คลื่น. คลื่นกลและเสียง
คลื่น– กระบวนการแพร่กระจายการสั่นสะเทือนในตัวกลางยืดหยุ่น
คลื่นกล- การรบกวนทางกลที่แพร่กระจายในอวกาศและการพาพลังงาน
ประเภทของคลื่น:
ตามยาว - อนุภาคของตัวกลางแกว่งไปในทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น - ในสื่อยืดหยุ่นทั้งหมด
x
ทิศทางของการสั่นสะเทือน
จุดสิ่งแวดล้อม
ตามขวาง - อนุภาคของตัวกลางสั่นตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายของคลื่น - บนพื้นผิวของของเหลว
เอ็กซ์
ประเภทของคลื่นกล:
คลื่นยืดหยุ่น - การแพร่กระจายของการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น
คลื่นบนพื้นผิวของของเหลว
ลักษณะของคลื่น:
ให้ A แกว่งไปแกว่งมาตามกฎหมาย:
.
จากนั้น B จะแกว่งตัวโดยมีความล่าช้าเป็นมุม
, ที่ไหน
, เช่น.
พลังงานคลื่น
- พลังงานรวมของอนุภาคหนึ่งอนุภาค ถ้าอนุภาคN แล้วที่ไหน - เอปไซลอน, V – ปริมาตร
เอปซิลอน– พลังงานต่อหน่วยปริมาตรของคลื่น – ความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตร
ฟลักซ์พลังงานของคลื่นเท่ากับอัตราส่วนของพลังงานที่ถูกถ่ายโอนโดยคลื่นผ่านพื้นผิวที่แน่นอนต่อเวลาที่ทำการถ่ายโอนนี้:
, วัตต์; 1 วัตต์ = 1J/s
ความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงาน - ความเข้มของคลื่น– พลังงานที่ไหลผ่านพื้นที่หน่วย - ค่าเท่ากับพลังงานเฉลี่ยที่ถ่ายโอนโดยคลื่นต่อหน่วยเวลาต่อพื้นที่หน้าตัดหน่วย
[วัตต์/ตร.ม.]
.
เว็กเตอร์อูมอฟ– เวกเตอร์ I แสดงทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นและเท่ากับฟลักซ์ของพลังงานคลื่นที่ผ่านพื้นที่หน่วยที่ตั้งฉากกับทิศทางนี้:
.
ลักษณะทางกายภาพของคลื่น:
แอมพลิจูด
ความยาวคลื่น
ความเร็วคลื่น
ความเข้ม
การแกว่ง:
คลื่น:
การสั่นที่ซับซ้อน (การผ่อนคลาย) - แตกต่างจากไซน์ซอยด์
การแปลงฟูริเยร์- ฟังก์ชันคาบเชิงซ้อนใดๆ สามารถแสดงเป็นผลรวมของฟังก์ชันเชิงซ้อน (ฮาร์มอนิก) หลายฟังก์ชัน โดยคาบของฟังก์ชันจะคูณด้วยคาบของฟังก์ชันเชิงซ้อน - นี่คือการวิเคราะห์ฮาร์มอนิก เกิดขึ้นในเครื่องวิเคราะห์ ผลลัพธ์ที่ได้คือสเปกตรัมฮาร์มอนิกของการสั่นสะเทือนที่ซับซ้อน:
ก
0
เสียง -การสั่นสะเทือนและคลื่นที่กระทำต่อหูของมนุษย์และทำให้เกิดความรู้สึกทางการได้ยิน
การสั่นสะเทือนและคลื่นของเสียงเป็นกรณีพิเศษของการสั่นสะเทือนและคลื่นทางกล ประเภทของเสียง:
ง่าย - ฮาร์มอนิก - ส้อมเสียง
ซับซ้อน – แอนฮาร์โมนิก – คำพูด, ดนตรี
โทนเสียง– เสียงซึ่งเป็นกระบวนการเป็นระยะ:
น้ำเสียงที่ซับซ้อนสามารถแบ่งออกเป็นน้ำเสียงที่เรียบง่ายได้ ความถี่ต่ำสุดของการสลายตัวดังกล่าวคือโทนเสียงพื้นฐาน ฮาร์โมนิกที่เหลือ (โอเวอร์โทน) มีความถี่เท่ากับ 2 และคนอื่น ๆ. ชุดความถี่ที่ระบุความเข้มสัมพัทธ์คือสเปกตรัมเสียง
เสียงรบกวน -เสียงที่มีการพึ่งพาเวลาที่ซับซ้อนและไม่ซ้ำกัน (เสียงกรอบแกรบ เสียงเอี๊ยด เสียงปรบมือ) สเปกตรัมมีความต่อเนื่อง
ลักษณะทางกายภาพของเสียง:
ลักษณะของความรู้สึกทางการได้ยิน:
ความสูง– กำหนดโดยความถี่ของคลื่นเสียง ยิ่งความถี่สูง เสียงก็จะยิ่งสูงขึ้น เสียงที่มีความเข้มข้นมากขึ้นจะลดลง
ทิมเบร– กำหนดโดยสเปกตรัมเสียง ยิ่งมีโทนเสียงมาก สเปกตรัมก็จะยิ่งสมบูรณ์ยิ่งขึ้น
ปริมาณ– บ่งบอกระดับความรู้สึกทางการได้ยิน ขึ้นอยู่กับความเข้มและความถี่ของเสียง จิตฟิสิกส์ กฎหมายของเวเบอร์-เฟชเนอร์: หากเพิ่มความระคายเคืองใน ความก้าวหน้าทางเรขาคณิต(ในจำนวนเท่าเดิม) จากนั้นความรู้สึกระคายเคืองนี้จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ความก้าวหน้าทางคณิตศาสตร์(ด้วยจำนวนที่เท่ากัน)
โดยที่ E คือความดัง (วัดในพื้นหลัง)
- ระดับความเข้มข้น (วัดเป็นเบล) 1 เบล – การเปลี่ยนแปลงระดับความเข้มซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงความเข้มของเสียง 10 เท่า K – สัมประสิทธิ์สัดส่วนขึ้นอยู่กับความถี่และความเข้ม
ความสัมพันธ์ระหว่างความดังและความเข้มของเสียงก็คือ เส้นโค้งปริมาตรเท่ากันตามข้อมูลการทดลอง (สร้างเสียงที่มีความถี่ 1 kHz เปลี่ยนความเข้มจนกระทั่งเกิดความรู้สึกทางหูคล้ายกับความรู้สึกของระดับเสียงที่กำลังศึกษา) เมื่อทราบความเข้มข้นและความถี่ คุณจะพบพื้นหลังได้
การตรวจการได้ยิน– วิธีการวัดความรุนแรงของการได้ยิน อุปกรณ์นี้เป็นเครื่องวัดการได้ยิน เส้นโค้งที่ได้คือออดิโอแกรม เกณฑ์ความรู้สึกทางการได้ยินที่ความถี่ต่างกันจะถูกกำหนดและเปรียบเทียบ
เครื่องวัดระดับเสียง – การวัดระดับเสียง
ในคลินิก: การตรวจคนไข้ – หูฟังของแพทย์/โฟเอนโดสโคป Phonendoscope เป็นแคปซูลกลวงที่มีเมมเบรนและท่อยาง
การตรวจคลื่นเสียงคือการบันทึกพื้นหลังและเสียงหัวใจแบบกราฟิก
เครื่องเพอร์คัชชัน
อัลตราซาวนด์- การสั่นสะเทือนทางกลและคลื่นที่มีความถี่สูงกว่า 20 kHz ถึง 20 MHz ตัวปล่อยอัลตราซาวนด์เป็นตัวปล่อยไฟฟ้าเชิงกลโดยอาศัยเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก (กระแสสลับเป็นอิเล็กโทรดที่มีควอตซ์อยู่ระหว่างพวกมัน)
ความยาวคลื่นอัลตราซาวนด์น้อยกว่าความยาวคลื่นเสียง: 1.4 ม. – เสียงในน้ำ (1 kHz), 1.4 มม. – อัลตราซาวนด์ในน้ำ (1 MHz) อัลตราซาวนด์จะสะท้อนได้ดีที่ขอบเขตกระดูก - เชิงกราน - กล้ามเนื้อ อัลตราซาวด์จะไม่ทะลุร่างกายมนุษย์เว้นแต่จะมีการหล่อลื่นด้วยน้ำมัน (ชั้นอากาศ) ความเร็วของการแพร่กระจายของอัลตราซาวนด์ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม กระบวนการทางกายภาพ: การสั่นสะเทือนระดับจุลภาค การทำลายชีวโมเลกุล การปรับโครงสร้างใหม่และความเสียหายต่อเยื่อหุ้มชีวภาพ ผลกระทบจากความร้อน การทำลายเซลล์และจุลินทรีย์ การเกิดโพรงอากาศ ในคลินิก: การวินิจฉัย (เครื่องตรวจสมอง การตรวจคลื่นหัวใจ อัลตราซาวนด์) กายภาพบำบัด (800 kHz) มีดผ่าตัดอัลตราโซนิก อุตสาหกรรมยา การสังเคราะห์กระดูก การทำหมัน
อินฟาเรด– คลื่นที่มีความถี่น้อยกว่า 20 เฮิรตซ์ ผลเสีย – เสียงสะท้อนในร่างกาย
การสั่นสะเทือน. ผลประโยชน์และผลเสีย นวด. โรคสั่นสะเทือน.
