FALE
Zakłócenie mechaniczne wywołane w pewnym miejscu ośrodka ciągłego
(gaz, ciecz lub ciało stałe) będzie się rozprzestrzeniało w tym ośrodku w
postaci fal bieżących. Gdy zakłócenie ma charakter drgań harmonicznych,
powstanie fala sinusoidalna.
y = A sin
ω
t (w punkcie x = 0)
w punkcie odległym o x przesunięcie
fazowe
ϕ
∼ x,
ϕ
= kx (opóźnienie)
y = A sin(
ω
t - kx)
Jeśli x =
λ
, to
ϕ
= 2
π
2
π = kπ
k =
liczba falowa
Podstawiając
ω
=
y = A sin2
π (
)
Równanie fali bieżącej (harmonicznej)
2π
λ
2
π
T
t
T
x
−
λ
Zaburzenie przesunie się o x =
λ
w czasie t = T, tzn. prędkość
przemieszczenia się zaburzenia w danej fazie (np. grzbietu fali,
zaznaczonego
x na rysunku):
v =
=
λ
f
prędkość fali
(prędkość fazowa)
T =
⇒
v =
ω
=
y = A sin
(t -
) = A sin
ω
(t -
)
Przykład:
Wyznaczyć prędkość v fali opisanej równaniem :
y = A sin (Bx + Ct)
z porównania : B = -
ω
/v i C =
ω
czyli v = -
λ
T
2π
ω
λ
2π
ω
k
2
π
T
xT
λ
x
V
C
B
W ośrodkach sprężystych mogą rozchodzić się fale:
podłużne
, polegające na periodycznej zmianie gęstości ośrodka; kierunek
drgań jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali; zależą od modułu
ś
ciśliwości ośrodka;
poprzeczne
, polegają na zmianie kształtu ciała; drgania zachodzą w
kierunku prostopadłym do kierunku fali; zależą od modułu sztywności
(możliwe tylko w ośrodkach mających sprężystość postaci - ciałach stałych;
wyjątek - powierzchnia cieczy).
Zakłada się, że zaburzenie ośrodka wywołane rozchodzącą się falą można
opisać odpowiednim prawem Hooke'a.
Odkształcenie objętości
, pod wpływem ciśnienia p (siły skierowane
prostopadle do powierzchni ciała):
p = - K
(prawo Hooke
’
a dla odkształcenia objętości)
K - moduł ściśliwości (sprężystości objętościowej)
∆V
V
Odkształcenie postaci
, pod wpływem siły stycznej do powierzchni ciała
(ciśnienie styczne
τ)
τ
= G
α
(prawo Hooke
’
a dla odkształcenia postaci)
G - moduł sztywności;
τ
=
;
F - siła styczna do powierzchni s
Powyższe dwa rodzaje odkształceń
są
od siebie niezależne (tzn.
odkształcenia podstawowe). Związane z nimi jest
rozciąganie i ściskanie
(odkształcenie wymiaru liniowego)
.
σ
= E
(prawo Hooke
’
a dla odkształcenia liniowego)
E - moduł sprężystości na rozciąganie (moduł Younga);
σ
=
;
σ
- naprężenie
F - siła prostopadła do pola przekroju s
Rozciąganiu towarzyszy zmiana wymiarów poprzecznych.
F
s
∆l
l
F
s
Prędkość fali sprężystej.
Rozważmy falę podłużną w cieczy, wywołaną ruchem tłoka w rurze
wypełnionej cieczą.
p - ciśnienie cieczy
s - powierzchnia tłoka,
(p s - przyłożona siła)
u - prędkość ruchu tłoka
v - prędkość rozchodzenia
się zaburzenia w cieczy
ρ
- gęstość cieczy
Masa cieczy w ruchu :
m =
ρ
s v t
(s v t = v; objętość)
ta masa uzyskała od tłoka pęd: P = m u =
ρ
s v t u
Objętość cieczy w ruchu (v= s v t ) zmaleje o
∆V = s u t
więc z prawa Hooke
’
a :
∆p = K
= K
∆V
V
sut
svt
K
u
v
=
Przyrost ciśnienia wywołała siła F =
∆
p s ; ta siła również nadała pęd p
części cieczy (w ruchu); zatem z II-ej zasady dynamiki:
(F =
):
∆p s =
(
ρ
s v t u)
Po podstawieniu : K
s =
ρ
s v u ⇒ v =
Ogólnie v = -
wzór Newtona
M - odpowiedni moduł sprężystości
dP
dt
d
dt
u
v
K
ρ
M
ρ
Rozważmy dokładniej ruch cząsteczek ośrodka w którym rozchodzi
się fala sprężysta.
