11-2 平面简谐波的波函数

1.波函数

为了定量地描述波在空间的传播,需要用数学函数式来表示介质中各质点的振动状态随时间变化的关系。这样的关系式称为波动表达式,或称为波函数。一般写成

        
可以表示各种各样的物理量。例如质点的位移、弹性介质的形变、气体的压强等等,它反映了任一时刻振动着的物理量在空间的分布情况。

2.平面简谐波的波函数

平面简谐波(余弦波或正弦波)最为简单,也最为基本.我们先讨论平面余弦行波在理想的无吸收的均匀无限大介质中传播时的波函数。

平面简谐波传播时,介质中各质点都作同一频率的简谐振动,但在任一时刻,各点的振动相位一般不同,它们的位移也不相同,但根据波阵面的定义知道,在任一时刻处在同一波阵面上的各点有相同的相位,它们离开各自的平衡位置有相同的位移。如图11-6所示。因此,只要知道了与波阵面垂直的任意一条波线上波的传播规律,就可以知道整个平面波的传播规律。

如图11-7所示,设有一平面余弦行波,在无吸收的均匀无限介质中沿轴的正方向传播,波速为。取任意一条波线为轴,并取作为轴的原点。假定点处(即处)质点的振动表达式


图11-6

        

现在考察波线上另一任意点,该点离开点的距离为,平衡位置位于点的质点在时刻的位移将是多少呢?因为振动是从点处传过来的,所以点振动的相位将落后于点。如果振动从传到点所需的时间为,那么,在时刻点处质点的位移就是点处质点在时刻的位移,(从相位来说,点将落后于点,其相位差为)。由于所讨论的是平面波,而且在无吸收的均匀介质中传播,所以各质点的振幅相等(理由见下节),于是点处质点在时刻的位移为


图11-7

        

若介质中的波速为,则,代人上式并将下角标省去得到

(11-2)

上式所表示的是波线上任一点(距原点为)处的质点任一瞬时的位移,这就是我们所需要的沿轴方向前进的平面简谐波的波函数。

我们把单位长度上波的相位变化称为角波数,用表示,它的数值等于长度内所包含的完整波的个数,则

利用关系式,可以将平面简谐波的波函数改写成多种形式

(11-3a)
(11-3b)
(11-3c)

为了弄清楚波函数的物理意义,必须作进一步分析。在波函数中含有两个自变量,可分别讨论如下:

给定,由波表达式可得质点的运动规律

给定,由波表达式可得时刻轴上各质点离开平衡位置的距离分布,即波形。

最后,如果都在变化,那么这个波函数将表示波线上各个不同质点在不同时刻的位移,或更形象地说,这个波动表达式反映了波形的传播

在导出上述平面余弦波的波函数时,我们假定波动是沿着轴的正方向传播的,如果波动沿轴的负方向传播,则

(11-4)

应该注意区别波形的传播速度和介质中质点的振动速度