunku − r


Kąt fazowy może być opóźniony, jeśli: ϕ > 0 lub prowadzić, jeśli: ϕ < 0.

rad bezwymiarowy

Relacja między analogami przestrzeni, czasu, kąta używanymi do opisu fazy:

Wskaźniki modulacji

Ilość (nazwy zwyczajowe) (Wspólne) symbole Definiowanie równania Jednostki SI Wymiar
Indeks AM :
godz. , godz. AM


A = amplituda nośnej A m = szczytowa amplituda składowej sygnału modulującego

bezwymiarowy bezwymiarowy
Indeks FM :
h FM


Δ f = maks. odchylenie częstotliwości chwilowej od częstotliwości nośnej f m = częstotliwość szczytowa składowej sygnału modulującego

bezwymiarowy bezwymiarowy
Indeks PM :
godzina popołudniowa

Δ ϕ = szczytowe odchylenie fazy

bezwymiarowy bezwymiarowy

Akustyka

Ilość (nazwy zwyczajowe) (Wspólne) symbole Definiowanie równania Jednostki SI Wymiar
Impedancja akustyczna Z

v = prędkość dźwięku, ρ = gęstość objętościowa ośrodka

kg m -2 s- 1 [M] [L] −2 [T] −1
Specyficzna impedancja akustyczna z

S = pole powierzchni

kg·s -1 [M] [T] −1
Poziom głośności β bezwymiarowy bezwymiarowy

równania

Poniżej n, m są dowolnymi liczbami całkowitymi ( Z = zbiór liczb całkowitych ); }

Stojące fale

Sytuacja fizyczna Nomenklatura równania
Częstotliwości harmoniczne f n = n-ta forma drgań, n-ta harmoniczna, (n-1)-ty alikwot

Rozchodzące się fale

Fale dźwiękowe

Sytuacja fizyczna Nomenklatura równania
Średnia moc fali 0 P = moc akustyczna ze względu na źródło
Natężenie dźwięku Ω = kąt bryłowy

Częstotliwość uderzeń akustycznych f 1 , f 2 = częstotliwości dwóch fal (prawie równe amplitudy)
Efekt Dopplera dla fal mechanicznych
  • V = prędkość fali dźwiękowej w ośrodku
  • f 0 = Częstotliwość źródła
  • f r = Częstotliwość odbiornika
  • v 0 = prędkość źródła
  • v r = Prędkość odbiornika

górne znaki wskazują na względne podejście, dolne znaki wskazują na względną recesję.

Kąt stożka Macha (naddźwiękowa fala uderzeniowa, boom dźwiękowy)
  • v = prędkość ciała
  • v s = lokalna prędkość dźwięku
  • θ = kąt między kierunkiem przemieszczania się a obwiednią stożkową nałożonych na siebie frontów falowych
Amplitudy ciśnienia akustycznego i przemieszczeń
  • 0 p = amplituda ciśnienia
  • 0 s = amplituda przemieszczenia
  • v = prędkość dźwięku
  • ρ = lokalna gęstość ośrodka
Funkcje falowe dla dźwięku Akustyczne bity

Funkcja przemieszczenia dźwięku

grzech ⁡

Fale grawitacyjne

Promieniowanie grawitacyjne dla dwóch orbitujących ciał na granicy niskiej prędkości.

Sytuacja fizyczna Nomenklatura równania
Promieniowana moc
  • P = moc promieniowana z systemu,
  • t = czas,
  • r = separacja między środkami masy
  • m 1 , m 2 = masy orbitujących ciał
Zanik promienia orbity
Żywotność orbity 0 r = początkowa odległość między orbitującymi ciałami

Superpozycja, interferencja i dyfrakcja

Sytuacja fizyczna Nomenklatura równania
Zasada superpozycji N = liczba fal
Rezonans
  • ω d = napędzająca częstotliwość kątowa (czynnik zewnętrzny)
  • ω nat = naturalna częstotliwość kątowa (oscylator)
Faza i interferencja
  • Δ r = różnica długości ścieżek
  • φ = różnica faz między dowolnymi dwoma kolejnymi cyklami fal

Konstruktywna ingerencja

Niszcząca ingerencja

Propagacja fali

Powszechne nieporozumienie występuje między prędkością fazową a prędkością grupową (analogicznie do środków masy i grawitacji). Zdarza się, że są równe w mediach niedyspersyjnych. W ośrodkach dyspersyjnych prędkość fazowa niekoniecznie jest taka sama jak prędkość grupowa. Prędkość fazowa zmienia się wraz z częstotliwością.

fazowa to szybkość , z jaką faza fali rozchodzi się w przestrzeni.
Prędkość grupowa to szybkość, z jaką rozchodzi się obwiednia fali, tj. zmiany amplitudy. Obwiednia fali to profil amplitud fali; wszystkie przemieszczenia poprzeczne są ograniczone przez profil obwiedni.

Intuicyjnie obwiednia fali jest „globalnym profilem” fali, który „zawiera” zmieniające się „profile lokalne wewnątrz profilu globalnego”. Każdy z nich rozchodzi się z zasadniczo różnymi prędkościami określonymi przez ważną funkcję zwaną relacją dyspersji . Użycie jawnej postaci ω ( k ) jest standardem, ponieważ prędkość fazowa ω / k i prędkość grupowa d ω / d k mają zwykle dogodną reprezentację za pomocą tej funkcji.

Sytuacja fizyczna Nomenklatura równania
Wyidealizowane media niedyspersyjne
  • p = (dowolny rodzaj) Naprężenia lub Presji,
  • ρ = Objętościowa gęstość masowa,
  • F = siła rozciągająca,
  • μ = liniowa gęstość masy ośrodka
Relacja dyspersji Forma niejawna

}

Modulacja amplitudy , AM
Modulacja częstotliwości , FM

Ogólne funkcje falowe

Równania falowe

Sytuacja fizyczna Nomenklatura Równanie falowe Ogólne rozwiązanie/a
Niedyspersyjne równanie fali w 3d A = amplituda jako funkcja położenia i czasu
Przebieg tłumiony wykładniczo
  • 0 A = Początkowa amplituda w czasie t = 0
  • b = parametr tłumienia
Równanie Kortewega – de Vriesa α = stała

Rozwiązania sinusoidalne równania fali 3D

N różnych fal sinusoidalnych


Złożona amplituda fali n


Wypadkowa złożona amplituda wszystkich N fal


Moduł amplitudy

Przemieszczenia poprzeczne są po prostu rzeczywistymi częściami złożonych amplitud.

Jednowymiarowe następstwa dla dwóch fal sinusoidalnych

Można wywnioskować, co następuje, stosując zasadę superpozycji do dwóch fal sinusoidalnych, używając tożsamości trygonometrycznych. Przydatne są wzory trygonometryczne dodawania kątów i sumy do iloczynu ; w bardziej zaawansowanych pracach stosuje się liczby zespolone i szeregi Fouriera oraz przekształcenia.

Funkcja falowa Nomenklatura Nałożenie Wynikowy
Stojąca fala
Bije
Koherentna interferencja

Zobacz też

przypisy

Źródła

Dalsza lektura