Subiecte ale codificatorului USE: unde mecanice, lungime de undă, sunet.
unde mecanice - este procesul de propagare în spațiu a oscilațiilor particulelor dintr-un mediu elastic (solid, lichid sau gazos).
Prezența proprietăților elastice în mediu este o condiție necesară pentru propagarea undelor: deformația care are loc în orice loc, datorită interacțiunii particulelor învecinate, este transferată succesiv dintr-un punct al mediului în altul. Diferite tipuri de deformații vor corespunde diferitelor tipuri de unde.
Unde longitudinale și transversale.
Valul se numește longitudinal, dacă particulele mediului oscilează paralel cu direcția de propagare a undei. O undă longitudinală constă din tensiuni alternante de tracțiune și compresiune. Pe fig. 1 prezintă o undă longitudinală, care este o oscilație a straturilor plate ale mediului; direcția de-a lungul căreia oscilează straturile coincide cu direcția de propagare a undei (adică, perpendicular pe straturi).
O undă se numește transversală dacă particulele mediului oscilează perpendicular pe direcția de propagare a undei. O undă transversală este cauzată de deformațiile prin forfecare ale unui strat al mediului față de altul. Pe fig. 2, fiecare strat oscilează de-a lungul lui, iar unda se deplasează perpendicular pe straturi.
Undele longitudinale se pot propaga în solide, lichide și gaze: în toate aceste medii, are loc o reacție elastică la compresiune, în urma căreia se vor produce comprimarea și rarefacția una după alta.
Cu toate acestea, lichidele și gazele, spre deosebire de solide, nu au elasticitate în raport cu forfecarea straturilor. Prin urmare, undele transversale se pot propaga în solide, dar nu în interiorul lichidelor și gazelor*.
Este important de reținut că în timpul trecerii undei, particulele mediului oscilează în apropierea pozițiilor de echilibru constante, adică, în medie, rămân în locurile lor. Valul astfel
transfer de energie fără transfer de materie.
Cel mai ușor de învățat unde armonice. Sunt cauzate de o influență externă asupra mediului, modificându-se conform legii armonice. Când o undă armonică se propagă, particulele mediului realizează oscilații armonice cu o frecvență egală cu frecvența acțiunii externe. În viitor, ne vom limita la undele armonice.
Să luăm în considerare procesul de propagare a undelor mai detaliat. Să presupunem că o particulă a mediului (particulă) a început să oscileze cu o perioadă . Acționând asupra unei particule vecine, o va trage împreună cu ea. Particula, la rândul său, va trage particula împreună cu ea etc. Astfel, va apărea o undă în care toate particulele vor oscila cu o perioadă.
Cu toate acestea, particulele au masă, adică au inerție. Este nevoie de ceva timp pentru a le schimba viteza. În consecință, particula în mișcare va rămâne oarecum în urma particulei, particula va rămâne în urma particulei, etc. Când particula termină prima oscilație după un timp și începe a doua, particula va începe prima sa oscilație, situată la un o anumită distanță față de particule.
Deci, pentru un timp egal cu perioada oscilațiilor particulelor, perturbația mediului se propagă pe o distanță . Aceasta distanta se numeste lungime de undă. Oscilațiile particulei vor fi identice cu oscilațiile particulei, oscilațiile particulei următoare vor fi identice cu oscilațiile particulei etc. Oscilațiile, așa cum ar fi, se reproduc la distanță. perioada de oscilație spațială; împreună cu perioada de timp, este cea mai importantă caracteristică a procesului valului. Într-o undă longitudinală, lungimea de undă este egală cu distanța dintre compresiile sau rarefacțiile adiacente (Fig. 1). În transversal - distanța dintre cocoașe sau depresiuni adiacente (Fig. 2). În general, lungimea de undă este egală cu distanța (de-a lungul direcției de propagare a undei) dintre două particule cele mai apropiate ale mediului care oscilează în același mod (adică, cu o diferență de fază egală cu ).
Viteza de propagare a undelor este raportul dintre lungimea de undă și perioada de oscilație a particulelor mediului:
Frecvența undei este frecvența oscilațiilor particulelor:
De aici obținem relația dintre viteza undei, lungimea de undă și frecvența:
. (1)
Sunet.
unde sonore în sens larg se numesc orice unde care se propagă într-un mediu elastic. Într-un sens restrâns sunet numite unde sonore în intervalul de frecvență de la 16 Hz la 20 kHz, percepute de urechea umană. Sub acest interval este zona infrasunete, deasupra - zonă ecografie.
Principalele caracteristici ale sunetului sunt volumși înălţime.
Intensitatea sunetului este determinată de amplitudinea fluctuațiilor de presiune în unda sonoră și este măsurată în unități speciale - decibeli(dB). Deci, volumul de 0 dB este pragul audibilității, 10 dB este ticăitul unui ceas, 50 dB este o conversație normală, 80 dB este un țipăt, 130 dB este limita superioară a audibilității (așa-numita pragul durerii).
Ton - acesta este sunetul pe care îl scoate un corp, producând vibrații armonice (de exemplu, un diapazon sau o coardă). Înălțimea este determinată de frecvența acestor oscilații: cu cât frecvența este mai mare, cu atât sunetul ni se pare mai mare. Deci, trăgând de sfoară, creștem frecvența oscilațiilor sale și, în consecință, înălțimea.
Viteza sunetului în diferite medii este diferită: cu cât mediul este mai elastic, cu atât sunetul se propagă mai repede în el. În lichide, viteza sunetului este mai mare decât în gaze, iar în solide este mai mare decât în lichide.
De exemplu, viteza sunetului în aer la este de aproximativ 340 m/s (este convenabil să-l amintim ca „o treime de kilometru pe secundă”) *. În apă, sunetul se propagă cu o viteză de aproximativ 1500 m/s, iar în oțel - aproximativ 5000 m/s.
observa asta frecvență sunetul de la o anumită sursă în toate mediile este același: particulele mediului fac oscilații forțate cu frecvența sursei de sunet. Conform formulei (1), concluzionăm apoi că la trecerea de la un mediu la altul, odată cu viteza sunetului, lungimea undei sonore se modifică.
procesul valului- procesul de transfer de energie fără transfer de materie.
undă mecanică- perturbaţie care se propagă într-un mediu elastic.