Oznaczymy wychylenie cząstki w chwili t w punkcie x przez
ξ
(ksi) (
ξ
jest funkcją zmiennych x i t)
Prędkość odkształcenia : u =
Prędkość rozchodzenia się zaburzenia: v =
Przyrost ciśnienia :
∆p =K
= K
inaczej dp = K
(*)
- pochodna cząstkowa funkcji
ξ
(x,t) po zmiennej x,
(traktujemy zmienną t jako stałą).
Siła wywołująca przyrost ciśnienia : F =
∆p s
Z II-ej zasady dynamiki (F = ma):
∆p s = m a
Element masy w ruchu : m =
ρ
s
∆x
Po podstawieniu:
∆p s =
ρ
s
∆x a
⇒
=
ρ
a; inaczej:
=
ρ
a
∆ξ
∆
t
∆
∆
x
t
U
V
∆ ξ
∆
x
δ ξ
δ
x
δ ξ
δ
x
∆
∆
p
x
δ
δ
p
x
Przyspieszenie: a =
=
;
Po podstawieniu : = p
(**)
Po zróżniczkowaniu równania (* ) po zmiennej x:
Po podstawieniu do równania (**)
=
inaczej
=
Prędkość fali: v =
⇒
v
2
=
⇒
=
δ
δ
u
t
δ 2ξ
δ
2
t
δ
δ
p
x
δ 2ξ
δ
2
t
δ
δ
δ ξ
δ
2
p
x
K
x
2
=
K
x
2
2
δ ξ
δ
ρ δ
ξ
δ
2
2
t
2
2
x
δ ξ
δ
ρ
K
δ
ξ
δ
2
2
t
K
ρ
K
ρ
ρ
K
1
v
2
Po podstawieniu:
Różniczkowe równanie
falowe
Równanie to stosuje się do wszystkich rodzajów fal, np. dźwiękowych,
fal sprężystych na strunie, fal na wodzie, fal elektromagnetycznych.
Równanie y = A sin2
π(
) jest rozwiązaniem różniczkowego
równania falowego (dla fali poprzecznej:
ξ
= y)
t
T
x
−
λ
2
2
2
2
2
δ ξ
δ ξ
=
1 δ ξ
δ
v
t
x
2
Interferencja fal
Zasada niezakłóconej superpozycji
: każdy ciąg fal rozchodzi się tak,
jakby nie było innych ciągów fal; punkt do którego dochodzą
jednocześnie różne fale, ulega wychyleniu będącemu sumą wychyleń
wywołanych przez poszczególne fale.
Niezakłócone nakładanie się fal nazywamy interferencją:
Rozpatrzmy nakładanie dwu fal o tej samej częstotliwości i amplitudzie,
lecz o różnych fazach (gdy np. ich źródła znajdują się w różnych
odległościach, x
1
i x
2
):
y
1
= A sin 2
π (
)
y
2
= A sin 2
π (
)
t
T
x
1
−
λ
t
T
x
2
−
λ
po nałożeniu : y= y
1
+ y
2
= A[(sin2
π (
+ sin2
π (
)]
ponieważ: sin
α + sinβ = 2 sin
cos
y = 2Asin
π(
)cos
π(
) =
= 2Asin2
π(
)
Oznaczmy : B = 2 A cos
π
i x =
y = B sin 2
π (
)
Amplituda B jest funkcją położenia. Wartość
maksymalną
(B =2 A) osiąga
dla: cos (
π
) = 1,
czyli :
= 0, 1, 2, 3, .....n, tzn. gdy różnica dróg jest wielokrotnością
długości fali : x
2
- x
1
= n
λ
.
t
T
x
1
−
λ
t
T
x
2
−
λ
1
2
α + β
(
)
1
2
α − β
(
)
t
T
x
t
T
x
1
2
−
+
−
λ
λ
t
T
x
t
T
x
1
2
−
−
+
λ
λ
t
T
x
x
2
)
x
x
1
2
2
1
−
+
−
λ
π
λ
cos
2
1
x
x
−
λ
1
2
x
x
2
+
t
T
x
−
λ
2
1
x
x
−
λ
−
+
2
1
x
x
−
λ
Wartość
minimalną
(B=0) osiąga dla cos(
π
) =0,
czyli
=
(2n+1), tzn. gdy różnica dróg jest nieparzystą
wielokrotnością połowy długości fali : x
2
- x
1
= (2n+1)
Gdy źródła dwóch fal są koherentne (tzn. zgodne w fazie lub o stałej
różnicy faz), punkty maksimum amplitudy i minimum amplitudy są
stałe – powstaje stały w czasie „obraz” interferencji.