ผลกระทบดอปเปลอร์– การเปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่นที่ผู้สังเกต (ตัวรับคลื่น) รับรู้เนื่องจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของแหล่งกำเนิดคลื่นและผู้สังเกต
กรณีที่ 1: N เข้าใกล้ I
กรณีที่ 2: และเข้าใกล้ N
กรณีที่ 3: เข้าใกล้และเคลื่อน I และ N ออกจากกัน:
ระบบ: เครื่องกำเนิดอัลตราโซนิก – เครื่องรับ – อยู่กับที่โดยสัมพันธ์กับตัวกลาง วัตถุกำลังเคลื่อนที่ เขาได้รับอัลตราซาวนด์ด้วยความถี่
สะท้อนมันส่งไปยังเครื่องรับซึ่งรับคลื่นอัลตราโซนิกที่มีความถี่
. ความแตกต่างความถี่ – การเปลี่ยนความถี่ดอปเปลอร์:
. ใช้เพื่อกำหนดความเร็วของการไหลเวียนของเลือดและความเร็วของการเคลื่อนไหวของวาล์ว
คลื่นกลหรือคลื่นยืดหยุ่นเป็นกระบวนการแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนในตัวกลางที่ยืดหยุ่น ตัวอย่างเช่น อากาศเริ่มสั่นรอบๆ สายสั่นหรือตัวกระจายเสียงของลำโพง - สายหรือลำโพงกลายเป็นแหล่งกำเนิดของคลื่นเสียง
เพื่อให้คลื่นกลเกิดขึ้น ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขสองประการ: การมีอยู่ของแหล่งกำเนิดคลื่น (อาจเป็นวัตถุที่มีการสั่นใดๆ ก็ตาม) และตัวกลางยืดหยุ่น (ก๊าซ ของเหลว ของแข็ง)
มาดูสาเหตุของคลื่นกันดีกว่า เหตุใดอนุภาคของตัวกลางที่อยู่รอบวัตถุที่สั่นอยู่ก็เริ่มสั่นด้วย
แบบจำลองที่ง่ายที่สุดของตัวกลางยืดหยุ่นแบบหนึ่งมิติคือสายโซ่ลูกบอลที่เชื่อมต่อกันด้วยสปริง ลูกบอลเป็นแบบจำลองของโมเลกุล สปริงที่เชื่อมต่อกันนั้นจำลองแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล
สมมติว่าลูกบอลลูกแรกแกว่งด้วยความถี่ ω สปริง 1-2 ผิดรูป มีแรงยืดหยุ่นปรากฏขึ้น ซึ่งแปรผันตามความถี่ ω ภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอกที่เปลี่ยนแปลงเป็นระยะ บอลลูกที่สองจะเริ่มทำการสั่นแบบบังคับ เนื่องจากการบังคับการสั่นเกิดขึ้นที่ความถี่ของแรงขับเคลื่อนภายนอกเสมอ ความถี่การสั่นของลูกบอลลูกที่สองจะตรงกับความถี่การสั่นของลูกแรก อย่างไรก็ตาม การแกว่งบังคับของลูกบอลลูกที่สองจะเกิดขึ้นพร้อมกับการหน่วงเฟสบางส่วนสัมพันธ์กับแรงขับเคลื่อนภายนอก กล่าวอีกนัยหนึ่ง บอลลูกที่สองจะเริ่มแกว่งช้ากว่าบอลลูกแรกเล็กน้อย
การแกว่งของลูกที่ 2 จะทำให้สปริง 2-3 เปลี่ยนรูปเป็นระยะ ๆ ซึ่งจะทำให้ลูกที่ 3 แกว่งไปมา เป็นต้น ดังนั้นลูกบอลทุกลูกในห่วงโซ่จะสลับกันในการเคลื่อนที่ด้วยการสั่นกับความถี่การสั่นของลูกบอลลูกแรก
เห็นได้ชัดว่าสาเหตุของการแพร่กระจายของคลื่นในตัวกลางยืดหยุ่นคือการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล ความถี่การสั่นของอนุภาคทั้งหมดในคลื่นจะเท่ากันและเกิดขึ้นพร้อมกับความถี่การสั่นของแหล่งกำเนิดคลื่น
ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของการสั่นสะเทือนของอนุภาคในคลื่น คลื่นจะถูกแบ่งออกเป็นตามขวาง ตามยาว และพื้นผิว
ใน คลื่นตามยาวการสั่นของอนุภาคเกิดขึ้นตามทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น
การแพร่กระจายของคลื่นตามยาวสัมพันธ์กับการเกิดความผิดปกติของแรงตึงและการบีบอัดในตัวกลาง ในพื้นที่ยืดตัวของตัวกลางจะสังเกตเห็นความหนาแน่นของสารลดลง - การทำให้บริสุทธิ์ ในพื้นที่ที่ถูกบีบอัดของตัวกลางตรงกันข้ามความหนาแน่นของสารเพิ่มขึ้นซึ่งเรียกว่าการควบแน่น ด้วยเหตุผลนี้ คลื่นตามยาวจึงแสดงถึงการเคลื่อนที่ในพื้นที่ของการควบแน่นและการทำให้บริสุทธิ์
การเสียรูปจากแรงดึงและแรงอัดสามารถเกิดขึ้นได้ในตัวกลางที่ยืดหยุ่นได้ ดังนั้นคลื่นตามยาวจึงสามารถแพร่กระจายในก๊าซ ของเหลว และของแข็งได้ ตัวอย่างของคลื่นตามยาวคือเสียง
ใน คลื่นตามขวางอนุภาคจะแกว่งตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น
การแพร่กระจายของคลื่นตามขวางสัมพันธ์กับการเกิดความผิดปกติของแรงเฉือนในตัวกลาง การเสียรูปประเภทนี้สามารถเกิดขึ้นได้ในของแข็งเท่านั้น ดังนั้นคลื่นตามขวางจึงสามารถแพร่กระจายได้เฉพาะในของแข็งเท่านั้น ตัวอย่างของคลื่นเฉือนคือคลื่น S-wave
คลื่นพื้นผิวเกิดขึ้นที่จุดเชื่อมต่อระหว่างสื่อทั้งสอง อนุภาคที่สั่นของตัวกลางมีทั้งแบบขวาง ตั้งฉากกับพื้นผิว และส่วนประกอบตามยาวของเวกเตอร์การกระจัด ในระหว่างการแกว่ง อนุภาคของตัวกลางจะอธิบายวิถีโคจรทรงรีในระนาบตั้งฉากกับพื้นผิวและผ่านทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น ตัวอย่างของคลื่นพื้นผิว ได้แก่ คลื่นบนพื้นผิวน้ำ และคลื่นแผ่นดินไหว L
หน้าคลื่นคือตำแหน่งทางเรขาคณิตของจุดที่กระบวนการคลื่นไปถึง รูปร่างของหน้าคลื่นอาจแตกต่างกัน คลื่นที่พบบ่อยที่สุดคือคลื่นระนาบ ทรงกลม และทรงกระบอก
โปรดทราบ - ส่วนหน้าของคลื่นจะตั้งอยู่เสมอ ตั้งฉากทิศทางการแพร่กระจายคลื่น! หน้าคลื่นทุกจุดจะเริ่มแกว่งไปมา ในเฟสเดียว.