Prezența unui mediu elastic este o condiție necesară pentru propagarea undelor mecanice.
Transferul de energie și impuls în mediu are loc ca urmare a interacțiunii dintre particulele învecinate ale mediului.
Undele sunt longitudinale și transversale.
Undă mecanică longitudinală - o undă în care mișcarea particulelor de mediu are loc în direcția de propagare a undei. Undă mecanică transversală - o undă în care particulele mediului se mișcă perpendicular pe direcția de propagare a undei.
Undele longitudinale se pot propaga în orice mediu. Undele transversale nu apar în gaze și lichide, deoarece acestea
nu există poziții fixe ale particulelor.
Acțiunea externă periodică provoacă unde periodice.
undă armonică- o undă generată de vibrațiile armonice ale particulelor mediului.
Lungime de undă- distanța pe care se propagă unda în perioada de oscilație a sursei sale:
viteza undei mecanice- viteza de propagare a perturbaţiei în mediu. Polarizarea este ordonarea direcțiilor de oscilație ale particulelor într-un mediu.
Planul de polarizare- planul în care particulele mediului vibrează în undă. O undă mecanică polarizată liniar este o undă ale cărei particule oscilează de-a lungul unei anumite direcții (linie).
Polarizator- un dispozitiv care emite o undă de o anumită polarizare.
val în picioare- o undă formată ca urmare a suprapunerii a două unde armonice care se propagă una spre alta și care au aceeași perioadă, amplitudine și polarizare.
Antinoduri ale unei unde staţionare- poziţia punctelor cu amplitudinea maximă a oscilaţiilor.
Noduri ale unui val staționar- punctele nemișcate ale undei, a căror amplitudine de oscilație este egală cu zero.
Pe lungimea l a unui șir fixat la capete se potrivește un număr întreg n semi-unde de unde staționare transversale:
Astfel de unde se numesc moduri de oscilație.
Modul de oscilație pentru un întreg arbitrar n > 1 se numește a n-a armonică sau a n-a harmonică. Modul de oscilație pentru n = 1 se numește primul mod de oscilație armonică sau fundamentală. Undele sonore sunt unde elastice în mediu care provoacă senzații auditive unei persoane.
Frecvența oscilațiilor corespunzătoare undelor sonore se află în intervalul de la 16 Hz la 20 kHz.
Viteza de propagare a undelor sonore este determinată de viteza de transfer a interacțiunii dintre particule. Viteza sunetului într-un solid v p, de regulă, este mai mare decât viteza sunetului într-un lichid v l, care, la rândul său, depășește viteza sunetului într-un gaz v g.
Semnalele sonore sunt clasificate după înălțime, timbru și volum. Înălțimea sunetului este determinată de frecvența sursei de vibrații sonore. Cu cât frecvența de oscilație este mai mare, cu atât sunetul este mai mare; vibraţiilor de frecvenţe joase corespund sunetelor joase. Timbrul sunetului este determinat de forma vibrațiilor sonore. Diferența de formă a vibrațiilor care au aceeași perioadă este asociată cu amplitudini relative diferite ale modului fundamental și ale tonului. Volumul sunetului este caracterizat de nivelul de intensitate a sunetului. Intensitatea sunetului - energia undelor sonore incidente pe o suprafață de 1 m 2 în 1 s.
Valuri. Proprietățile generale ale undelor.Val - acesta este fenomenul de propagare în spațiu în timp a unei modificări (perturbare) a unei mărimi fizice care poartă cu ea energie.
Indiferent de natura undei, transferul de energie are loc fără transfer de materie; acesta din urmă poate apărea doar ca efect secundar. Transfer de energie- diferența fundamentală dintre unde și oscilații, în care se produc doar transformări energetice „locale”. Valurile, de regulă, sunt capabile să parcurgă distanțe considerabile de la locul lor de origine. Din acest motiv, undele sunt uneori denumite „ vibraţie desprinsă de emiţător».
Valurile pot fi clasificate
Prin natura sa:
unde elastice - undele care se propagă în medii lichide, solide și gazoase datorită acțiunii forțelor elastice.
Undele electromagnetice- propagarea în spaţiu perturbarea (schimbarea stării) a câmpului electromagnetic.
Valuri pe suprafața unui lichid- denumirea convențională pentru diverse unde care apar la interfața dintre un lichid și un gaz sau un lichid și un lichid. Undele pe apă diferă prin mecanismul fundamental de oscilație (capilar, gravitațional etc.), ceea ce duce la diferite legi de dispersie și, ca urmare, la un comportament diferit al acestor unde.
În ceea ce privește direcția de oscilație a particulelor mediului:
unde longitudinale - particulele mediului oscilează paralelîn direcția de propagare a undelor (ca, de exemplu, în cazul propagării sunetului).
unde transversale - particulele mediului oscilează perpendicular direcția de propagare a undelor (unde electromagnetice, unde pe suprafețele de separare a mediilor).
a - transversal; b - longitudinal.
valuri mixte.
Conform geometriei frontului de undă:
Suprafața de undă (frontul de undă) este locul punctelor la care perturbația a ajuns la un moment dat în timp. Într-un mediu izotrop omogen, viteza de propagare a undei este aceeași în toate direcțiile, ceea ce înseamnă că toate punctele frontului oscilează într-o fază, frontul este perpendicular pe direcția de propagare a undei și valorile mărimii oscilante. în toate punctele frontului sunt aceleași.
apartament planurile undă - fază sunt perpendiculare pe direcția de propagare a undei și paralele între ele.
sferic val - suprafața fazelor egale este o sferă.
Cilindric val - suprafața fazelor seamănă cu un cilindru.
Spirală undă - se formează dacă o sursă/surse sferice sau cilindrice ale undei în procesul de radiație se deplasează de-a lungul unei anumite curbe închise.
val plan
O undă se numește plată dacă suprafețele sale de undă sunt plane paralele între ele, perpendiculare pe viteza de fază a undei. = f(x, t)).
Să considerăm o undă sinusoidală plană monocromatică (o singură frecvență) care se propagă într-un mediu omogen fără atenuare de-a lungul axei X.