2
1
x
x
−
λ
2
1
x
x
−
λ
1
2
λ
2
Fale stojące
- wynik interferencji dwóch fal o tej samej częstotliwości
(długości) i amplitudzie, ale rozchodzących się w przeciwnych
kierunkach.
y
1
= A sin 2
π
(
); y
2
= A sin 2
π
(
)
y = y
1
+ y
2
= 2A cos(
x) sin
ω
t
Równanie fali stojącej
W - węzły
St - strzałki
Amplituda: B = 2A cos (
x ) jest maksymalna (strzałka),
gdy: cos(
x ) = 1, czyli dla x = n
(n = 0, 1, 2, ....)
Amplituda jest minimalna, (węzły), gdy cos (
x ) = 0, czyli
dla x = (2n +1)
(n = 0, 1, 2, ...)
Położenie strzałek i węzłów nie zmienia się. Fala stojąca powstaje np.
przy odbiciu fal: gdy odbicie od środka gęstszego, na granicy tworzy
się węzeł; gdy od ośrodka rzadszego, na granicy tworzy się strzałka.
t
T
x
−
λ
t
T
x
+
λ
2π
λ
2
π
λ
2
π
λ
λ
2
2
π
λ
λ
4
Zasada Huygensa
Wszystkie punkty czoła fali wysyłają jednocześnie kuliste fale
elementarne, których interferencja daje falę obserwowaną.
Fala kołowa (kulista)
Fala płaska
Wydzielenie elementarnej fali
kulistej z czoła fali płaskiej
Zasada Huygensa pozwala na łatwe otrzymywanie dwu lub więcej
ź
ródeł koherentnych:
⇒
siatka dyfrakcyjna
Fale dźwiękowe
Każdy drgający przedmiot przekazuje drgania powietrzu i jest źródłem
fali dźwiękowej. Jeśli drgania mają stałą częstotliwość w granicach od
16 do 20 000 Hz
powstają dźwięki słyszalne przez człowieka.
Każde rozchodzące się zaburzenie okresowe można rozłożyć na sumę
fal harmonicznych (analiza Fouriera). Fala zawierająca tylko jedną
częstotliwość
jest tonem. Zaburzenie okresowe niesinusoidalne
(nieharmoniczne) tworzy dźwięk.
Ź
ródło dźwięku może być liniowe (struny, pręty drgające, słupy
powietrza), płaskie (membrany i płyty) i przestrzenne (pulsująca kula).
Prędkość fali podłużnej w gazie.
v =
; M - moduł ściśliwości gazu K:
∆
p = - K
Z prawa Boyle
,
a - Mariotte
,
a: pV = const.,
po zróżniczkowaniu:
Vdp + p dV = 0
czyli: dp = - p
⇒
(p = K) ⇒
v =
M
ρ
∆V
V
dV
V
p
ρ
Prawo Boyle
,
a-Mariotta jest słuszne dla procesów izotermicznych.
Zaburzenia ciśnienia w gazie przy rozchodzeniu się fal głosowych są tak
szybkie, że wskutek zbyt wolnej wymiany ciepła z otoczeniem warunek
izotermiczności nie jest spełniony. Lepszym przybliżeniem jest prawo
Poissona dla procesu adiabatycznego:
pV
κ
= const.
gdzie:
κ =
C
p
- molowe ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu
C
v
- molowe ciepło właściwe przy stałej objętości
po zróżniczkowaniu : V
κ
dp +
κ
pV
κ
-1
dV = 0
czyli : dp = -
κ
p
p
v
C
C
dV
V
Z porównania z prawem Hooke
’
a: p = - K
wynika, że iloczyn
κ
p
odpowiada modułowi ściśliwości dla gazu, więc z prawa Newtona :
v =
dV
V
p
κ
ρ
∆
Prędkość dźwięku w różnych ośrodkach nie zależy od częstotliwości, o ile
amplituda drgań nie jest zbyt duża.
Prędkość dźwięku w powietrzu zależy od temperatury, bo gęstość
powietrza
ρ
zmienia się z temperaturą.
v= v
o
gdzie v
o
jest prędkością dźwięku w T
o
= 273,16 K
T
T
o
Ośrodek
Prędkość
dźwięku (m/s)
Powietrze (0
o
C)
Wodór
Woda
Żelazo
Aluminium
Guma
340
1286
1450
5130
5100
54
Ciśnienie i natężenie dźwięku
Wykazaliśmy, że ciśnienie wywołane falą jest proporcjonalne do prędkości
odkształcenia u (str. 5):
∆p = - K
Jeśli równanie fali ma postać :
ξ
= A sin (
ω
t -
),
to: u =
∼ cos (
ω
t -
) i można wykazać, że ciśnienie wywołane falą:
∆p = ∆p
m
cos (
ω
t -
)
gdzie amplituda ciśnienia fali:
∆p
m
=
ρ
v
2
A
Ciśnienie zmienia się w sposób harmoniczny.
