Новая волна (музыка)
- 1 year ago
- 0
- 0
Гармоническая волна — волна, при которой каждая точка колеблющейся среды или поле в каждой точке пространства совершает гармонические колебания .
В разных случаях при необходимости особо выделяется интересующий класс гармонических волн, например, плоская гармоническая волна , стоячая гармоническая волна и т. д. (см. ниже).
Источниками гармонических волн могут быть гармонические колебания , они также могут возбуждаться в какой-либо системе при взаимодействии её с гармонической волной.
Случай одномерного однородного пространства (или одномерной однородной среды) — наиболее прост.
В этом случае все виды гармонических волн сводятся к:
а также к конечным линейным комбинациям волн такого вида (для выражения произвольной действительной гармонической волн в этом случае достаточно смешать две волны первого вида или четыре второго; в случае более многомерного u добавляется по два таких слагаемых на каждую поляризацию).
Здесь A — постоянный (не зависящий от x и t ) коэффициент, природа и размерность которого совпадает с природой и размерностью поля u ; k , ω и φ 0 — также постоянные параметры, в рассматриваемом одномерном случае все они — действительные числа (в отличие от более многомерных, где k становится векторным — для плоских волн). A — есть амплитуда волны, k — волновое число, ω — (циклическая) частота и φ 0 — начальная фаза — то есть фаза волны при x = t = 0.
Во второй формуле A — (обычно) комплексное, амплитуду волны определяет его модуль | A |, а начальная фаза спрятана также в A в качестве его аргумента, поскольку
Так же, как стоячая волна выражается (как записано здесь) через две бегущих, так же и бегущая может быть выражена через две стоячих. Поэтому можно выбрать один из двух равноправных способов выражения произвольной гармонической волны в случае одномерного однородного пространства: через линейную комбинацию бегущих или линейную комбинацию стоячих волн. Это верно и для всех других случаев, хотя базисные волны, через линейную комбинацию которых выражается произвольная гармоническая волна, могут оказаться сложнее.
В случаях пространства размерностью больше единицы, даже если оно однородно, в принципе разнообразие возможных гармонических волн очень сильно возрастает. Однако есть два типа гармонических волн, которым следует уделить главное отдельное внимание.
Наиболее важным и часто встречающимся типом гармонических волн являются плоские гармонические волны (одномерные гармонические волны являются их одномерным частным случаем).
или
где, в отличие от одномерной волны — уже не действительное число, а вектор, называемый волновым вектором , размерность которого равна размерности пространства, а выражение означает скалярное произведения этого вектора с вектором , характеризующим точку пространства: .
Легко видеть, что если выбрать ось координат вдоль волнового вектора, плоская многомерная волна сводится к одномерной ( u вообще перестает зависеть от остальных координат, а от первой — зависит как одномерная гармоническая волна).
Так же, как и в одномерном случае, стоячие и бегущие гармонические волны одной частоты с одинаковым (быть может, с точностью до знака) волновым вектором, элементарно линейно выражаются друг через друга.
Поскольку с помощью преобразования Фурье (в текущем параграфе подразумевается, конечно, многомерное преобразование Фурье) практически любую функцию пространственных координат можно представить как сумму (интеграл) функций, представляющих каждая плоскую волну, а зависимость от времени в тогда для случая однородного пространства будет тоже очевидно гармонической, то очевидно удобство разложения любой гармонической (да и не только гармонической) волны по плоским гармоническим волнам. В каких-то случаях и в какой-то мере это может быть полезным и в случаях неоднородности пространства, хотя в этом случае это вполне может и не дать ожидаемых преимуществ, или извлечение этих преимуществ может потребовать особого искусства.
Сферические гармонические волны несколько менее универсальны и просты (их гораздо труднее даже выписать в явном виде, если не выражать просто через бесконечные суммы/интегралы плоских волн; например, для двумерного пространства гармонические сферические волны выражаются через функции Бесселя , то есть не выражаются через элементарные функции).
Тем не менее они бывают очень полезны, когда сами условия задачи склоняют к попытке рассмотрения сферических волн, то есть, в особенности при исследовании волн, порождаемых точечным источником или когда задача в целом имеет сферическую симметрию (последнее лучше всего для попытки искать решение просто в виде только сферических волн).
Для трехмерного однородного пространства гармонические сферические волны имеют вид:
или
или (в виде, удобном в качестве для разложения):
Любое линейное дифференциальное уравнение вида
где порядок дифференцирования по времени n может быть любым (чаще интересны n = 1 или 2), а L любой линейный дифференциальный оператор, не зависящий от t (правда, если u должно быть действительным одномерным, а L -эрмитов, то нечетные n придется исключить), будет иметь решением гармоническую волну.
Действительно, подставим , где x — точка пространства любой размерности. Получаем тогда:
а экспонента сокращается. Сделав такую же подстановку с -ω , получим, при оговоренных выше условиях подходящего K, получить и действительное v как сумму этих двух решений.