,Unde
Viteza de fază a unei unde este viteza suprafeței undei (front),
- amplitudinea undei - modulul abaterii maxime a valorii în schimbare de la poziția de echilibru,
– frecvența ciclică, T – perioada de oscilație, – frecvența undei (asemănătoare oscilațiilor)
k - numărul de undă, are semnificația frecvenței spațiale,
O altă caracteristică a undei este lungimea de undă m, aceasta este distanța pe care unda se propagă în timpul unei perioade de oscilație, are semnificația unei perioade spațiale, aceasta este distanța cea mai scurtă dintre punctele care oscilează într-o fază. 
y 
Lungimea de undă este legată de numărul de undă prin relația , care este similară cu relația de timp
Numărul de undă este legat de frecvența ciclică și viteza de propagare a undei
X
y
y 
Figurile arată o oscilogramă (a) și un instantaneu (b) a unei unde cu perioadele de timp și spațiu indicate. Spre deosebire de oscilațiile staționare, undele au două caracteristici principale: periodicitatea temporală și periodicitatea spațială.
Proprietățile generale ale undelor:
Valurile transportă energie.
2. Undele exercită presiune asupra corpurilor (au impuls).
3. Viteza unei unde într-un mediu depinde de frecvenţa undei - dispersie.Astfel, undele de frecvenţe diferite se propagă în acelaşi mediu la viteze diferite (viteza de fază). 
4. Undele se îndoaie în jurul obstacolelor - difracție.
Difracția are loc atunci când dimensiunea obstacolului este comparabilă cu lungimea de undă.
5. La interfața dintre două medii, undele sunt reflectate și refractate.
Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie, iar raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este o valoare constantă pentru aceste două medii.
6. Când sunt suprapuse unde coerente (diferența de fază a acestor unde în orice punct este constantă în timp), ele interferează - se formează un model stabil de minime și maxime de interferență. 
Undele și sursele care le excită sunt numite coerente dacă diferența de fază a undelor nu depinde de timp. Undele și sursele care le excită sunt numite incoerente dacă diferența de fază a undelor se modifică în timp.
Numai undele de aceeași frecvență, în care oscilațiile apar pe aceeași direcție (adică unde coerente), pot interfera. Interferența poate fi staționară sau non-staționară. Numai undele coerente pot da un model de interferență staționar. De exemplu, două unde sferice de pe suprafața apei, care se propagă din două surse punctuale coerente, vor produce o undă rezultată la interferență. Frontul undei rezultate va fi o sferă.
Când undele interferează, energiile lor nu se adună. Interferența undelor duce la o redistribuire a energiei oscilațiilor între diferite particule apropiate ale mediului. Acest lucru nu contrazice legea conservării energiei deoarece, în medie, pentru o regiune mare a spațiului, energia undei rezultate este egală cu suma energiilor undelor interferente.
Când undele incoerente sunt suprapuse, valoarea medie a amplitudinii pătrate a undei rezultate este egală cu suma amplitudinilor pătrate ale undelor suprapuse. Energia oscilațiilor rezultate ale fiecărui punct al mediului este egală cu suma energiilor oscilațiilor sale, datorită tuturor undelor incoerente separat.
7. Undele sunt absorbite de mediu. Odată cu distanța de la sursă, amplitudinea undei scade, deoarece energia undei este parțial transferată în mediu.
8. Undele sunt împrăștiate într-un mediu neomogen.
Scattering - perturbări ale câmpurilor de undă cauzate de neomogenitățile mediului și împrăștierea obiectelor plasate în acest mediu. Intensitatea împrăștierii depinde de mărimea neomogenităților și de frecvența undei.
unde mecanice. Sunet. Caracteristica sunetului .
Val- perturbaţie care se propagă în spaţiu.
Proprietățile generale ale undelor:
transporta energie;
au impuls (pune presiune asupra corpurilor);
la limita a două medii sunt reflectate și refractate;
absorbit de mediu;
difracţie;
interferență;
dispersie;
Viteza undelor depinde de mediul prin care trec undele.
Unde mecanice (elastice).
Un caz special de unde mecanice - valuri pe suprafața unui lichid, unde care apar și se propagă de-a lungul suprafeței libere a unui lichid sau la interfața dintre două lichide nemiscibile. Ele se formează sub influența unei influențe externe, în urma căreia suprafața lichidului este îndepărtată din starea de echilibru. În acest caz, apar forțe care restabilesc echilibrul: forțele tensiunii superficiale și gravitației.
Undele mecanice sunt de două tipuri
Undele longitudinale însoțite de deformații de tracțiune și compresiune se pot propaga în orice mediu elastic: gaze, lichide și solide. Undele transversale se propagă în acele medii în care apar forțe elastice în timpul deformării prin forfecare, adică în solide.
De un interes considerabil pentru practică sunt undele simple armonice sau sinusoidale. Ecuația de undă sinusoidală plană este:
- asa numitul numărul de undă ,
– frecventa circulara ,
DAR - amplitudinea oscilației particulelor.
Figura prezintă „instantanee” ale unei unde transversale în două momente în timp: t și t + Δt. În timpul Δt, unda s-a deplasat de-a lungul axei OX cu o distanță υΔt. Astfel de valuri se numesc unde calatorii.
Lungimea de undă λ este distanța dintre două puncte adiacente pe axa OX, oscilând în aceleași faze. La o distanță egală cu lungimea de undă λ, unda parcurge o perioadă T, prin urmare,
λ = υT, unde υ este viteza de propagare a undei.
Pentru orice punct ales de pe graficul procesului undei (de exemplu, pentru punctul A), coordonata x a acestui punct se modifică în timpul t, iar valoarea expresiei ωt – kx nu se schimba. După un interval de timp Δt, punctul A se va deplasa de-a lungul axei OX pe o anumită distanță Δx = υΔt. Prin urmare: ωt – kx = ω(t + Δt) – k(x + Δx) = const sau ωΔt = kΔx.
Asta implică:
Astfel, o undă sinusoidală călătoare are o periodicitate dublă - în timp și spațiu. Perioada de timp este egală cu perioada de oscilație T a particulelor mediului, perioada spațială este egală cu lungimea de undă λ. Numărul de undă este analogul spațial al frecvenței circulare.
Sunet.
