|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Интерференция волн |
 | |
Анимация
0
Описание
Интерференцией волн (ИВ) называется явление усиления или ослабления амплитуды (интенсивности) результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства.
Пусть в среде одновременно существуют несколько акустических волн, причем в некоторых точках среды отдельные волны пересекаются друг с другом, и закон движения соответствующих точек среды определяется суммарным воздействием всех колебаний. Если в процессе упругих колебаний суммарные смещения частиц среды не выходят за пределы области действия закона Гука, то имеет место простая суперпозиция отдельных колебаний, и каждая из акустических волн распространяется независимо от других (рис. 1).
Сложение колебаний, порождаемых в двумя волнами, сдвинутыми по фазе на одну восьмую периода
Рис. 1
В простейшем (одномерном) случае распространения в одном направлении двух гармонических волн одинаковой частоты f с разными амплитудами А1 и А2 в данной точке среды одновременно существуют два колебания:
A1 = А10 sin(2pft + j1); A2 = А20 sin(2pft + j2),
где j1 и j2 - начальные фазы (при t = 0) первого и второго колебаний соответственно, рад.;
p = 3.141592.
Тогда, в соответствии с принципом суперпозиции, результирующее колебание имеет вид A =А1 + А2= А·sin(2pft + j), т.е. совершается с той же частотой по гармоническому закону. Выражения для амплитуды и фазы результирующего колебания имеют вид:
A = ((A12 + A22 + 2A1·A2 cos(j2 - j1)))1/2;
tg j = (A1·sin j1 + A2sin j2)/(A1·cos j1 + A2·cos j2).
Очевидно, если фазовый сдвиг (j2 - j1)= 2pn (где n = 0; 1; 2; ...), то A =А1 + A2, т.е. происходит наибольшее усиление амплитуды результирующей волны; если (j2 - j1) = p(2n + 1), то A = кА1 - А2 к, т.е. результирующая волна претерпевает наибольшее ослабление, а в частном случае, когда А1 = А2, интерферирующие волны взаимно гасят друг друга.
Картина интерференции двух волн на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле, например, звукового давления.
Важным частным случаем ИВ является суперпозиция плоской волны с ее отражением от плоской границы; при этом если коэффициетн отражения волны от плоскости равен единице, то образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе (рис. 2).
Образование стоячей волны при интерференции двух встречных волн равной амплитуды
Рис. 2
Для группы двух или более источников интерференционная картина вдали от источников не одинакова в разных направлениях. Это явление лежит в основе направленного действия акустических антенн в гидролокации и т.п.
При интерференции гармонических волн с разными частотами результирующая картина перемещается в пространстве вследствие изменения разности фаз с течением времени и, при усреднении на больших временах, полностью смазывается; поэтому часто говорят, что волны разных частот не интерферируют. Если разность частот интерферирующих волн достаточно мала, то колебательные движения в точках среды (где происходит ИВ) принимают вид биений (рис. 3).
Возникновение биений при сложении двух близких по частоте волн
Рис. 3
Ключевые слова
Разделы наук
Используется в научно-технических эффектах
 | Специальное помещение для создания диффузного звукового поля (Реверберационная камера) |
Используется в областях техники и экономики
| 1 | | Технологии и техника, применяемые в строительстве |
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
| 1 | | Когерентное сложение двух или нескольких волн (Интерференция волн) |
Применение эффекта
На явлении ИВ основан принцип действия приборов для исследования физических свойств жидкостей, газов и твердых тел путем определения в них фазовых скоростей упругих волн. В зависимости от линейных масштабов изучаемого объекта выбирается рабочий диапазон частот таким образом, чтобы на длине объекта укладывалось не менее одной полуволны. Соответственно, при изучении свойств малых образцов, слоистых структур, пленок и т.п. используют ультразвуковые частоты. В гидроакустике, геофизической разведке полезных ископаемых рабочими являются акустический и сейсмический диапазоны частот.
Одним из приложений интерференционного метода в области строительства, горного дела, а также автоматизации прецизионного определения размеров изделий в ряде технологических процессов является интерференционная толщинометрия.
Общие схемы и принципы действия интерферометров показаны на рис. 4 и рис. 5.
Схема интерферометра для измерения фазовых скоростей волн в жидкостях и газах
Рис. 4
Обозначения:
1 - исследуемая среда;
2 - пьезопреобразователь;
3 - генератор;
4 - схема регистрации;
5 - рефлектор;
6 - отсчетный механизм.
Схема интерферометра для измерения толщины твердых материалов (толщинометр)
Рис. 5
Обозначения:
1 - материал (изделие);
2 - пьезопреобразователь;
3 - "дальняя" граница объекта;
4 - генератор;
5 - система регистрации (усилитель, АЦП, ЭВМ).
Принцип измерения фазовой скорости (рис. 4, f = const): L1 = nl /2, L2 = (n + 1)l /2. Следовательно, l = 2(L2 - L1), т.е. путем изменения расстояния L осуществляют настройку на "соседние" максимумы или минимумы. c = lf = 2(L2 - L1) = 2DLf.
Принцип измерений (рис. 5): c = const, L = nl1 /2, L = (n + 1)l2 /2, где l1 = c/f1, l2 = c/f2. Настройка на соседние интерференционные экстремумы осуществляется путем изменения частоты. L = c/2f - базовая расчетная формула.
Поскольку явление интерференции универсально для волн любой природы, в том числе для электромагнитных, на аналогичных принципах основано действие интерференционных установок оптического рентгеновского и др. диапазонов электромагнитных волн, используемых для точных измерений длин волн спектральных линий, показателей преломления различных сред в физике твердого тела, астрофизике, геодезии (лазерные светодальномеры) и т.д.
Реализации эффекта
Простейшая реализация: ставим на стол “лоб в лоб” друг другу на расстоянии порядка метра 2 одинаковых динамика и подаем на них переменное напряжение от одного источника с частотой порядка килогерца. Перемещая микрофон вдоль оси системы, наблюдаем узлы и пучности стояией волны.
Литература
1. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой.- М.: Советская Энциклопедия, 1979.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
