波动
一维波动
One-Dimensional Waves
一维波动函数 (The one-dimensional wave function)
一维微分波动方程 (The one-dimensional differential wave equation)
推导过程
已知一维波动函数为
- I
首先对
- II
对
- III
至此,我们得到了
将上面两个式子结合,可得
- IV
继续,对
- V
对
因为
对上式代入式 (2)
- VI
整理 IV 和 V 的结果,可得
合并式 (3) 和 (4),可得
谐波
Harmonic Waves
一般形式
其中
是一个正的常数,被称作波数 (propagation number / wave number)。这里的 是必要的,这是因为三角函数的参数必须为无量纲量。 的量纲是【长度】,因此 在物理量纲上是不自洽的。为此引入 并令其量纲为【长度-1】,这样 的量纲为【无量纲】,从而 在物理量纲上是自洽的。 是振幅 (amplitude)。
空间周期性 (Spatial Periodicity)
谐波具有空间周期性,用数学语言描述为
其中
被称作波长 (wavelength)。
推导过程
展开分析
合并上面两个式子,可得
因此
时间周期性 (Temporal Periodicity)
其中
被称作周期 (period)。
推导过程
这里
因此得到
符号整理
| 符号 | 名称 | 单位 (SI) | 常用关系式 |
|---|---|---|---|
| 振幅 (Amplitude) | m | - | |
| 角波数 (Propagation Number) | rad/m | ||
| 波速 (Wave Speed) | m/s | ||
| 波长 (Spatial Period, Wavelength) | m | ||
| 周期 (Temporal Period, also | s | ||
| 频率 (Temporal Frequency) | Hz | ||
| 角频率 (Angular Temporal Frequency) | rad/s | ||
| 波数 (Spatial Frequency, Wave Number) | m⁻¹ |
其它
最常使用的两种谐波表达式:
相位和相速度
Phase
固定位置
类似地,固定时间
于是有
(Problem 2.34)
叠加原理
The Superposition Principle
对于波速 (wave speed) 相同的两种波,叠加后仍然满足波动方程:
复数表示法
The Complex Representation
其中
is the magnitude of is the phase of
约定
相量与波的叠加
Phasors and the Addition of Waves
平面波
Plane Waves
波前 (Wavefront / Equiphase Surface)
三维微分波动方程
The Three-Dimensional Differential Wave Equation
球面波
Spherical Waves
柱面波
Cylindrical Waves