Orice proces oscilator este descris printr-o ecuație. De asemenea, a fost derivat pentru vibrațiile sonore:
Caracteristicile de bază ale undelor sonore
|
Percepția subiectivă a sunetului (volum, înălțime, timbru) |
Caracteristicile fizice obiective ale sunetului (viteza, intensitatea, spectrul) |
Viteza sunetului în orice mediu gazos se calculează prin formula:
β - compresibilitatea adiabatică a mediului,
ρ - densitate.
Aplicarea sunetului
Sonarele folosite sub apă se numesc sonar sau sonar (denumirea sonar este formată din literele inițiale a trei cuvinte englezești: sunet - sunet; navigație - navigație; rază - rază). Sonarele sunt indispensabile pentru studierea fundului mării (profilul, adâncimea acestuia), pentru detectarea și studierea diferitelor obiecte care se deplasează adânc sub apă. Cu ajutorul lor, pot fi detectate cu ușurință atât obiectele sau animalele mari individuale, cât și stolurile de pești mici sau moluște.
Undele de frecvențe ultrasonice sunt utilizate pe scară largă în medicină în scopuri de diagnostic. Scanerele cu ultrasunete vă permit să examinați organele interne ale unei persoane. Radiațiile ultrasunete sunt mai puțin dăunătoare pentru oameni decât razele X.
Undele electromagnetice.
Proprietățile lor.
unde electromagnetice este un câmp electromagnetic care se propagă în spațiu în timp.
Undele electromagnetice pot fi excitate doar de sarcinile care se mișcă rapid.
Existența undelor electromagnetice a fost prezisă teoretic de marele fizician englez J. Maxwell în 1864. El a propus o nouă interpretare a legii lui Faraday a inducției electromagnetice și și-a dezvoltat ideile în continuare.
Orice modificare a câmpului magnetic generează un câmp electric vortex în spațiul înconjurător, un câmp electric care variază în timp generează un câmp magnetic în spațiul înconjurător.
Figura 1. Un câmp electric alternativ generează un câmp magnetic alternativ și invers
Proprietățile undelor electromagnetice bazate pe teoria lui Maxwell:
Undele electromagnetice transversal – vectori și sunt perpendiculare între ele și se află într-un plan perpendicular pe direcția de propagare.
Figura 2. Propagarea unei unde electromagnetice
Câmpurile electrice și magnetice dintr-o undă care călătoresc se schimbă într-o fază.
Vectorii dintr-o undă electromagnetică care călătoresc formează așa-numitul triplet drept al vectorilor.
Oscilațiile vectorilor și apar în fază: în același moment de timp, într-un punct din spațiu, proiecțiile intensităților câmpurilor electrice și magnetice ating un maxim, minim sau zero.
Undele electromagnetice se propagă în materie cu viteza finala
Unde - permeabilitatea dielectrică și magnetică a mediului (viteza de propagare a undei electromagnetice în mediu depinde de acestea),
Constante electrice și magnetice.
Viteza undelor electromagnetice în vid
Densitatea fluxului de energie electromagnetică
sauintensitate
J
numită energia electromagnetică transportată de o undă pe unitatea de timp prin suprafața unei unități de suprafață:
,
Înlocuind aici expresiile pentru , și υ, și ținând cont de egalitatea densităților de energie volumetrice ale câmpurilor electrice și magnetice dintr-o undă electromagnetică, putem obține:
Undele electromagnetice pot fi polarizate.
La fel, undele electromagnetice au toate proprietățile de bază ale undelor : transportă energie, au impuls, sunt reflectate și refractate la interfața dintre două medii, absorbite de mediu, prezintă proprietăți de dispersie, difracție și interferență.
Experimente Hertz (detecția experimentală a undelor electromagnetice)
Pentru prima dată, undele electromagnetice au fost studiate experimental
Hertz în 1888. El a dezvoltat un design de succes al unui generator de oscilații electromagnetice (vibrator Hertz) și o metodă de detectare a acestora prin metoda rezonanței.
Vibratorul era format din doi conductori liniari, la capetele cărora se aflau bile metalice care formau un eclator. Când a fost aplicată o tensiune înaltă de la inducție la carcasă, o scânteie a sărit în gol, a scurtcircuitat spațiul. În timpul arderii sale, în circuit au avut loc un număr mare de oscilații. Receptorul (rezonatorul) era format dintr-un fir cu eclator. Prezența rezonanței a fost exprimată prin apariția scânteilor în ecartul de scânteie al rezonatorului, ca răspuns la o scânteie care a apărut în vibrator.
Astfel, experimentele lui Hertz au oferit o bază solidă pentru teoria lui Maxwell. Undele electromagnetice prezise de Maxwell s-au dovedit a fi realizate în practică.
PRINCIPII ALE COMUNICAȚIILOR RADIO
Comunicare radio transmiterea și recepția de informații folosind unde radio.
La 24 martie 1896, la o reuniune a Departamentului de Fizică al Societății Ruse de Fizică și Chimie, Popov, folosind instrumentele sale, a demonstrat clar transmiterea semnalelor pe o distanță de 250 m, transmițând prima radiogramă de două cuvinte din lume „Heinrich”. Hertz".
SCHEMA RECEPTORULUI A.S.POPOV
Popov a folosit comunicarea radiotelegrafică (transmiterea de semnale de durată diferită), o astfel de comunicare poate fi efectuată numai folosind un cod. Un emițător de scântei cu un vibrator Hertz a fost folosit ca sursă de unde radio, iar un coerer a servit drept receptor, un tub de sticlă cu pilitură de metal, a cărui rezistență, atunci când o undă electromagnetică îl lovește, scade de sute de ori. Pentru a crește sensibilitatea cohererului, unul dintre capete era împământat, iar celălalt era conectat la un fir ridicat deasupra Pământului, lungimea totală a antenei era de un sfert de lungime de undă. Semnalul emițătorului de scânteie scade rapid și nu poate fi transmis pe distanțe lungi.
Comunicațiile radiotelefonice (vorbire și muzică) utilizează un semnal modulat de înaltă frecvență. Un semnal de frecvență joasă (sunet) transportă informații, dar practic nu este emis, iar un semnal de frecvență înaltă este bine emis, dar nu transportă informații. Modulația este utilizată pentru comunicațiile radiotelefonice.