เพื่อกำหนดลักษณะเฉพาะของกระบวนการคลื่น จะมีการแนะนำปริมาณต่อไปนี้:
1. ความถี่คลื่นν คือความถี่การสั่นสะเทือนของอนุภาคทั้งหมดในคลื่น
2. ความกว้างของคลื่น A คือแอมพลิจูดของการสั่นของอนุภาคในคลื่น
3. ความเร็วคลื่นυ คือระยะทางที่กระบวนการคลื่น (การรบกวน) แพร่กระจายต่อหน่วยเวลา
โปรดทราบ - ความเร็วของคลื่นและความเร็วของการสั่นของอนุภาคในคลื่นเป็นแนวคิดที่แตกต่างกัน! ความเร็วของคลื่นขึ้นอยู่กับปัจจัยสองประการ: ประเภทของคลื่นและตัวกลางที่คลื่นแพร่กระจาย
รูปแบบทั่วไปคือ ความเร็วของคลื่นตามยาวในของแข็งมีค่ามากกว่าของเหลว และความเร็วในของเหลวก็มากกว่าความเร็วของคลื่นในก๊าซด้วยเช่นกัน
ไม่ใช่เรื่องยากที่จะเข้าใจเหตุผลทางกายภาพของรูปแบบนี้ สาเหตุของการแพร่กระจายของคลื่นคือปฏิกิริยาของโมเลกุล โดยธรรมชาติแล้วการรบกวนจะแพร่กระจายเร็วขึ้นในสภาพแวดล้อมที่ปฏิกิริยาของโมเลกุลแข็งแกร่งขึ้น
ในสื่อเดียวกัน รูปแบบจะแตกต่างกัน - ความเร็วของคลื่นตามยาวมากกว่าความเร็วของคลื่นตามขวาง
ตัวอย่างเช่น ความเร็วของคลื่นตามยาวในของแข็ง โดยที่ E คือโมดูลัสยืดหยุ่น (โมดูลัสของยัง) ของสาร ρ คือความหนาแน่นของสาร
ความเร็วคลื่นเฉือนในของแข็ง โดยที่ N คือโมดูลัสแรงเฉือน เพราะสำหรับสารทุกชนิดแล้ว วิธีหนึ่งในการกำหนดระยะห่างจากแหล่งกำเนิดแผ่นดินไหวนั้นขึ้นอยู่กับความแตกต่างในความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนตามยาวและตามขวาง
ความเร็วของคลื่นตามขวางในเชือกหรือเชือกที่ยืดออกถูกกำหนดโดยแรงตึง F และมวลต่อหน่วยความยาว μ:
4. ความยาวคลื่นแล คือ ระยะห่างต่ำสุดระหว่างจุดที่แกว่งเท่ากัน
สำหรับคลื่นที่เคลื่อนที่บนผิวน้ำ ความยาวคลื่นสามารถกำหนดได้อย่างง่ายดายว่าเป็นระยะห่างระหว่างโหนกสองอันที่อยู่ติดกันหรือร่องน้ำที่อยู่ติดกัน
สำหรับคลื่นตามยาว ความยาวคลื่นสามารถหาได้จากระยะห่างระหว่างการควบแน่นหรือการควบแน่นสองจุดที่อยู่ติดกัน
5. ในระหว่างกระบวนการกระจายคลื่น ส่วนต่าง ๆ ของตัวกลางจะมีส่วนร่วมในกระบวนการออสซิลเลชัน ประการแรก ตัวกลางที่มีการสั่นจะเคลื่อนที่และดังนั้นจึงมีพลังงานจลน์ ประการที่สอง ตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านจะมีรูปร่างผิดปกติและมีพลังงานศักย์ สังเกตได้ง่ายว่าการแพร่กระจายของคลื่นสัมพันธ์กับการถ่ายโอนพลังงานไปยังส่วนที่ไม่ถูกกระตุ้นของตัวกลาง เพื่ออธิบายลักษณะของกระบวนการถ่ายโอนพลังงาน ให้แนะนำ ความเข้มของคลื่น ฉัน.
เครื่องกลคลื่นในวิชาฟิสิกส์ นี่คือปรากฏการณ์ของการแพร่กระจายของการรบกวนพร้อมกับการถ่ายโอนพลังงานของวัตถุที่สั่นจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งโดยไม่ต้องขนส่งสสารในตัวกลางยืดหยุ่นบางชนิด
ตัวกลางที่มีปฏิกิริยายืดหยุ่นระหว่างโมเลกุล (ของเหลว ก๊าซ หรือ แข็ง) เป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการเกิดสัญญาณรบกวนทางกล เป็นไปได้ก็ต่อเมื่อโมเลกุลของสารชนกันและถ่ายเทพลังงาน ตัวอย่างหนึ่งของสัญญาณรบกวนดังกล่าวคือเสียง (คลื่นอะคูสติก) เสียงสามารถเดินทางได้ในอากาศ น้ำ หรือ ร่างกายที่มั่นคงแต่ไม่ได้อยู่ในสุญญากาศ
ในการสร้างคลื่นกล จำเป็นต้องใช้พลังงานเริ่มต้น ซึ่งจะทำให้ตัวกลางออกจากตำแหน่งสมดุล พลังงานนี้จะถูกส่งผ่านคลื่น เช่น ขว้างก้อนหินใส่ จำนวนมากน้ำทำให้เกิดคลื่นบนผิวน้ำ เสียงกรีดร้องดังทำให้เกิดคลื่นเสียง
คลื่นกลประเภทหลัก:
- เสียง;
- บนผิวน้ำ
- แผ่นดินไหว;
- คลื่นไหวสะเทือน
คลื่นกลมียอดและหุบเขาเหมือนกับการเคลื่อนที่แบบแกว่งๆ ลักษณะหลักของพวกเขาคือ:
- ความถี่. นี่คือจำนวนการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นต่อวินาที หน่วย SI: [ν] = [Hz] = [s -1 ]
- ความยาวคลื่น. ระยะห่างระหว่างยอดเขาหรือหุบเขาที่อยู่ติดกัน [แล] = [ม.]
- แอมพลิจูด ค่าเบี่ยงเบนสูงสุดของจุดในตัวกลางจากตำแหน่งสมดุล [X สูงสุด] = [ม.]
- ความเร็ว. นี่คือระยะทางที่คลื่นเดินทางในไม่กี่วินาที [วี] = [เมตร/วินาที]
ความยาวคลื่น
ความยาวคลื่นคือระยะห่างระหว่างจุดที่อยู่ใกล้กันที่สุดซึ่งแกว่งไปมาในเฟสเดียวกัน
คลื่นแพร่กระจายไปในอวกาศ ทิศทางของการแพร่กระจายเรียกว่า คานและถูกกำหนดด้วยเส้นตั้งฉากกับพื้นผิวคลื่น และความเร็วคำนวณโดยสูตร:
ขอบเขตของพื้นผิวคลื่น โดยแยกส่วนของตัวกลางที่มีการสั่นอยู่แล้ว ออกจากส่วนของตัวกลางที่การสั่นยังไม่เริ่ม - คลื่นด้านหน้า.
คลื่นตามยาวและตามขวาง
วิธีหนึ่งในการจำแนกประเภทของคลื่นเชิงกลคือการกำหนดทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแต่ละตัวในตัวกลางในคลื่นโดยสัมพันธ์กับทิศทางของการแพร่กระจาย
ขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคในคลื่นมีดังนี้:
- ขวางคลื่นอนุภาคของตัวกลางในคลื่นประเภทนี้จะสั่นเป็นมุมฉากกับลำแสง ระลอกคลื่นในสระน้ำหรือสายกีตาร์ที่สั่นสามารถช่วยแสดงคลื่นตามขวางได้ การสั่นสะเทือนประเภทนี้ไม่สามารถแพร่กระจายในตัวกลางที่เป็นของเหลวหรือก๊าซได้ เนื่องจากอนุภาคของตัวกลางเหล่านี้เคลื่อนที่อย่างวุ่นวายและเป็นไปไม่ได้ที่จะจัดการเคลื่อนที่ของพวกมันในแนวตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น คลื่นตามขวางเคลื่อนที่ช้ากว่าคลื่นตามยาวมาก
- ตามยาวคลื่นอนุภาคของตัวกลางจะแกว่งไปในทิศทางเดียวกันกับที่คลื่นแพร่กระจาย คลื่นประเภทนี้บางคลื่นเรียกว่าคลื่นอัดหรือคลื่นอัด การแกว่งตามยาวของสปริง - การบีบอัดและการยืดออกเป็นระยะ - ช่วยให้เห็นภาพคลื่นดังกล่าวได้ดี คลื่นตามยาวเป็นคลื่นกลที่เร็วที่สุด คลื่นเสียงในอากาศ สึนามิ และอัลตราซาวนด์เป็นคลื่นตามยาว ซึ่งรวมถึงคลื่นแผ่นดินไหวบางประเภทที่แพร่กระจายใต้ดินและในน้ำ
ด้วยคลื่นจากแหล่งกำเนิดใดๆ ก็ตาม คุณสามารถสังเกตปรากฏการณ์ทั้ง 4 ประการตามรายการด้านล่างนี้ได้ ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ซึ่งเราจะพิจารณาใช้ตัวอย่างคลื่นเสียงในอากาศและคลื่นบนผิวน้ำ
การสะท้อนของคลื่นลองทำการทดลองกับเครื่องกำเนิดกระแสความถี่เสียงที่เชื่อมต่อลำโพง (ลำโพง) ดังแสดงในรูป "ก" เราจะได้ยินเสียงผิวปาก ที่ปลายอีกด้านของตาราง เราจะวางไมโครโฟนที่เชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคป เนื่องจากไซนัสอยด์ที่มีแอมพลิจูดต่ำปรากฏบนหน้าจอ หมายความว่าไมโครโฟนรับรู้เสียงที่อ่อนแอ
ตอนนี้ให้เราวางกระดานไว้บนโต๊ะ ดังแสดงในรูปที่ “b” เนื่องจากแอมพลิจูดบนหน้าจอออสซิลโลสโคปเพิ่มขึ้น เสียงที่มาถึงไมโครโฟนจึงดังขึ้น การทดลองนี้และการทดลองอื่นๆ อีกมากมายเสนอแนะเช่นนั้น คลื่นกลของแหล่งกำเนิดใดๆ ก็ตามมีความสามารถในการสะท้อนจากส่วนต่อระหว่างสื่อทั้งสอง
การหักเหของคลื่นลองกลับมาที่ภาพซึ่งแสดงคลื่นที่วิ่งเข้าสู่บริเวณน้ำตื้นชายฝั่ง (มุมมองด้านบน) แสดงเป็นสีเทา-เหลือง ฝั่งทรายและสีน้ำเงิน - ส่วนลึกของทะเล ระหว่างนั้นมีสันทราย - น้ำตื้น
คลื่นที่เดินทางผ่านน้ำลึกเคลื่อนที่ไปในทิศทางลูกศรสีแดง เมื่อคลื่นเกยตื้น คลื่นจะหักเห นั่นคือเปลี่ยนทิศทางการแพร่กระจาย ดังนั้นลูกศรสีน้ำเงินที่แสดงทิศทางใหม่ของการแพร่กระจายคลื่นจึงอยู่ในตำแหน่งที่แตกต่างกัน
ข้อสังเกตนี้และข้อสังเกตอื่นๆ อีกมากมายแสดงให้เห็นว่า คลื่นกลของแหล่งกำเนิดใดๆ ก็ตามสามารถหักเหได้เมื่อเงื่อนไขการแพร่กระจายเปลี่ยนแปลงไป เช่น ที่จุดเชื่อมต่อระหว่างตัวกลางทั้งสอง
การเลี้ยวเบนของคลื่นแปลจากภาษาละติน "diffractus" แปลว่า "แตกหัก" ในวิชาฟิสิกส์ การเลี้ยวเบนคือการเบี่ยงเบนของคลื่นจากการแพร่กระจายเป็นเส้นตรงในตัวกลางเดียวกัน ส่งผลให้คลื่นโค้งงอไปตามสิ่งกีดขวาง
ทีนี้ลองมาดูคลื่นอีกรูปแบบหนึ่งบนผิวน้ำทะเล (มุมมองจากฝั่ง) คลื่นที่วิ่งเข้าหาเราจากระยะไกลถูกบดบังด้วยหินขนาดใหญ่ทางด้านซ้าย แต่ในขณะเดียวกันก็โค้งงอไปรอบๆ บางส่วน หินก้อนเล็กทางด้านขวาไม่ได้เป็นอุปสรรคต่อคลื่นเลย พวกมันเดินไปรอบๆ โดยกระจายไปในทิศทางเดียวกัน
การทดลองแสดงให้เห็นว่า การเลี้ยวเบนจะปรากฏชัดเจนที่สุดหากความยาวคลื่นตกกระทบ ขนาดเพิ่มเติมอุปสรรคด้านหลังเขา คลื่นกระจายออกไปราวกับไม่มีสิ่งกีดขวาง
การรบกวนของคลื่นเราตรวจสอบปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการแพร่กระจายของคลื่นเดี่ยว: การสะท้อน การหักเห และการเลี้ยวเบน ให้เราพิจารณาการแพร่กระจายโดยมีคลื่นสองลูกขึ้นไปซ้อนทับกัน - ปรากฏการณ์การรบกวน(จากภาษาละติน "inter" - ร่วมกันและ "ferio" - ฉันตี) มาศึกษาปรากฏการณ์นี้แบบทดลองกัน
เราจะเชื่อมต่อลำโพงสองตัวที่เชื่อมต่อขนานกับเครื่องกำเนิดกระแสความถี่เสียง เครื่องรับเสียงในการทดลองครั้งแรกจะเป็นไมโครโฟนที่เชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคป
เรามาเริ่มขยับไมโครโฟนไปทางขวากัน ออสซิลโลสโคปจะแสดงให้เห็นว่าเสียงอ่อนลงและแข็งแรงขึ้น แม้ว่าไมโครโฟนจะเคลื่อนออกห่างจากลำโพงก็ตาม ให้คืนไมโครโฟนไปที่ เส้นกึ่งกลางระหว่างลำโพงแล้วเราจะเลื่อนไปทางซ้ายและถอยห่างจากลำโพงอีกครั้ง ออสซิลโลสโคปจะแสดงให้เราเห็นอีกครั้งถึงความอ่อนแอและความแข็งแกร่งของเสียง
การทดลองนี้และการทดลองอื่นๆ อีกมากมายแสดงให้เห็นว่า ในพื้นที่ที่มีการแพร่กระจายของคลื่นหลายคลื่น การรบกวนของคลื่นอาจนำไปสู่การปรากฏของบริเวณที่มีการสลับกันโดยมีการขยายและการแกว่งที่อ่อนลง
คลื่น. คุณสมบัติทั่วไปคลื่นคลื่น - นี่คือปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลง (การรบกวน) ที่แพร่กระจายไปในอวกาศเมื่อเวลาผ่านไป ปริมาณทางกายภาพพกพาพลังงานไปกับมัน
ไม่ว่าธรรมชาติของคลื่นจะเป็นเช่นไร การถ่ายโอนพลังงานจะเกิดขึ้นโดยไม่มีการถ่ายโอนสสาร อย่างหลังสามารถเกิดขึ้นได้เพียงเท่านั้น ผลพลอยได้. การถ่ายโอนพลังงาน- ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างคลื่นและการแกว่ง ซึ่งเกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงาน "เฉพาะที่" เท่านั้น ตามกฎแล้วคลื่นสามารถเดินทางได้ในระยะทางไกลจากจุดกำเนิดของมัน ด้วยเหตุนี้ บางครั้งคลื่นจึงถูกเรียกว่า " การสั่นสะเทือนแยกออกจากตัวส่งสัญญาณ».
คลื่นสามารถจำแนกได้
โดยธรรมชาติของมัน:
คลื่นยืดหยุ่น -คลื่นที่แพร่กระจายในตัวกลางของเหลว ของแข็ง และก๊าซอันเนื่องมาจากการกระทำของแรงยืดหยุ่น
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า- การรบกวน (การเปลี่ยนแปลงสถานะ) ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายในอวกาศ
คลื่นบนพื้นผิวของของเหลว- ชื่อทั่วไปของคลื่นต่างๆ ที่เกิดขึ้นที่จุดเชื่อมต่อระหว่างของเหลวกับก๊าซ หรือของเหลวกับของเหลว คลื่นน้ำมีความแตกต่างกันในกลไกพื้นฐานของการแกว่ง (เส้นเลือดฝอย แรงโน้มถ่วง ฯลฯ) ซึ่งนำไปสู่กฎการกระจายตัวที่แตกต่างกัน และผลที่ตามมาคือพฤติกรรมที่แตกต่างกันของคลื่นเหล่านี้
สัมพันธ์กับทิศทางการสั่นสะเทือนของอนุภาคของตัวกลาง:
คลื่นตามยาว -อนุภาคของตัวกลางสั่นสะเทือน ขนานในทิศทางของการแพร่กระจายของคลื่น (เช่น ในกรณีของการแพร่กระจายของเสียง)
คลื่นตามขวาง -อนุภาคของตัวกลางสั่นสะเทือน ตั้งฉากทิศทางการแพร่กระจายคลื่น (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า, คลื่นบนพื้นผิวการแยกตัวของตัวกลาง)
ก - ขวาง; ข - ตามยาว
คลื่นผสม
ตามรูปทรงของหน้าคลื่น:
พื้นผิวคลื่น (หน้าคลื่น) - ตำแหน่งทางเรขาคณิตของจุดที่เกิดการรบกวน ณ ตอนนี้เวลา. ในสื่อไอโซโทรปิกที่เป็นเนื้อเดียวกัน ความเร็วของการแพร่กระจายคลื่นจะเท่ากันในทุกทิศทาง ซึ่งหมายความว่าทุกจุดของส่วนหน้าจะสั่นในเฟสเดียวกัน ด้านหน้าจะตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น ค่าของการสั่น ปริมาณเท่ากันทุกจุดด้านหน้า
แบนระนาบเฟสของคลื่นตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายคลื่นและขนานกัน
ทรงกลมคลื่น - พื้นผิวของเฟสเท่ากันนั้นเป็นทรงกลม
ทรงกระบอกคลื่น - พื้นผิวของเฟสมีลักษณะคล้ายทรงกระบอก
เกลียวคลื่น - เกิดขึ้นหากแหล่งกำเนิด/แหล่งกำเนิดคลื่นทรงกลมหรือทรงกระบอกเคลื่อนที่ไปตามเส้นโค้งปิดบางจุดในระหว่างกระบวนการแผ่รังสี
คลื่นเครื่องบิน
คลื่นจะเรียกว่าแบนหากพื้นผิวคลื่นเป็นระนาบขนานกันโดยตั้งฉากกับความเร็วเฟสของคลื่น หากแกนพิกัด x กำกับตามความเร็วเฟสของคลื่น v แล้วเวกเตอร์ที่อธิบายคลื่นจะเป็น a ฟังก์ชันของตัวแปรเพียงสองตัวเท่านั้น: พิกัด x และเวลา t (y = f(x,t))
ลองพิจารณาคลื่นไซน์สีเดียวแบบแบน (ความถี่เดียว) ที่แพร่กระจายในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยไม่มีการลดทอนไปตามแกน X หากแหล่งกำเนิด (ระนาบอนันต์) แกว่งตามกฎ y= การแกว่งจะไปถึงจุดที่มีพิกัด x ด้วย ความล่าช้าของเวลา ดังนั้น
,ที่ไหน
ความเร็วเฟสคลื่น – ความเร็วของการเคลื่อนที่ของพื้นผิวคลื่น (ด้านหน้า)
– แอมพลิจูดของคลื่น – โมดูลัสของการเบี่ยงเบนสูงสุดของปริมาณที่เปลี่ยนแปลงไปจากตำแหน่งสมดุล
– ความถี่ไซคลิก, T – คาบการสั่น – ความถี่คลื่น (คล้ายกับการสั่น)
k คือเลขคลื่น มีความหมายว่าความถี่เชิงพื้นที่
ลักษณะเฉพาะอีกประการหนึ่งของคลื่นคือความยาวคลื่น m ซึ่งเป็นระยะห่างที่คลื่นแพร่กระจายในช่วงเวลาหนึ่งของการสั่น ซึ่งมีความหมายของคาบเชิงพื้นที่ นี่คือระยะห่างที่สั้นที่สุดระหว่างจุดที่สั่นในเฟสเดียวกัน
ย
ความยาวคลื่นสัมพันธ์กับเลขคลื่นตามความสัมพันธ์ ซึ่งคล้ายกับความสัมพันธ์ด้านเวลา
เลขคลื่นสัมพันธ์กับความถี่ไซคลิกและความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่น
x
ย
ย
ตัวเลขแสดงออสซิลโลแกรม (a) และสแน็ปช็อต (b) ของคลื่นพร้อมช่วงเวลาและพื้นที่ที่ระบุ คลื่นมีลักษณะเฉพาะหลักสองประการซึ่งแตกต่างจากการสั่นแบบคงที่ ได้แก่ คาบเวลาและคาบเชิงพื้นที่
คุณสมบัติทั่วไปของคลื่น:
คลื่นพาพลังงาน
2. คลื่นออกแรงกดดันต่อวัตถุ (มีโมเมนตัม)
3. ความเร็วของคลื่นในตัวกลางขึ้นอยู่กับความถี่ของคลื่น - การกระจายตัว ดังนั้นคลื่นที่มีความถี่ต่างกันจึงแพร่กระจายในตัวกลางเดียวกันด้วยความเร็วที่ต่างกัน (ความเร็วเฟส)
4. คลื่นโค้งงอรอบสิ่งกีดขวาง - การเลี้ยวเบน
การเลี้ยวเบนเกิดขึ้นเมื่อขนาดของสิ่งกีดขวางเทียบได้กับความยาวคลื่น
5. ที่จุดเชื่อมต่อระหว่างสื่อทั้งสอง คลื่นจะสะท้อนและหักเห
มุมตกกระทบ เท่ากับมุมการสะท้อนกลับ และอัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมการหักเหของแสงเป็นค่าคงที่สำหรับตัวกลางที่กำหนดสองตัว
6. เมื่อคลื่นต่อเนื่องถูกซ้อนทับ (ความต่างเฟสของคลื่นเหล่านี้ ณ จุดใด ๆ คงที่ในเวลา) คลื่นเหล่านี้จะรบกวน - รูปแบบการรบกวนขั้นต่ำและสูงสุดที่เสถียรจะเกิดขึ้น
คลื่นและแหล่งที่มาที่ทำให้เกิดความตื่นเต้นจะเรียกว่าสอดคล้องกันหากความแตกต่างของเฟสระหว่างคลื่นไม่ได้ขึ้นอยู่กับเวลา คลื่นและแหล่งที่มาที่ทำให้เกิดความตื่นเต้นจะเรียกว่าไม่ต่อเนื่องกันหากความแตกต่างของเฟสระหว่างคลื่นเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา
เฉพาะคลื่นที่มีความถี่เท่ากันและแกว่งไปในทิศทางเดียวกัน (เช่น คลื่นต่อเนื่องกัน) เท่านั้นที่สามารถรบกวนได้ การรบกวนอาจอยู่นิ่งหรือไม่นิ่งก็ได้ มีเพียงคลื่นที่สอดคล้องกันเท่านั้นที่สามารถสร้างรูปแบบการรบกวนที่อยู่นิ่งได้ ตัวอย่างเช่น คลื่นทรงกลมสองคลื่นบนผิวน้ำซึ่งแพร่กระจายจากแหล่งกำเนิดจุดที่สอดคล้องกันสองแห่ง จะก่อให้เกิดคลื่นผลลัพธ์เมื่อมีการรบกวน ด้านหน้าของคลื่นที่เกิดจะเป็นทรงกลม
เมื่อคลื่นรบกวน พลังงานจะไม่เพิ่มขึ้น การรบกวนของคลื่นทำให้เกิดการกระจายพลังงานการสั่นสะเทือนระหว่างอนุภาคต่างๆ ที่มีระยะห่างใกล้กันของตัวกลาง สิ่งนี้ไม่ขัดแย้งกับกฎการอนุรักษ์พลังงาน เพราะโดยเฉลี่ยแล้วสำหรับพื้นที่ขนาดใหญ่ พลังงานของคลื่นที่เกิดขึ้นจะเท่ากับผลรวมของพลังงานของคลื่นที่รบกวน
เมื่อคลื่นที่ไม่ต่อเนื่องกันถูกซ้อนทับ แอมพลิจูดกำลังสองเฉลี่ยของคลื่นผลลัพธ์จะเท่ากับผลรวมของแอมพลิจูดกำลังสองของคลื่นที่ซ้อนทับ พลังงานของการแกว่งที่เกิดขึ้นของแต่ละจุดของตัวกลางจะเท่ากับผลรวมของพลังงานของการแกว่งตัวของมันที่เกิดจากคลื่นที่ไม่ต่อเนื่องกันทั้งหมดแยกจากกัน
7. คลื่นถูกดูดกลืนโดยตัวกลาง เมื่อคุณเคลื่อนออกจากแหล่งกำเนิด แอมพลิจูดของคลื่นจะลดลง เนื่องจากพลังงานคลื่นบางส่วนถูกถ่ายโอนไปยังตัวกลาง
8. คลื่นกระจัดกระจายในตัวกลางที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน
การกระเจิงคือการรบกวนของสนามคลื่นที่เกิดจากความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของตัวกลางและวัตถุที่กระเจิงที่วางอยู่ในตัวกลางนี้ ความเข้มของการกระเจิงขึ้นอยู่กับขนาดของความไม่เป็นเนื้อเดียวกันและความถี่ของคลื่น
คลื่นกล เสียง. ลักษณะเสียง .