Najsłabszy słyszalny dźwięk o częstotliwości 1000 Hz ma amplitudę ciśnienia
∆p
m
= 2
x
10
-5
N/m
2
;
- najsilniejszy dźwięk jaki może znieść ucho człowieka ma
∆p
m
= 20 N/m
2
- bardzo mało w porównaniu z ciśnieniem atmosferycznym ok. 10
5
N/m
2
.
u
v
2
π
λ
x
d
dt
ξ
2
π
λ
x
2
π
λ
x
2
π
λ
Wykazaliśmy, że oscylator harmoniczny posiada energię drgań :
E =
k A
2
gdzie k = m
ω
2
inaczej : E =
m
ω
2
A
2
Jeśli oscylator jest źródłem fali dźwiękowej, to fala przenosi energię drgań
ź
ródła i wzór:
E =
m
ω
2
A
2
określa energię fali akustycznej zawartej w masie m.
Wówczas gęstość energii akustycznej E
a
:
E
a
=
=
ω
2
A
2
=
ρ ω
2
A
2
gdzie V - objętość
Na powierzchnię S prostopadłą do fali, pada w czasie t energia fali zawarta
w objętości:
V = S v t wynosząca :
E = V E
a
= S v t
ρ ω
2
A
2
tzn. moc wynosi : P =
= S v t
ρ ω
2
A
2
1
2
1
2
E
V
1
2
m
V
1
2
1
2
dE
dt
1
2
1
2
Natężeniem fali dźwiękowej I
nazywamy moc fali na jednostkę
powierzchni prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali:
I =
=
V
ρ ω
2
A
2
Najsłabszy słyszalny przez człowieka dźwięk ma I
o
∼ 10
-12
W/m
2
,
Najsilniejszy (dopuszczalny krótkotrwale) I
maks
= 1 W/m
2
.
Poziom natężenia dźwięku L
określa się w
decybelach
(dB):
L = 10 log (I/I
o
)
Dla najsłabszego słyszalnego dźwięku L = 0 dB;
dla najsilniejszego dopuszczalnego L = 120 dB
P
S
2
1
Zjawisko Dopplera
- występuje przy ruchu źródła fali (np. dźwiękowej)
względem obserwatora, lub obserwatora względem źródła; obserwator
odbiera fale o innej częstotliwości niż wysyłane.
Rozpatrzmy przypadek źródła zbliżającego się do obserwatora:
v
ź
- prędkość źródła
c- prędkość rozchodzenia
się fali
T - okres fali ( )
Gdy źródło nieruchome, fala oddala się od źródła w czasie T
o
odleglość:
λ
= cT.
Przy prędkości źródła v
ź
, odległość w czasie T wynosi:
λ
‘
=
λ
- v
ź
T.
1
f
Jakiej częstotliwości to odpowiada ?
f
’
=
=
=
dla
f
’
≈ f (1+
)
Obserwator odbiera
wyższą częstotliwość
, gdy źródło się zbliża.
Analogicznie gdy źródło się oddala:
f
’’
≈ f (1 -
)
Tzn. obserwator odbiera
niższą częstotliwość
.
ź
v
c
ź
v
c
c
λ
'
c
v T
λ
−
ź
c
cT v T
1
T
c
c v
f
c
c v
ź
ź
ź
−
−
−
=
−
v
c
1
ź
〈〈
Fale dźwiękowe niesłyszalne przez człowieka
Ultradźwięki
- fale dźwiękowe o częstotliwości większej od 20 kHz.
Wytwarzane np. z wykorzystaniem kryształów piezoelektrycznych (np.
kwarcu) - umieszczone w zmiennym polu elektrycznym drgają stając się
ź
ródłem fali ultradźwiękowej. Amplituda drgań
maksymalna, gdy
częstotliwość zmian pola elektrycznego jest równa częstotliwości własnej
drgań danego kryształu (rezonans).
Wiele ważnych zastosowań technicznych, m.in. pomiary głębokości
akwenów (morza), wykrywanie ławic ryb (echosondy), badania uszkodzeń
wewnętrznych
materiałów
(defektoskopia),
wytwarzanie
emulsji
z
niemieszalnych cieczy, usuwanie zanieczyszczeń np. szkła laboratoryjnego
(myjki ultradźwiękowe).
Infradźwięki
- fale dźwiękowe o częstotliwości
< 16 Hz, generowane przez
ź
ródła o wielkich rozmiarach (np. podłużne fale sejsmiczne)