Modulare - procesul de stabilire a unei corespondențe între parametrii semnalului HF și LF.
În ingineria radio se folosesc mai multe tipuri de modulații: amplitudine, frecvență, fază.
Modulație de amplitudine - modificarea amplitudinii oscilaţiilor (electrice, mecanice etc.), survenite la o frecvenţă mult mai mică decât frecvenţa oscilaţiilor în sine.
O oscilație armonică de înaltă frecvență ω este modulată în amplitudine de o oscilație armonică de joasă frecvență Ω (τ = 1/Ω este perioada sa), t este timpul, A este amplitudinea oscilației de înaltă frecvență, T este perioada acesteia.
Schema de comunicații radio folosind semnal AM
oscilator AM
Amplitudinea semnalului RF se modifică în funcție de amplitudinea semnalului LF, apoi semnalul modulat este emis de antena de transmisie.
În receptorul radio, antena de recepție preia unde radio, în circuitul oscilator, datorită rezonanței, este selectat și amplificat semnalul la care este reglat circuitul (frecvența purtătoare a stației de emisie), apoi componenta de joasă frecvență. a semnalului trebuie selectat.
Detector radio
Detectare – procesul de conversie a unui semnal de înaltă frecvență într-un semnal de joasă frecvență. Semnalul primit după detectare corespunde semnalului sonor care a acționat asupra microfonului emițătorului. După amplificare, vibrațiile de joasă frecvență pot fi transformate în sunet.
Detector (demodulator)
Dioda este folosită pentru a redresa curentul alternativ
a) semnal AM, b) semnal detectat
RADAR
Se numește detectarea și determinarea precisă a locației obiectelor și a vitezei de mișcare a acestora cu ajutorul undelor radio radar . Principiul radarului se bazează pe proprietatea de reflectare a undelor electromagnetice din metale.
1 - antenă rotativă; 2 - comutator antene; 3 - emițător; 4 - receptor; 5 - scanner; 6 - indicator de distanta; 7 - indicator de direcție.
Pentru radar se folosesc unde radio de înaltă frecvență (VHF), cu ajutorul lor se formează ușor un fascicul direcțional și puterea de radiație este mare. În intervalul de metri și decimetri - sisteme de rețea ale vibratoarelor, în intervalul de centimetri și milimetri - emițători parabolici. Localizarea poate fi efectuată atât în modul continuu (pentru a detecta o țintă), cât și în modul pulsat (pentru a determina viteza unui obiect).
Domenii de aplicare a radarului:
Aviație, astronautică, marina: siguranța în trafic a navelor în orice vreme și în orice moment al zilei, prevenirea coliziunii acestora, siguranța la decolare etc. aterizările aeronavelor.
Război: detectarea în timp util a aeronavelor sau rachetelor inamice, reglarea automată a focului antiaerien.
Radar planetar: măsurarea distanței până la acestea, precizarea parametrilor orbitelor lor, determinarea perioadei de rotație, observarea topografiei suprafeței. În fosta Uniune Sovietică (1961) - radarul lui Venus, Mercur, Marte, Jupiter. În SUA și Ungaria (1946) - un experiment privind primirea unui semnal reflectat de la suprafața lunii.
Schema de telecomunicații coincide practic cu schema de comunicații radio. Diferența este că, pe lângă semnalul sonor, sunt transmise o imagine și semnale de control (schimbarea liniei și schimbarea cadrului) pentru a sincroniza funcționarea emițătorului și receptorului. În emițător, aceste semnale sunt modulate și transmise, în receptor sunt preluate de antenă și merg la procesare, fiecare pe drumul său.
Luați în considerare una dintre schemele posibile pentru conversia unei imagini în oscilații electromagnetice folosind un iconoscop:
Cu ajutorul unui sistem optic, o imagine este proiectată pe ecranul mozaic, datorită efectului fotoelectric, celulele ecranului capătă o încărcătură pozitivă diferită. Tunul de electroni generează un fascicul de electroni care traversează ecranul, descarcând celulele încărcate pozitiv. Deoarece fiecare celulă este un condensator, o schimbare a sarcinii duce la apariția unei tensiuni în schimbare - o oscilație electromagnetică. Semnalul este apoi amplificat și introdus în dispozitivul de modulare. Într-un kinescop, semnalul video este convertit înapoi într-o imagine (în moduri diferite, în funcție de principiul de funcționare al kinescopului).
Deoarece semnalul de televiziune transportă mult mai multe informații decât radioul, munca se desfășoară la frecvențe înalte (metri, decimetri).
Propagarea undelor radio.
Unda radio - este o undă electromagnetică în domeniul (10 4
Fiecare secțiune a acestei game este aplicată acolo unde avantajele sale pot fi cel mai bine utilizate. Undele radio de diferite game se propagă la distanțe diferite. Propagarea undelor radio depinde de proprietățile atmosferei. Suprafața pământului, troposfera și ionosfera au, de asemenea, o influență puternică asupra propagării undelor radio.
Propagarea undelor radio- acesta este procesul de transmitere a oscilațiilor electromagnetice ale domeniului radio în spațiu dintr-un loc în altul, în special de la un emițător la un receptor.
Undele de diferite frecvențe se comportă diferit. Să luăm în considerare mai detaliat caracteristicile propagării undelor lungi, medii, scurte și ultrascurte.
Propagarea undelor lungi.
Undele lungi (>1000 m) se propagă:
La distanțe de până la 1-2 mii km datorită difracției pe suprafața sferică a Pământului. Capabil să ocolească globul (Figura 1). Apoi propagarea lor are loc datorită acțiunii de ghidare a ghidului de undă sferic, fără a fi reflectat.
Orez. unu Calitatea conexiunii:
stabilitatea recepției. Calitatea recepției nu depinde de ora din zi, an, condițiile meteorologice.
Defecte:
Datorită absorbției puternice a undei pe măsură ce se propagă pe suprafața pământului, sunt necesare o antenă mare și un transmițător puternic.
Descărcările atmosferice (fulgerele) interferează.
Utilizare:
Gama este utilizată pentru transmisii radio, pentru radiotelegrafie, servicii de radionavigație și pentru comunicații cu submarine.
Există un număr mic de posturi de radio care transmit semnale de timp precise și rapoarte meteorologice.
