Вместо периода Т часто пользуются частотой v, равной числу периодов в единицу времени: v = 1/Т. Между v и λ имеет место соотношение: λv = с. (В технике обычно вместо v применяют обозначение f .) В теории В. пользуются также понятием волнового вектора, по абсолютной величине равного k = 2π/λ = 2πv /c , т. е. равного числу В. на отрезке 2π и ориентированного в направлении распространения В.
Гармоническая В. Амплитуда и фаза. В гармонической В. изменения колеблющейся величины W во времени происходит по закону синуса (или косинуса) и описывается в каждой точке формулой: W = A sin 2πt/T (см. Колебания ). Величина W в положении равновесия принята равной нулю. А — амплитуда В., т. е. значение, которое эта величина принимает при наибольших отклонениях от положения равновесия. В любой другой точке, расположенной на расстоянии r от первой в направлении распространения В., колебания происходят по такому же закону, но с запозданием на время t1 = r/c , что можно записать в виде:
W = A sin (2π/T ) (t -t1 ) = A sin (2π/T ) (t -r/c ).
Выражение (j = (2p/T ) (t- r/c ) называется фазой В. Разность фаз в двух точках r1 и r2 равна:
j2 - j1 = (2p/Tc ) (r2 - r1 ) = (2p/l) (r2 - r1 ).
В точках, отстоящих друг от друга на целое число В., разность фаз составляет целое число 2p, т. е. колебания в этих точках протекают синхронно — в фазе. Наоборот, в точках, отстоящих друг от друга на нечётное число полуволн, т. е. для которых r2 - r1 = (2N - 1)l/2, где N = 1, 2..., разность фаз равна нечётному числу p, т. е. j2 - j1 = (2N - 1)p. Колебания в таких точках происходят в противофазе: в то время, как отклонение в одной равно А , в другой оно обратно по знаку, т. е. равно — А и наоборот.
Распространение В. всегда связано с переносом энергии, который можно количественно характеризовать вектором потока энергии 1 . Этот вектор для упругих В. называется вектором Умова (по имени русского учёного А. А. Умова, введшего это понятие), для электромагнитных — вектором Пойнтинга. Направление вектора Умова совпадает с направлением переноса энергии, а абсолютная величина равна энергии, переносимой В. за единицу времени через площадку 1 см2 , расположенную перпендикулярно вектору I . При малых отклонениях от положения равновесия I = КА, где К — коэффициент пропорциональности, зависящий от природы В. и свойств среды, в которой В. распространяется.
Поверхности равных фаз, фронт В. Важной характеристикой В. является вид поверхностей равных фаз, т. е. таких поверхностей, в любой точке которых в данный момент времени фазы одинаковы. Форма поверхности равной фазы зависит от условий возникновения и распространения В. В простейшем случае такими поверхностями являются плоскости, перпендикулярные направлению распространения В., а В. называется плоской. В., у которых поверхностями равных фаз являются сферы и цилиндры, называются соответственно сферическими и цилиндрическими. Поверхности равных фаз называются также фронтами В. В случае конечной или одиночной В. фронтом называется передний край В., непосредственно граничащий с невозмущённой средой.
Интерференция В. При приходе в данную точку среды двух В. их действие складывается. Особо важное значение имеет наложение так называемых когерентных В. (т. е. В., разность фаз которых постоянна, не меняется со временем). В случае когерентности В. имеет место явление, называемое интерференцией: в точках, куда обе В. приходят в фазе, они усиливают друг друга; в точках же, куда они попадают в противофазе, — ослабляют друг друга. В результате получается характерная интерференционная картина (см., например, рис. 3 ). См. такжеИнтерференция света , Когерентность .
Стоячие В., собственные колебания. При падении плоской В. на плоское же отражающее препятствие возникает отражённая плоская В. Если при распространении В. в среде и при отражении их от препятствия не происходит потерь энергии, то амплитуды падающей и отражённой В. равны между собой. Отражённая В. интерферирует с падающей В., в результате чего в тех точках, куда падающая и отражённая В. приходят в противофазе, результирующая амплитуда падает до 0, т. е. точки всё время остаются в покое, образуя неподвижные узлы колебаний, а в тех местах, где фазы В. совпадают, В. усиливают друг друга, образуя пучности колебаний. В результате получается так называемая стоячая В. (рис. 4 ). В стоячей В. поток энергии отсутствует: энергия в ней (при условии, что потерь нет) перемещается только в пределах, ограниченных смежными узлом и пучностью.
Стоячая В. может существовать также и в ограниченном объёме. В частности, в случае, изображённом на рис. 4, на месте ВВ можно вообразить себе такое же препятствие, что и справа. Между двумя стенками будет существовать стоячая В., если расстояние между ними равно целому числу полуволн. Вообще стоячая В. может существовать в ограниченном объёме лишь в том случае, если длина В. находится в определённом соотношении с размерами объёма. Это условие выполняется для ряда частот v1 , v2 , v3 ,..., называется собственными частотами данного объёма.
Дифракция. При падении В. на непрозрачное для неё тело или на экран позади тела образуется теневое пространство (заштриховано на рис. 5 , а и 5 , б). Однако границы тени не резки, а размыты, причём размытость увеличивается при удалении от тела. Это явление огибания тела В. называется дифракцией. На расстояниях порядка d2/ l от тела, где d — его поперечный размер, тень практически полностью смазана. Чем больше размеры тела, тем большее пространство занимает тень. Тела, размеры которых малы по сравнению с длиной В., вообще не создают тени, они рассеивают падающую на них В. во всех направлениях. Изменение амплитуды В. при переходе из «освещённой» области в область тени происходит по сложному закону с чередующимися уменьшением и увеличением амплитуды (рис. 6 , а и 7 ), что обусловлено интерференцией В., огибающих тело.
Дифракция имеет место также при прохождении В. через отверстие (рис. 5 , б и 6 , б), где она также выражается в проникновении В. в область тени и в некотором изменении характера В. в «освещённой» области: чем меньше диаметр отверстия по сравнению с длиной В., тем шире область, в которую проникает В. См. также Дифракция света .
Поляризация В. Как уже сказано, плоскость, в которой происходят колебания поперечной В., перпендикулярна направлению распространения. Эта особенность поперечных В. обусловливает возможность возникновения явления поляризации, которая заключается в нарушении симметрии распределения возмущений (например, смещений и скоростей в механических В. или напряжённостей электрических и магнитных полей в электромагнитных В.) относительно направления распространения. В продольной В., в которой возмущения всегда направлены вдоль направления распространения В., явления поляризации возникнуть не могут.
Если колебания возмущения Е происходят всё время в каком-то одном направлении (рис. 8 , а), то имеет место простейший случай линейно-поляризованной, или плоско-поляризованной В. Возможны и другие, более сложные типы поляризации. Например, если конец вектора Е , изображающего возмущение, описывает эллипс или окружность в плоскости колебаний (рис. 8 , б), то имеет место эллиптическая или круговая поляризация. Скорость распространения поперечных В. может зависеть от состояния поляризации.