คลื่น- การรบกวนที่แพร่กระจายไปในอวกาศ
คุณสมบัติทั่วไปของคลื่น:
ถ่ายโอนพลังงาน
มีแรงกระตุ้น (ออกแรงกดดันต่อร่างกาย);
ที่ขอบเขตของสื่อทั้งสองจะสะท้อนและหักเห
ถูกดูดซับโดยสิ่งแวดล้อม
การเลี้ยวเบน;
การรบกวน;
การกระจายตัว;
ความเร็วของคลื่นขึ้นอยู่กับตัวกลางที่คลื่นผ่านไป
คลื่นกล (ยืดหยุ่น)
กรณีพิเศษของคลื่นกล - คลื่นบนพื้นผิวของของเหลวคลื่นที่เกิดขึ้นและแพร่กระจายไปตาม พื้นผิวฟรีของเหลวหรือที่ส่วนต่อประสานของของเหลวที่ไม่สามารถผสมกันได้สองชนิด พวกมันถูกสร้างขึ้นภายใต้อิทธิพล อิทธิพลภายนอกซึ่งเป็นผลมาจากการที่พื้นผิวของของเหลวถูกกำจัดออกจากสภาวะสมดุล ในกรณีนี้ แรงเกิดขึ้นเพื่อคืนความสมดุล: แรงตึงผิวและแรงโน้มถ่วง
คลื่นกลมีสองประเภท
คลื่นตามยาวพร้อมด้วยการเปลี่ยนรูปแบบแรงดึงและแรงอัดสามารถแพร่กระจายในสื่อยืดหยุ่นใด ๆ ได้แก่ ก๊าซของเหลวและของแข็ง คลื่นตามขวางแพร่กระจายในตัวกลางเหล่านั้นซึ่งมีแรงยืดหยุ่นเกิดขึ้นระหว่างการเปลี่ยนรูปแรงเฉือน เช่น ในของแข็ง
คลื่นฮาร์มอนิกหรือคลื่นไซน์อย่างง่ายเป็นที่สนใจอย่างมากสำหรับการฝึกปฏิบัติ สมการของคลื่นไซน์ระนาบคือ:
- สิ่งที่เรียกว่า หมายเลขคลื่น ,
– ความถี่วงกลม ,
เอ - แอมพลิจูดของการสั่นของอนุภาค
รูปนี้แสดง “ภาพรวม” ของคลื่นตามขวาง ณ เวลาสองจุด: t และ t + Δt ในช่วงเวลา Δt คลื่นเคลื่อนที่ไปตามแกน OX ไปเป็นระยะทาง υΔt คลื่นดังกล่าวมักเรียกว่าคลื่นเดินทาง
ความยาวคลื่น λ คือระยะห่างระหว่างจุดสองจุดที่อยู่ติดกันบนแกน OX ซึ่งสั่นในเฟสเดียวกัน คลื่นเดินทางเป็นระยะทางเท่ากับความยาวคลื่น λ ในช่วง T ดังนั้น
แล = υT โดยที่ υ คือความเร็วของการแพร่กระจายคลื่น
สำหรับจุดที่เลือกใดๆ บนกราฟของกระบวนการคลื่น (เช่น สำหรับจุด A) เมื่อเวลาผ่านไป t พิกัด x ของจุดนี้จะเปลี่ยน และค่าของนิพจน์ ωt – kxไม่เปลี่ยนแปลง หลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่ง Δt จุด A จะเคลื่อนที่ไปตามแกน OX ไปยังระยะหนึ่ง Δx = υΔt เพราะฉะนั้น: ωเสื้อ – kx = ω(t + Δt) – k(x + Δx) = constหรือ ωΔt = kΔx
นี่หมายถึง:
ดังนั้นคลื่นไซน์เคลื่อนที่จึงมีคาบเป็นสองเท่า - ในเวลาและพื้นที่ ช่วงเวลาหนึ่ง เท่ากับระยะเวลาการแกว่ง T ของอนุภาคของตัวกลาง คาบเชิงพื้นที่เท่ากับความยาวคลื่น γ เลขคลื่นคืออะนาล็อกเชิงพื้นที่ของความถี่วงกลม
เสียง.
กระบวนการแกว่งใดๆ จะถูกอธิบายโดยสมการ มันได้มาจากการสั่นของเสียงด้วย:
ลักษณะพื้นฐานของคลื่นเสียง
การรับรู้ทางอัตนัยของเสียง (ระดับเสียง ระดับเสียง จังหวะ) |
วัตถุประสงค์ ลักษณะทางกายภาพเสียง (ความเร็ว ความเข้ม สเปกตรัม) |
ความเร็วของเสียงในตัวกลางก๊าซใด ๆ คำนวณโดยสูตร:
β - การอัดอะเดียแบติกของตัวกลาง
ρ - ความหนาแน่น
กำลังใช้เสียง
Echolocators ที่ใช้ใต้น้ำเรียกว่าโซนาร์หรือโซนาร์ (โซนาร์ชื่อมาจากตัวอักษรตัวแรกของสามตัว คำภาษาอังกฤษ: เสียง - เสียง; การนำทาง - การนำทาง; ช่วง - ช่วง) โซนาร์เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการศึกษาก้นทะเล (โปรไฟล์ ความลึก) สำหรับการตรวจจับและศึกษาวัตถุต่างๆ ที่เคลื่อนที่อยู่ใต้น้ำลึก ด้วยความช่วยเหลือดังกล่าว ทำให้สามารถตรวจจับทั้งวัตถุขนาดใหญ่หรือสัตว์เดี่ยวๆ และฝูงปลาขนาดเล็กหรือสัตว์มีเปลือกได้อย่างง่ายดาย
คลื่นอัลตราโซนิกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในทางการแพทย์เพื่อการวินิจฉัย เครื่องสแกนอัลตราซาวนด์ช่วยให้คุณตรวจได้ อวัยวะภายในบุคคล. รังสีอัลตราซาวนด์เป็นอันตรายต่อมนุษย์น้อยกว่ารังสีเอกซ์
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
คุณสมบัติของพวกเขา
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายในอวกาศเมื่อเวลาผ่านไป
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถถูกกระตุ้นได้ด้วยประจุที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วเท่านั้น
การมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการทำนายตามทฤษฎีโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้ยิ่งใหญ่ เจ. แม็กซ์เวลล์ ในปี พ.ศ. 2407 เขาเสนอการตีความกฎหมายใหม่ การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าฟาราเดย์และพัฒนาแนวคิดของเขาต่อไป
การเปลี่ยนแปลงใดๆ ในสนามแม่เหล็กจะสร้างสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนในพื้นที่โดยรอบ และสนามไฟฟ้าที่แปรผันตามเวลาจะสร้างสนามแม่เหล็กในพื้นที่โดยรอบ
รูปที่ 1 สนามไฟฟ้ากระแสสลับจะสร้างสนามแม่เหล็กสลับและในทางกลับกัน
คุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามทฤษฎีของแมกซ์เวลล์:
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ขวาง – เวกเตอร์และตั้งฉากกันและอยู่ในระนาบตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจาย
รูปที่ 2 การแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ไฟฟ้าและ สนามแม่เหล็กในคลื่นการเดินทาง พวกมันจะเปลี่ยนไปในระยะเดียว
เวกเตอร์ในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าเวกเตอร์สามเท่าของมือขวา
การแกว่งของเวกเตอร์เกิดขึ้นในเฟส: ในเวลาเดียวกัน ณ จุดหนึ่งในอวกาศ การฉายภาพของความแรงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะไปถึงค่าสูงสุด ค่าต่ำสุด หรือศูนย์
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายในสสารด้วย ความเร็วเทอร์มินัล
การซึมผ่านของอิเล็กทริกและแม่เหล็กของตัวกลางอยู่ที่ไหน (ความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในตัวกลางขึ้นอยู่กับพวกมัน)
ค่าคงที่ทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก
ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ
ความหนาแน่นฟลักซ์พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า
หรือความเข้ม
เจ
คือพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกถ่ายโอนโดยคลื่นต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นผิวของพื้นที่หน่วย:
,
แทนที่นิพจน์สำหรับ และ υ ที่นี่ และเมื่อคำนึงถึงความเท่าเทียมกันของความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรของสนามไฟฟ้าและแม่เหล็กในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเราสามารถรับ:
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถโพลาไรซ์ได้
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอีกด้วย มีคุณสมบัติพื้นฐานของคลื่นครบถ้วน : พวกมันถ่ายโอนพลังงาน มีโมเมนตัม พวกมันสะท้อนและหักเหที่จุดเชื่อมต่อระหว่างตัวกลางสองตัวที่ถูกดูดซับโดยตัวกลาง แสดงคุณสมบัติของการกระจายตัว การเลี้ยวเบน และการรบกวน
การทดลองของเฮิรทซ์ (การตรวจจับการทดลองคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า)
เป็นครั้งแรกที่มีการศึกษาทดลองคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
เฮิรตซ์ในปี 1888 เขาได้พัฒนาการออกแบบที่ประสบความสำเร็จสำหรับเครื่องกำเนิดการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้า (เครื่องสั่นเฮิรตซ์) และวิธีการตรวจจับการสั่นพ้องของพวกมัน
เครื่องสั่นประกอบด้วยตัวนำเชิงเส้นสองตัวที่ปลายซึ่งมีลูกบอลโลหะที่ก่อให้เกิดช่องว่างประกายไฟ เมื่อจ่ายไฟฟ้าแรงสูงจากขดลวดเหนี่ยวนำไปยังตัวเหนี่ยวนำ ประกายไฟจะกระโดดผ่านช่องว่างและทำให้ช่องว่างลัดวงจร ในระหว่างการเผาไหม้จะเกิดการสั่นจำนวนมากในวงจร เครื่องรับ (เครื่องสะท้อนเสียง) ประกอบด้วยลวดที่มีช่องว่างประกายไฟ การมีอยู่ของเสียงสะท้อนจะแสดงออกมาเมื่อมีการเกิดประกายไฟในช่องว่างประกายไฟของเครื่องสะท้อนกลับเพื่อตอบสนองต่อประกายไฟที่เกิดขึ้นในเครื่องสั่น
ดังนั้นการทดลองของเฮิรตซ์จึงเป็นพื้นฐานที่มั่นคงสำหรับทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แม็กซ์เวลล์ทำนายไว้นั้นเกิดขึ้นจริงจากการทดลอง
หลักการสื่อสารทางวิทยุ
วิทยุสื่อสาร – การส่งและรับข้อมูลโดยใช้คลื่นวิทยุ
เมื่อวันที่ 24 มีนาคม พ.ศ. 2439 ในการประชุมของแผนกฟิสิกส์ของสมาคมฟิสิกส์เคมีแห่งรัสเซีย โปปอฟใช้เครื่องมือของเขาแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงการส่งสัญญาณในระยะทาง 250 เมตร โดยส่งสัญญาณรังสีเอกซ์สองคำแรกของโลก "ไฮน์ริช เฮิรตซ์" .