Undele medii ( =100..1000 m) se propagă:
La fel ca valurile lungi, ele sunt capabile să se îndoaie în jurul suprafeței pământului.
La fel ca undele scurte, ele pot fi reflectate în mod repetat din ionosferă.
Calitatea conexiunii:
Raza de comunicare scurta. Stațiile cu unde medii sunt audibile pe o mie de kilometri. Dar există un nivel ridicat de interferență atmosferică și industrială.
Folosit pentru comunicații oficiale și de amatori, precum și în principal pentru difuzare.
Undele scurte (=10..100 m) se propagă:
Reflectat în mod repetat din ionosferă și suprafața pământului (Fig. 2)
Calitatea conexiunii:
Calitatea recepției la unde scurte depinde foarte mult de diferite procese din ionosferă asociate cu nivelul activității solare, perioada anului și momentul zilei. Nu sunt necesare transmițătoare de mare putere. Pentru comunicarea între stațiile terestre și navele spațiale, acestea nu sunt potrivite, deoarece nu trec prin ionosferă.
Utilizare:
Pentru comunicare pe distanțe lungi. Pentru televiziune, radiodifuziune și comunicații radio cu obiecte în mișcare. Există posturi radio departamentale de telegraf și telefon. Acest interval este cel mai „populat”.
Unde ultrascurte (
Uneori pot fi reflectate de nori, sateliți artificiali ai pământului sau chiar de pe lună. În acest caz, raza de comunicare poate crește ușor.
Recepția undelor ultrascurte se caracterizează prin constanța audibilității, absența decolorării, precum și reducerea diferitelor interferențe.
Comunicarea pe aceste unde este posibilă doar la distanță de linie vizuală L(Fig. 7).
Deoarece undele ultrascurte nu se propagă dincolo de orizont, devine necesară construirea multor transmițătoare intermediare - repetoare.
Repetitor- un dispozitiv situat in punctele intermediare ale liniilor de comunicatie radio, care amplifica semnalele primite si le transmite in continuare.
releu- receptia semnalelor intr-un punct intermediar, amplificarea si transmiterea lor in aceeasi directie sau in alta directie. Retransmisia este concepută pentru a mări raza de comunicare.
Există două moduri de retransmisie: satelit și terestră.
Satelit:
Un satelit releu activ primește semnalul stației terestre, îl amplifică și printr-un transmițător direcțional puternic trimite semnalul către Pământ în aceeași direcție sau într-o direcție diferită.
Sol:
Semnalul este transmis la o stație radio terestră analogică sau digitală sau la o rețea de astfel de posturi și apoi trimis mai departe în aceeași direcție sau într-o direcție diferită.
1 - transmițător radio,
2 - antenă de transmisie, 3 - antenă de recepție, 4 - receptor radio.
Utilizare:
Pentru comunicarea cu sateliții pământești artificiali și
VHF sunt împărțite în următoarele intervale:
unde metrice - de la 10 la 1 metru, folosit pentru comunicarea telefonica intre nave, nave si servicii portuare.
decimetru - de la 1 metru la 10 cm, folosit pentru comunicatii prin satelit.
centimetru - de la 10 la 1 cm, folosit in radar.
milimetru - de la 1cm la 1mm, folosit mai ales in medicina.
Existența unei unde necesită o sursă de oscilație și un mediu material sau câmp în care această undă se propagă. Valurile sunt de natură cea mai diversă, dar se supun unor legi similare.
Prin natura fizica distinge:
După orientarea perturbărilor distinge:
|
unde longitudinale -
Deplasarea particulelor are loc de-a lungul direcției de propagare; este necesar să existe o forță elastică în mediu în timpul compresiei; poate fi distribuit în orice mediu. Exemple: unde sonore  |
unde transversale -
Deplasarea particulelor are loc pe direcția de propagare; se poate propaga numai în medii elastice; este necesar să existe o forță elastică de forfecare în mediu; se poate propaga numai în medii solide (și la limita a două medii). Exemple: valuri elastice într-o sfoară, valuri pe apă
|
După natura dependenţei de timp distinge:
unde elastice - deplasari mecanice (deformatii) propagate intr-un mediu elastic. Unda elastică se numește armonic(sinusoidală) dacă vibrațiile mediului corespunzătoare acestuia sunt armonice.
valuri de alergare - Unde care transportă energie în spațiu.
După forma suprafeţei undei : undă plană, sferică, cilindrică.
frontul de val- locul punctelor, la care oscilațiile au atins un moment dat în timp.
suprafața valului- locusul punctelor care oscilează într-o fază.
Caracteristicile valurilor
Lungimea de undă λ - distanta pe care unda se propaga intr-un timp egal cu perioada de oscilatie
Amplitudinea undei A - amplitudinea oscilațiilor particulelor într-o undă
Viteza undei v - viteza de propagare a perturbaţiilor în mediu
Perioada valului T - perioada de oscilatie
Frecvența undei ν - reciproca perioadei
Ecuația undelor de călătorie
În timpul propagării unei unde călătoare, perturbațiile mediului ajung în următoarele puncte din spațiu, în timp ce unda transferă energie și impuls, dar nu transferă materie (particulele mediului continuă să oscileze în același loc în spațiu).
Unde v- viteză , φ 0 - faza initiala , ω – frecventa ciclica , A– amplitudine
Proprietățile undelor mecanice
1. reflexia undei – undele mecanice de orice origine au capacitatea de a fi reflectate de la interfața dintre două medii. Dacă o undă mecanică care se propagă într-un mediu întâlnește un obstacol în calea sa, poate schimba dramatic natura comportamentului său. De exemplu, la interfața dintre două medii cu proprietăți mecanice diferite, o undă este parțial reflectată și pătrunde parțial în al doilea mediu.
2. Refracția undelor – în timpul propagării undelor mecanice se poate observa și fenomenul de refracție: o modificare a direcției de propagare a undelor mecanice în timpul trecerii de la un mediu la altul.
3. Difracția undelor – abaterea undelor de la propagarea rectilinie, adică îndoirea lor în jurul obstacolelor.
4. Interferența undelor – adăugarea a două valuri. Într-un spațiu în care se propagă mai multe unde, interferența lor duce la apariția unor regiuni cu valorile minime și maxime ale amplitudinii oscilației
Interferența și difracția undelor mecanice.
