注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

周法哲的博客

重新认识我们的世界

 
 
 

日志

 
 
关于我

做过工,开过荒,教过书,扛过枪,当过干部仍在党,现任公司董事长。业余以探索天地人和谐之道为乐!

网易考拉推荐

(原创)隔墙有耳为哪般?(图)  

2009-05-10 00:27:56|  分类: 科学的皇后 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

在日常生活中,可以发现有这种现象:院子围墙内的人说话,可以被围墙外的无关人员听到,甚至泄露秘密。这是什么原因呢?

原来声波有很强的绕射能力,可以绕过障碍物扩散传播。1690年惠更斯最早发现这个原理,把这种现象叫做衍射现象。不仅声波,而且所有的各种波都存在衍射现象。并且相对于障碍物或小孔的尺寸,波长越长,衍射现象越明显。衍射是波所特有的现象。由于人说话的声波在空气中的波长大都在几米左右,与几米高的围墙相比尺寸足够大,因而绕射能力较强,所以“隔墙有耳”就不奇怪了!

在无线电波中,频率在300kHz(千赫兹)以下的叫做长波,在300kHz~3MHz(兆赫兹)范围内的叫中波,在3MHz~30MHz的叫短波,在30MHz~300MHz的叫超短波,在300MHz~30GHz(吉赫兹)的叫微波,频率再高就属于光波啦!

长波无线电在空气中的波长是1~10km(公里)以上,绕射能力极强,即使珠穆朗玛峰也能绕过,所以常用来导航。中波的波长在100~1000m(米),绕过城市建筑没有问题,所以常常用于广播电台。短波的波长在10~100m,对一般的地面障碍物衍射现象也比较明显,也可以用于广播电台和短波通信。超短波、微波以上的电磁波波长较小,对日常障碍物的绕射能力较弱,主要依靠直线传播,所以即使用于电视台、手机通信在地面也传播不远,需要通信卫星、手机基站等中继转播或线缆传播。

对于30GHz以上的光频电磁波――光波,比如红外光、可见光、紫外光、X射线、γ射线等,波长都在1cm(厘米)以下,对于一般尺寸的障碍物大部分都绕不过去,但对于尺寸很小的小孔或窄缝,衍射现象还是比较明显的。

1918年菲涅耳在研究了光的干涉现象后,第一次成功地解释了光波衍射的成因,把惠更斯原理发展成为著名的“惠更斯-菲涅耳原理”:波阵面上各面元都可以看成是子波源,空间任一点的振动是所有子波在该点相干叠加的结果。

惠更斯-菲涅耳原理不仅可以解释各种波(包括机械波、电磁波)的绕射现象,而且还揭示了衍射现象中波的能量重新分布的客观规律。基本理论简述如下:

设波阵面S上任一面元为dS,面元的法向单位矢量为n,空间中任一点P距面元的距离为r,矢径r与n的夹角为θ。如下图所示:

(原创)隔墙有耳为哪般?(图) - 周法哲 - 周法哲的博客 

每个面元都可以看作一个子波源,设为

(原创)隔墙有耳为哪般?(图) - 周法哲 - 周法哲的博客

由于是在同一波阵面上的面元,所以各子波的初相位φ0相同。传播到P点时的相位为

(原创)隔墙有耳为哪般?(图) - 周法哲 - 周法哲的博客

振幅为

(原创)隔墙有耳为哪般?(图) - 周法哲 - 周法哲的博客

其中振幅与面元dS成正比,与距离r成反比,C为比例系数;基尔霍夫倾斜因子为

(原创)隔墙有耳为哪般?(图) - 周法哲 - 周法哲的博客

则每一个面元(子波源)在P点产生的振动为

(原创)隔墙有耳为哪般?(图) - 周法哲 - 周法哲的博客

空间任一点P处的振动应该等于所有面元子波在P点的叠加,即

(原创)隔墙有耳为哪般?(图) - 周法哲 - 周法哲的博客

(原创)隔墙有耳为哪般?(图) - 周法哲 - 周法哲的博客

由上述分析过程可知,这些面元的子波源具有相同频率、相同振动方向和恒定的相位差(这里为0),所以空间任一点P处的合振动属于它们相干叠加的结果。可见衍射现象的本质仍然属于波的干涉,只不过相干波有无限多列。我们习惯上把有限多列相干波的叠加叫做干涉,把无限多列相干波的叠加叫做衍射。

需要说明的是,上述波的衍射和干涉的计算理论都是建立在线性叠加基础上的,只适用于相干波振幅不太大的近似线性范围,而对于爆炸、激光等超出线性范围的波动,必须考虑非线性动态范围的高次成分。

(作者:周法哲2009-5-9于广东)

 

  评论这张
 
阅读(637)| 评论(13)
推荐 转载

历史上的今天

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2017