แผนภาพผู้รับ A.S. POPOV
โปปอฟใช้การสื่อสารด้วยวิทยุโทรเลข (การส่งสัญญาณในระยะเวลาต่างกัน) การสื่อสารดังกล่าวสามารถทำได้โดยใช้รหัสเท่านั้น เครื่องส่งสัญญาณประกายไฟที่มีเครื่องสั่นเฮิรตซ์ถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุและทำหน้าที่เป็นเครื่องรับซึ่งเป็นท่อแก้วที่มีตะไบโลหะซึ่งมีความต้านทานลดลงหลายร้อยครั้งเมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระทบกับมัน เพื่อเพิ่มความไวของตัวเชื่อมโยง ปลายด้านหนึ่งต่อสายดิน และอีกด้านหนึ่งเชื่อมต่อกับลวดที่ยกขึ้นเหนือพื้นโลก ความยาวรวมของเสาอากาศเท่ากับหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น สัญญาณตัวส่งประกายไฟจะจางลงอย่างรวดเร็วและไม่สามารถส่งสัญญาณในระยะทางไกลได้
สำหรับการสื่อสารทางวิทยุโทรศัพท์ (การส่งเสียงพูดและเสียงเพลง) จะใช้สัญญาณมอดูเลตความถี่สูง สัญญาณความถี่ต่ำ (เสียง) บรรทุกข้อมูล แต่ในทางปฏิบัติแล้วจะไม่ถูกปล่อยออกมา และสัญญาณความถี่สูงจะถูกปล่อยออกมาอย่างดี แต่ไม่สามารถส่งข้อมูลได้ การมอดูเลตใช้สำหรับการสื่อสารทางวิทยุโทรศัพท์
การปรับ – กระบวนการสร้างความสอดคล้องระหว่างพารามิเตอร์ของสัญญาณ HF และ LF
ในวิศวกรรมวิทยุมีการใช้การมอดูเลตหลายประเภท: แอมพลิจูด, ความถี่, เฟส
การมอดูเลตแอมพลิจูด - การเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดของการสั่นสะเทือน (ทางไฟฟ้า, เครื่องกล ฯลฯ ) ที่เกิดขึ้นที่ความถี่ต่ำกว่าความถี่ของการสั่นสะเทือนอย่างมาก
การแกว่งของฮาร์มอนิกของความถี่สูง ω ถูกมอดูเลตในแอมพลิจูดโดยการสั่นของฮาร์มอนิกของความถี่ต่ำ Ω (τ = 1/Ω คือคาบของมัน), t คือเวลา, A คือแอมพลิจูดของการแกว่งของความถี่สูง, T คือคาบของมัน
วงจรสื่อสารวิทยุโดยใช้สัญญาณ AM
เครื่องกำเนิดการมอดูเลตแอมพลิจูด
แอมพลิจูดของสัญญาณ RF จะเปลี่ยนไปตามแอมพลิจูดของสัญญาณ LF จากนั้นสัญญาณมอดูเลตจะถูกแผ่กระจายโดยเสาอากาศส่งสัญญาณ
ในเครื่องรับวิทยุเสาอากาศรับสัญญาณจะรับคลื่นวิทยุในวงจรการสั่นเนื่องจากการสั่นพ้องสัญญาณที่ความถี่ที่ปรับวงจร (ความถี่พาหะของสถานีส่งสัญญาณ) จะถูกแยกและขยายดังนั้นจึงจำเป็น เพื่อแยกส่วนประกอบความถี่ต่ำของสัญญาณ
วิทยุตรวจจับ
การตรวจจับ – กระบวนการแปลงสัญญาณความถี่สูงให้เป็นสัญญาณความถี่ต่ำ สัญญาณที่ได้รับหลังจากการตรวจจับสอดคล้องกับสัญญาณเสียงที่กระทำกับไมโครโฟนของเครื่องส่งสัญญาณ เมื่อขยายแล้ว การสั่นสะเทือนความถี่ต่ำก็สามารถเปลี่ยนให้เป็นเสียงได้
เครื่องตรวจจับ (ดีโมดูเลเตอร์)
ไดโอดใช้ในการแก้ไขกระแสสลับ
ก) สัญญาณ AM b) สัญญาณที่ตรวจพบ
เรดาร์
การตรวจจับและการกำหนดตำแหน่งของวัตถุอย่างแม่นยำและความเร็วของการเคลื่อนที่โดยใช้คลื่นวิทยุเรียกว่า เรดาร์ . หลักการของเรดาร์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการสะท้อนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากโลหะ
1 - เสาอากาศหมุน; 2 - สวิตช์เสาอากาศ; 3 - เครื่องส่ง; 4 - ตัวรับ; 5 - สแกนเนอร์; 6 - ตัวบ่งชี้ระยะทาง; 7 - ตัวบ่งชี้ทิศทาง
คลื่นวิทยุความถี่สูง (VHF) ใช้สำหรับเรดาร์ ด้วยความช่วยเหลือ ทำให้ลำแสงควบคุมทิศทางเกิดขึ้นได้ง่ายและมีกำลังการแผ่รังสีสูง ในช่วงเมตรและเดซิเมตรจะมีระบบสั่นแบบตาข่ายในช่วงเซนติเมตรและมิลลิเมตรจะมีตัวปล่อยพาราโบลา การระบุตำแหน่งสามารถทำได้ทั้งในโหมดต่อเนื่อง (เพื่อตรวจจับเป้าหมาย) และในโหมดพัลส์ (เพื่อกำหนดความเร็วของวัตถุ)
พื้นที่ใช้งานเรดาร์:
การบิน อวกาศ กองทัพเรือ: ความปลอดภัยในการสัญจรเรือในทุกสภาพอากาศและทุกเวลาของวัน การป้องกันการชนกัน ความปลอดภัยในการบินขึ้น ฯลฯ เครื่องบินลงจอด
กิจการทางทหาร: การตรวจจับเครื่องบินหรือขีปนาวุธของศัตรูอย่างทันท่วงที การปรับการยิงต่อต้านอากาศยานโดยอัตโนมัติ
เรดาร์ของดาวเคราะห์: การวัดระยะทางถึงพวกมัน, ชี้แจงพารามิเตอร์ของวงโคจรของมัน, กำหนดระยะเวลาการหมุนรอบตัวเอง, การสังเกตภูมิประเทศของพื้นผิว ในอดีตสหภาพโซเวียต (พ.ศ. 2504) - เรดาร์ของดาวศุกร์, ดาวพุธ, ดาวอังคาร, ดาวพฤหัสบดี ในสหรัฐอเมริกาและฮังการี (พ.ศ. 2489) - การทดลองรับสัญญาณที่สะท้อนจากพื้นผิวดวงจันทร์
โดยหลักการแล้ววงจรโทรคมนาคมจะเหมือนกับวงจรสื่อสารทางวิทยุ ข้อแตกต่างก็คือ นอกเหนือจากสัญญาณเสียงแล้ว สัญญาณภาพและสัญญาณควบคุม (การเปลี่ยนเส้นและการเปลี่ยนเฟรม) จะถูกส่งไปเพื่อซิงโครไนซ์การทำงานของเครื่องส่งและเครื่องรับ ในเครื่องส่ง สัญญาณเหล่านี้จะถูกมอดูเลตและส่ง โดยเสาอากาศจะรับสัญญาณเหล่านี้ในตัวรับ และแต่ละสัญญาณจะไปตามเส้นทางของตัวเองเพื่อประมวลผล
ลองพิจารณาหนึ่งในรูปแบบที่เป็นไปได้ในการแปลงภาพเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยใช้ไอคอนสโคป:
เมื่อใช้ระบบออพติคัล ภาพจะถูกฉายลงบนหน้าจอโมเสก เนื่องจากเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก เซลล์หน้าจอจึงมีความแตกต่างกัน ประจุบวก. ปืนอิเล็กตรอนสร้างลำแสงอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านหน้าจอ เพื่อคายประจุเซลล์ที่มีประจุบวก เนื่องจากแต่ละเซลล์เป็นตัวเก็บประจุ การเปลี่ยนแปลงประจุทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง - การสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้า จากนั้นสัญญาณจะถูกขยายและส่งไปยังอุปกรณ์มอดูเลต ในไคเนสสโคป สัญญาณวิดีโอจะถูกแปลงกลับเป็นรูปภาพ (ในรูปแบบต่างๆ ขึ้นอยู่กับหลักการทำงานของไคเนสสโคป)
เนื่องจากสัญญาณโทรทัศน์นำข้อมูลได้มากกว่าวิทยุ งานจึงดำเนินการที่ความถี่สูง (เมตร เดซิเมตร)
การแพร่กระจายของคลื่นวิทยุ
คลื่นวิทยุ –นี้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในช่วง (10 4
แต่ละส่วนของช่วงนี้จะถูกใช้ในตำแหน่งที่สามารถใช้ประโยชน์ได้ดีที่สุด คลื่นวิทยุที่มีช่วงต่างกันเดินทางในระยะทางที่ต่างกัน การแพร่กระจายของคลื่นวิทยุขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของบรรยากาศ พื้นผิวโลก โทรโพสเฟียร์ และไอโอโนสเฟียร์ก็มีอิทธิพลอย่างมากต่อการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุเช่นกัน
การแพร่กระจายคลื่นวิทยุเป็นกระบวนการส่งการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของช่วงวิทยุในอวกาศจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง โดยเฉพาะจากเครื่องส่งไปยังเครื่องรับ
คลื่นความถี่ต่างกันมีพฤติกรรมต่างกัน ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณสมบัติของการแพร่กระจายของคลื่นยาว ปานกลาง สั้น และเกินขีด
การแพร่กระจายคลื่นยาว
คลื่นยาว (§>1,000 ม.) แพร่กระจาย:
ในระยะทางไกลถึง 1-2 พันกิโลเมตร เนื่องจากการเลี้ยวเบนบนพื้นผิวทรงกลมของโลก สามารถสัญจรไปมาได้ โลก(รูปที่ 1). จากนั้นการแพร่กระจายจะเกิดขึ้นเนื่องจากการชี้นำของท่อนำคลื่นทรงกลมโดยไม่มีการสะท้อนกลับ
ข้าว. 1
คุณภาพการเชื่อมต่อ:
ความมั่นคงในการรับสัญญาณ คุณภาพการรับสัญญาณไม่ได้ขึ้นอยู่กับช่วงเวลาของวัน ปี หรือสภาพอากาศ
ข้อบกพร่อง:
เนื่องจากการดูดซับคลื่นอย่างแรงในขณะที่มันแพร่กระจายไป พื้นผิวโลกต้องใช้เสาอากาศขนาดใหญ่และเครื่องส่งสัญญาณที่ทรงพลัง
การปล่อยบรรยากาศ (ฟ้าผ่า) ทำให้เกิดการรบกวน
การใช้งาน:
ช่วงนี้ใช้สำหรับการออกอากาศทางวิทยุ การสื่อสารด้วยวิทยุโทรเลข บริการนำทางด้วยวิทยุ และการสื่อสารกับเรือดำน้ำ
มีสถานีวิทยุกระจายเสียงสัญญาณเวลาและรายงานสภาพอากาศจำนวนไม่มาก
คลื่นปานกลาง ( =100..1,000 ม.) แพร่กระจาย:
เช่นเดียวกับคลื่นยาว พวกมันสามารถโค้งงอรอบพื้นผิวโลกได้
เช่นเดียวกับคลื่นสั้น พวกมันสามารถสะท้อนซ้ำๆ จากชั้นบรรยากาศรอบนอกได้เช่นกัน
คุณภาพการเชื่อมต่อ:
ช่วงการสื่อสารสั้น สถานีคลื่นกลางสามารถได้ยินได้ในระยะหลายพันกิโลเมตร แต่มีการรบกวนในชั้นบรรยากาศและอุตสาหกรรมในระดับสูง
ใช้สำหรับการสื่อสารอย่างเป็นทางการและสมัครเล่นและเพื่อการแพร่ภาพกระจายเสียงเป็นหลัก
คลื่นสั้น (ï=10..100 ม.) แพร่กระจาย:
สะท้อนซ้ำจากชั้นไอโอโนสเฟียร์และพื้นผิวโลก (รูปที่ 2)
คุณภาพการเชื่อมต่อ:
คุณภาพการรับสัญญาณของคลื่นสั้นนั้นขึ้นอยู่กับกระบวนการต่างๆ ในชั้นบรรยากาศรอบนอกที่เกี่ยวข้องกับระดับของกิจกรรมสุริยะ ช่วงเวลาของปี และช่วงเวลาของวัน ไม่จำเป็นต้องมีเครื่องส่งกำลังสูง ไม่เหมาะสำหรับการสื่อสารระหว่างสถานีภาคพื้นดินและยานอวกาศ เนื่องจากไม่ผ่านชั้นบรรยากาศรอบนอก
การใช้งาน:
เพื่อการสื่อสารทางไกล สำหรับโทรทัศน์ วิทยุกระจายเสียง และวิทยุสื่อสารที่มีวัตถุเคลื่อนไหว สถานีวิทยุโทรเลขและโทรศัพท์ของแผนกเปิดให้บริการ ช่วงนี้เป็น "ประชากร" มากที่สุด
คลื่นสั้นเกินขีด (ล
บางครั้งอาจสะท้อนจากเมฆ ดาวเทียมเทียม หรือแม้แต่จากดวงจันทร์ก็ได้ ในกรณีนี้ระยะการสื่อสารอาจเพิ่มขึ้นเล็กน้อย
การรับคลื่นที่สั้นมากเป็นพิเศษนั้นมีลักษณะการได้ยินที่คงที่ ไม่มีการซีดจาง และการรบกวนต่างๆ ลดลง
การสื่อสารบนคลื่นเหล่านี้ทำได้เฉพาะในระยะแนวสายตาเท่านั้น ล(รูปที่ 7)
เนื่องจากคลื่นที่สั้นมากไม่แพร่กระจายเกินขอบฟ้า จึงจำเป็นต้องสร้างตัวส่งสัญญาณระดับกลาง - ตัวทวนสัญญาณจำนวนมาก
ทบทวน- อุปกรณ์ที่ตั้งอยู่ที่จุดกึ่งกลางของสายสื่อสารวิทยุเพื่อขยายสัญญาณที่ได้รับและส่งสัญญาณเพิ่มเติม
ออกอากาศซ้ำ- การรับสัญญาณที่จุดกึ่งกลาง การขยายและการส่งสัญญาณไปในทิศทางเดียวกันหรือทิศทางอื่น การถ่ายทอดได้รับการออกแบบเพื่อเพิ่มช่วงการสื่อสาร
มีสองวิธีในการถ่ายทอด: ดาวเทียมและภาคพื้นดิน
ดาวเทียม:
ดาวเทียมรีเลย์ที่ใช้งานอยู่จะรับสัญญาณ สถานีภาคพื้นดินขยายสัญญาณ และส่งสัญญาณไปยังโลกในทิศทางเดียวกันหรือทิศทางอื่นผ่านเครื่องส่งสัญญาณทิศทางอันทรงพลัง
พื้น:
สัญญาณจะถูกส่งไปยังสถานีวิทยุอะนาล็อกหรือดิจิตอลภาคพื้นดินหรือเครือข่ายของสถานีดังกล่าว จากนั้นจึงส่งต่อในทิศทางเดียวกันหรือต่างกัน
1 – เครื่องส่งสัญญาณวิทยุ
2 – เสาอากาศส่งสัญญาณ, 3 – เสาอากาศรับสัญญาณ, 4 – เครื่องรับวิทยุ
การใช้งาน:
เพื่อติดต่อ ดาวเทียมประดิษฐ์โลกและ
VHF แบ่งออกเป็นช่วงต่อไปนี้:
คลื่นเมตร - ตั้งแต่ 10 ถึง 1 เมตร ใช้สำหรับการสื่อสารทางโทรศัพท์ระหว่างเรือ เรือ และการบริการท่าเรือ
เดซิเมตร - ตั้งแต่ 1 เมตร ถึง 10 ซม. ใช้สำหรับการสื่อสารผ่านดาวเทียม
เซนติเมตร - ตั้งแต่ 10 ถึง 1 ซม. ใช้ในเรดาร์
มิลลิเมตร - ตั้งแต่ 1 ซม. ถึง 1 มม. ใช้ในการแพทย์เป็นหลัก