Un val care trece de-a lungul unei benzi elastice sau a unei sfori este reflectat de la un capăt fix; aceasta creează o undă care se deplasează în direcția opusă.
Când undele sunt suprapuse, se poate observa fenomenul de interferență. Fenomenul de interferență apare atunci când se suprapun unde coerente.
coerent numitvaluriavând aceleași frecvențe, o diferență de fază constantă, iar oscilațiile au loc în același plan.
interferență numit fenomen constant de timp de amplificare reciprocă și atenuare a oscilațiilor în diferite puncte ale mediului ca urmare a suprapunerii undelor coerente.
Rezultatul suprapunerii undelor depinde de fazele în care oscilațiile se suprapun între ele.
Dacă undele din sursele A și B ajung în punctul C în aceleași faze, atunci oscilațiile vor crește; dacă este în faze opuse, atunci are loc o slăbire a oscilațiilor. Ca rezultat, în spațiu se formează un model stabil de regiuni alternante de oscilații sporite și slăbite.
Conditii maxime si minime
Dacă oscilațiile punctelor A și B coincid în fază și au amplitudini egale, atunci este evident că deplasarea rezultată în punctul C depinde de diferența dintre traseele celor două unde.
Conditii maxime
Dacă diferența dintre căile acestor unde este egală cu un număr întreg de unde (adică un număr par de semi-unde) Δd = kλ , Unde k= 0, 1, 2, ..., atunci se formează un maxim de interferență în punctul de suprapunere a acestor unde.
Stare maxima
: 
A = 2x0.
Stare minima
Dacă diferența de cale a acestor unde este egală cu un număr impar de semi-unde, atunci aceasta înseamnă că undele din punctele A și B vor ajunge în punctul C în antifază și se vor anula reciproc.
Conditie minima:
Amplitudinea oscilației rezultate A = 0.
Dacă Δd nu este egal cu un număr întreg de semi-unde, atunci 0< А < 2х 0 .
Difracția undelor.
Fenomenul de abatere de la propagarea rectilinie și rotunjirea obstacolelor prin valuri se numeștedifracţie.
Relația dintre lungimea de undă (λ) și dimensiunea obstacolului (L) determină comportamentul undei. Difracția se manifestă cel mai clar dacă lungimea undei incidente este mai mare decât dimensiunile obstacolului. Experimentele arată că difracția există întotdeauna, dar devine vizibilă în această condiție d<<λ , unde d este dimensiunea obstacolului.
Difracția este o proprietate comună a undelor de orice natură, care apare întotdeauna, dar condițiile pentru observarea acesteia sunt diferite.
Un val de la suprafața apei se propagă către un obstacol suficient de mare, în spatele căruia se formează o umbră, adică. nu se observă un proces ondulatoriu. Această proprietate este utilizată în construcția digurilor în porturi. Dacă dimensiunea obstacolului este comparabilă cu lungimea de undă, atunci va exista o undă în spatele obstacolului. În spatele lui, unda se propagă de parcă nu ar fi fost deloc obstacol, adică. se observă difracția undelor.
Exemple de manifestare a difracției . Auzind o conversație tare după colțul casei, sunete în pădure, valuri la suprafața apei.
valuri stătătoare
valuri stătătoare se formează prin adăugarea undelor directe și reflectate dacă au aceeași frecvență și amplitudine.
Într-un șir fixat la ambele capete, apar vibrații complexe, care pot fi considerate ca rezultat al suprapunerii ( suprapuneri) două unde care se propagă în direcții opuse și experimentează reflexii și re-reflexii la capete. Vibrațiile corzilor fixate la ambele capete creează sunetele tuturor instrumentelor muzicale cu coarde. Un fenomen foarte similar are loc cu sunetul instrumentelor de suflat, inclusiv al țevilor de orgă.
vibrații ale corzilor. Într-un șir întins fixat la ambele capete, când sunt excitate vibrații transversale, valuri stătătoare , iar nodurile ar trebui să fie amplasate în locurile în care este fixată sfoara. Prin urmare, șirul este entuziasmat cu intensitate vizibilă numai astfel de vibrații, a căror jumătate din lungimea de undă se potrivește pe lungimea șirului de un număr întreg de ori.
Aceasta implică condiția 
Lungimile de undă corespund frecvențelor 
n = 1, 2, 3...Frecvențele vn numit frecvențe naturale siruri de caractere.
Vibrații armonice cu frecvențe vn numit vibratii proprii sau normale . Se mai numesc si armonici. În general, vibrația unei coarde este o suprapunere a diferitelor armonici.
Ecuația undei staționare :
În punctele în care coordonatele satisfac condiția 
(n= 1, 2, 3, ...), amplitudinea totală este egală cu valoarea maximă - aceasta antinoduri
val în picioare. Coordonatele antinodului
: 
În punctele ale căror coordonate satisfac condiția
(n= 0, 1, 2,…), amplitudinea totală a oscilației este egală cu zero – aceasta este noduri val în picioare. Coordonatele nodului: 
Formarea undelor stătătoare se observă atunci când undele de călătorie și cele reflectate interferează. La limita unde se reflectă unda, se obține un antinod dacă mediul din care are loc reflexia este mai puțin dens (a), și se obține un nod dacă este mai dens (b).
Dacă luăm în considerare val călător , apoi în sensul de propagare a acestuia se transferă energia mișcare oscilatorie. Când la fel nu există un val staționar de transfer de energie , deoarece undele incidente și reflectate de aceeași amplitudine poartă aceeași energie în direcții opuse.
Undele stătătoare apar, de exemplu, într-un șir întins la ambele capete atunci când vibrațiile transversale sunt excitate în el. Mai mult, în locurile de fixare, există noduri ale unui val staționar.
Dacă o undă staționară este stabilită într-o coloană de aer care este deschisă la un capăt (undă sonoră), atunci se formează un antinod la capătul deschis, iar la capătul opus se formează un nod.
O undă mecanică sau elastică este procesul de propagare a oscilațiilor într-un mediu elastic. De exemplu, aerul începe să oscileze în jurul unei corzi care vibrează sau a unui con de difuzor - șirul sau difuzorul au devenit surse de undă sonoră.
