к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Нормальные волны (собственные волны)

Нормальные волны (собственные волны) - бегущие гармонич. волны в линейной динамической системе с пост. параметрами, в к-рой можно пренебречь поглощением и рассеянием энергии. Н. в. являются обобщением понятия нормальных колебаний на открытые области пространства и незамкнутые волноводные системы, в т. ч. на однородные и неоднородные безграничные среды, разл. типы волноводов и волновых каналов, струны, стержни, замедляющие системы, цепочки связанных осцилляторов и др.
Совокупность нормальных волн обладает след. свойствами. 1. Каждая нормальная волна является свободным (без стороннего воздействия) движением системы и может быть возбуждена независимо от других нормальных волн спец. выбором нач. условий. 2. Произвольный волновой процесс в системе без источников может быть однозначно представлен в виде суперпозиции Н. в. 3. Спектр частот нормальных волн является сплошным, реальные процессы могут быть представлены в виде интегральных сумм нормальных волн.
Понятие нормальных волн применяется и к системам конечной протяжённости, где, однако, их следует рассматривать как вынужденные движения, возбуждаемые гармонич. источниками, распределёнными вне области наблюдения, а совокупность нормальных волн должна быть дополнена спадающими от источников "ближними" долями. В объёмных резонаторах в диапазоне высоких собств. частот допустимо описание процессов в виде суперпозиций как нормальных колебаний с дискретным спектром, так и нормальные волны со сплошным спектром. Такой дуализм динамич. поведения свойствен физ. объектам, включая природные каналы внутренних волн, волн цунами в океане, сейсмич. волн в земной коре, радиоканал Земля - ионосфера и др.
В напб. простом случае сред и волноводиых систем, параметры к-рых не меняются вдоль нек-рого направления (напр., вдоль оси z), нормальные волны синусоидальны не только во времени, но и в пространстве и обладают неизменной поперечной структурой: ai= Ai(r1,15003-76.jpg)cos (15003-77.jpgt - kzz), где15003-78.jpg - циклич. частота, kz - продольное волновое число (с ним связаны продольная длина волны15003-79.jpg и фазовая скорость15003-80.jpg), Ai - амплитудное распределение одной из компонент волнового поля, зависящее только от поперечных к оси z координат r.
Связь между15003-81.jpgи kzопределяет дисперсионные свойства нормальных волн и, как правило, является неоднозначной - одному значению kz соответствует набор Н. в. с разными частотами. Нормальные волны, частоты и волновые числа к-рых принадлежат отд. непрерывной дисперсионной ветви многозначной функции 15003-82.jpg относятся к одной нормальной моде системы (или просто моде). Моды различаются либо амплитудными и поляризац. структурами полей, либо фпз. природой процессов. В случаях вырождения одной дисперсионной ветви соответствует неск. линейно независимых мод, их число наз. кратностью вырождения. Возможны также вырождения нормальных волн при фиксир. значениях15003-83.jpgи kz, соответствующих точкам пересечения или касания дисперсионных ветвей.
Одно из наиб. важных свойств разложений полей по нормальным волнам заключается в распространении принципа суперпозиции на нек-рые эпергетич. характеристики движения. Так, в произвольном гармонич. процессе (представляющем сложную картину пространств. биений нормальных волн с одинаковыми частотами, но разными длинами волн) полный поток энергии (усреднённый по периоду Т =15003-84.jpg)равен сумме парциальных потоков энергии отд. Н. в. Волновые пакеты при своём распространении разбиваются на пакеты, объединяющие Н. в. одной моды; при этом полная энергия процесса равна сумме энергий одномодовых пакетов. Понятие групповой скорости15003-85.jpg может быть введено только для одномодовых волновых пакетов.
В однородных безграничных средах нормальные волны принято называть однородными плоскими волнами, распространяющимися в произвольных направлениях. В изотропных средах волновое число k0не зависит от направления распространения, а поляризация поперечных волн может быть произвольной (двукратное поляризац. вырождение). В анизотропных и гиротропных средах k0 зависит от направления распространенпя, а поляризац. вырождение снимается (соответственно различают обыкновенные и необыкновенные нормальные волны). На рис. 1 приведены дисперсионные ветви Н. в. в изотропной неизотермич. плазме. Частотные спектры поперечных эл--магн. и ленгмюровских волн ограничены снизу электронной плазм, частотой15003-86.jpg спектр понно-звуковых волн ограничен сверху ионной плазм. частотой15003-87.jpgзначения частот и волновых чисел, ограничивающих дисперсионную ветвь, наз. критическими для данной моды.
В экранир. волноводных системах (металлич. радиоволноводы, акустич. трубы, упругие пластины, звуковые каналы в водоёмах с твёрдым дном и т. д.) существует бесконечное счётное множество мод, поля к-рых локализованы в поперечных сечениях отражающими границами (экранами). Структура мод определяется формой поперечных двумерных нормальных колебаний (kz = 0, d/dz = 0), а критич. частоты мод - собств. частотами этих колебаний15003-88.jpgп = 1, 2, ... (рис. 2). При15003-89.jpg данной моде соответствуют экспоненциально спадающие или нарастающие поля15003-90.jpg каждое из к-рых, взятое в отдельности, не может переносить энергию. Однако комбинации сдвинутых по фазе спадающих и растущих полей определяют "просачивание" энергии через закрптич. область, где волны распространяться не могут, - т. н. туннельный эффект.