Pentru apariția unei unde mecanice trebuie îndeplinite două condiții - prezența unei surse de undă (poate fi orice corp oscilant) și a unui mediu elastic (gaz, lichid, solid).
Aflați cauza valului. De ce particulele mediului care înconjoară orice corp oscilant intră și ele în mișcare oscilativă?
Cel mai simplu model al unui mediu elastic unidimensional este un lanț de bile legate prin arcuri. Bilele sunt modele de molecule, arcurile care le unesc modelează forțele de interacțiune dintre molecule.
Să presupunem că prima bilă oscilează cu o frecvență ω. Arcul 1-2 este deformat, în el apare o forță elastică, care se modifică cu frecvența ω. Sub acțiunea unei forțe externe care se schimbă periodic, a doua bilă începe să efectueze oscilații forțate. Deoarece oscilațiile forțate apar întotdeauna la frecvența forței motrice externe, frecvența de oscilație a celei de-a doua bile va coincide cu frecvența de oscilație a primei. Cu toate acestea, oscilațiile forțate ale celei de-a doua bile vor avea loc cu o anumită întârziere de fază în raport cu forța motrice externă. Cu alte cuvinte, a doua bilă va începe să oscileze ceva mai târziu decât prima bilă.
Vibrațiile celei de-a doua bile vor provoca o deformare în schimbare periodică a arcului 2-3, ceea ce va face ca a treia bilă să oscileze și așa mai departe. Astfel, toate bilele din lanț vor fi implicate alternativ într-o mișcare oscilativă cu frecvența de oscilație a primei bile.
Evident, cauza propagării undelor într-un mediu elastic este prezența interacțiunii dintre molecule. Frecvența de oscilație a tuturor particulelor din undă este aceeași și coincide cu frecvența de oscilație a sursei de undă.
În funcție de natura oscilațiilor particulelor dintr-o undă, undele sunt împărțite în unde transversale, longitudinale și de suprafață.
LA undă longitudinală particulele oscilează de-a lungul direcției de propagare a undei.
Propagarea unei unde longitudinale este asociată cu apariția deformațiilor de tracțiune-compresiune în mediu. În zonele întinse ale mediului se observă o scădere a densității substanței - rarefacție. În zonele comprimate ale mediului, dimpotrivă, are loc o creștere a densității substanței - așa-numita îngroșare. Din acest motiv, o undă longitudinală este o mișcare în spațiu a zonelor de condensare și rarefacție.
Deformarea tracțiune-compresivă poate apărea în orice mediu elastic, astfel încât undele longitudinale se pot propaga în gaze, lichide și solide. Un exemplu de undă longitudinală este sunetul.
LA undă de forfecare particulele oscilează perpendicular pe direcția de propagare a undei.
Propagarea unei unde transversale este asociată cu apariția deformării prin forfecare în mediu. Acest tip de deformare poate exista doar în solide, astfel încât undele transversale se pot propaga doar în solide. Un exemplu de undă de forfecare este unda S seismică.
unde de suprafață apar la interfața dintre două medii. Particulele oscilante ale mediului au atât componente transversale, perpendiculare pe suprafață, cât și longitudinale ale vectorului de deplasare. În timpul oscilațiilor lor, particulele mediului descriu traiectorii eliptice într-un plan perpendicular pe suprafață și trecând prin direcția de propagare a undei. Un exemplu de unde de suprafață sunt undele de pe suprafața apei și undele L seismice.
Frontul de undă este locul punctelor atinse de procesul undelor. Forma frontului de undă poate fi diferită. Cele mai frecvente sunt undele plane, sferice și cilindrice.
Rețineți că frontul de undă este întotdeauna localizat perpendicular direcția valului! Toate punctele frontului de undă vor începe să oscileze într-o singură fază.
Pentru a caracteriza procesul undelor se introduc următoarele mărimi:
1. Frecvența undelorν este frecvența de oscilație a tuturor particulelor din undă.
2. Amplitudinea undei A este amplitudinea de oscilație a particulelor din undă.
3. Viteza valurilorυ este distanța pe care procesul undei (perturbația) se propagă pe unitatea de timp.
Atenție - viteza undei și viteza de oscilație a particulelor în undă sunt concepte diferite! Viteza unei unde depinde de doi factori: tipul de undă și mediul în care se propagă unda.
Modelul general este următorul: viteza unei unde longitudinale într-un solid este mai mare decât în lichide, iar viteza în lichide, la rândul său, este mai mare decât viteza unei unde în gaze.
Nu este greu de înțeles motivul fizic al acestei regularități. Cauza propagării undelor este interacțiunea moleculelor. Desigur, perturbația se propagă mai rapid în mediul în care interacțiunea moleculelor este mai puternică.
În același mediu, regularitatea este diferită - viteza undei longitudinale este mai mare decât viteza undei transversale.
De exemplu, viteza unei unde longitudinale într-un solid, unde E este modulul elastic (modulul Young) al substanței, ρ este densitatea substanței.
Viteza undei de forfecare într-un solid, unde N este modulul de forfecare. Deoarece pentru toate substanţele , atunci . Una dintre metodele de determinare a distanței până la sursa unui cutremur se bazează pe diferența de viteze a undelor seismice longitudinale și transversale.
Viteza unei unde transversale într-un cordon sau sfoară întinsă este determinată de forța de tensiune F și de masa pe unitatea de lungime μ:
4. Lungime de undăλ este distanța minimă dintre punctele care oscilează în mod egal.
Pentru valurile care călătoresc pe suprafața apei, lungimea de undă este ușor de definită ca distanța dintre două cocoașe adiacente sau depresiuni adiacente.
Pentru o undă longitudinală, lungimea de undă poate fi găsită ca distanța dintre două concentrații sau rarefacții adiacente.
5. În procesul de propagare a undelor, secțiuni ale mediului sunt implicate într-un proces oscilator. Un mediu oscilant, în primul rând, se mișcă, prin urmare, are energie cinetică. În al doilea rând, mediul prin care trece valul este deformat, prin urmare, are energie potențială. Este ușor de observat că propagarea undelor este asociată cu transferul de energie către părți neexcitate ale mediului. Pentru a caracteriza procesul de transfer de energie, introducem intensitatea undei eu.