15003-91.jpg

Рис. 1. Дисперсия нормальных волн в изотропной неизотермической плазме: 1 - поперечные электромагнитные волны; 2 - ленгмюровские волны; 3 - ионно-звуковые волны.
15003-92.jpg

Рис. 2. Дисперсия нормальных волн в экранированных системах: 1 - квазистатические моды; h - декремент экспоненциально спадающих мод.

В волноводах с однородным заполнением фазовые15003-93.jpg и групповые15003-94.jpg скорости нормальных волн и однородных плоских волн в среде заполнения15003-95.jpg15003-96.jpg связаны универсальным соотношением

15003-97.jpg

В коротковолновом пределе диапазона (kz - >15003-98.jpg) дисперсионные ветви мод стремятся к общей асимптоте (асимптотич. вырождение), совпадающей с ветвью однородных волн в среде заполнения (пунктирная линия 1 на рис. 2) . В акустич. трубах и неодносвязных радиоволноводах (в коаксиальных и многожильных кабелях, а также в открытых длинных линиях) эта асимптота сама является одной из ветвей нормальных волн системы - т. н. квазистатич. нормальных волн, существующих при15003-99.jpg и при любой частоте имеющих статич. поперечную структуру (напр., электростатическую и магнитостатическую). В N-жильном кабеле квазистатич. моды N-кратно вырождены, что используется в системах многоканальной передачи информации.
В открытых волновых каналах поперечная локализация нормальных волн происходит в результате полного внутреннего отражения либо на резких границах раздела сред (диэлектрич. волноводы, световоды), либо на плавных неоднородностях среды (звуковые каналы в океане и атмосфере, ионосферные радиоканалы, каналы внутр. волн в океане и др.). Совокупность локализованных (или захваченных) мод дискретна, но (в отличие от экранир. систем) не является полной. В волновых каналах существует сплошное множество т. н. незахваченных мод, не спадающих при15003-100.jpg
Предельным случаем волновых каналов являются резкие границы раздела сред, вдоль к-рых могут распространяться поверхностные нормальные волны.
Понятие нормальных волн обобщается на продольно-периодич. структуры: гофриров. волноводы, замедляющие системы, цепочки четырёхполюсников, среды с равномерным шпром анизотропии (напр., жидкие кристаллы) и т. д.
Значение нормальных волн в физике, технике, природе определяется их уникальной структурной устойчивостью по отношению к малым, а также к медленным и плавным изменениям параметров системы. Это свойство допускает возможность довольно широкого (хотя и не вполне строгого) распространения понятия нормальных волн на системы со слабыми потерями и нелинейными взаимодействиями, искривлённые, деформированные, заполненные неоднородной средой, на системы с флуктуациями параметров и шероховатостями экранов. Метод нормальных волн (т. е. разложение полей по нормальным волнам модельных систем) применяется при изучении природных волновых явлений (эл--магн., акустич., гидродинамич., сейсмич., плазм., гравитационных и т. д.) и при конструировании волноводных техн. устройств.

Литература по нормальным волнам (собственным волнам)

  1. Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959;
  2. Вайнштейн Л. А., Электромагнитные волны, 2 изд., М., 1988;
  3. Бреховских Л.М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973;
  4. Завадский В. Ю., Вычисление волновых полей в открытых областях и волноводах, М., 1972;
  5. Никольский В. В., Никольская Т. И. Электродинамика и распространение радиоволн, 3 изд., М., 1989.

М. А. Миллер, Г. В. Пермитин

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 21.11.2019 - 05:38: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
21.11.2019 - 05:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Марины Мелиховой - Карим_Хайдаров.
20.11.2019 - 07:03: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
19.11.2019 - 09:07: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
18.11.2019 - 19:10: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
16.11.2019 - 12:16: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Игоря Кулькова - Карим_Хайдаров.
15.11.2019 - 06:45: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
14.11.2019 - 12:35: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Светланы Вислобоковой - Карим_Хайдаров.
13.11.2019 - 19:20: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА КРИМИНАЛИЗАЦИИ ЭКОНОМИКИ - Карим_Хайдаров.
12.11.2019 - 11:53: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Бориса Сергеевича Миронова - Карим_Хайдаров.
12.11.2019 - 11:49: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Веры Лесиной - Карим_Хайдаров.
10.11.2019 - 23:14: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Кирилла Мямлина - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution