Большой энциклопедический словарь:
НОРМАЛЬНЫЕ ВОЛНЫ — гармонические волны, сохраняющие при прямолинейном распространении в направляющей системе поперечную структуру поля. Напр., электромагнитные нормальные волны в радиоволноводах, световодах и т. д., упругие номальные волны в акустических трубах, пластинах (поперечные нормальные волны Лэмба) и т. д. Число N нормальных волн, способных распространяться в системе, определяется соотношением между длиной волны ? и поперечным размером системы d: чем больше d/?, тем больше N.
Большая советская энциклопедия:
Нормальные волны
Собственные волны, гармонические волны той или иной физической природы (электромагнитные, упругие и др.), сохраняющие при своём прямолинейном распространении поперечную структуру поля и (или) поляризацию. Этим Н. в. отличаются от всех других волн, способных распространяться в данной системе. Например, при распространении между параллельными металлическими плоскостями (рис. 1) электромагнитных Н. в. поперечная (по отношению к направлению распространения) структура электрического поля Н. в. одинакова во всех сечениях. Поперечная же структура любых других волн, отличных от Н. в., при распространении не сохраняется. Так, форма волны, полученной в результате наложения двух Н. в., изображенных на рис. 1, а и б, меняется от сечения к сечению (рис. 1, в).
Наибольший практический интерес представляют электромагнитные Н. в. в волноводных системах, используемых для передачи сообщений или электромагнитной энергии. К ним относятся радиоволноводы СВЧ, коаксиальные кабели, плазменные волноводы, ионосферные и тропосферные каналы дальней радиосвязи, световоды, выполненные в виде стеклянных волокон, т. н. квазиоптические линии передачи волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов и т.д.
Важные применения находят Н. в. в акустических волноводных системах (акустические трубы, звуковые каналы в океане и тропосфере), упругие Н. в. — в пластинах (волны Лэмба, т. н. поперечные Н. в.) и стержнях (продольные, изгибные и крутильные Н. в.). Упругие Н. в. применяются, в частности, для создания ультразвуковых линий задержки и для определения упругих и др. параметров твёрдых тел.
Число Н. в. N, способных распространяться в перечисленных выше системах, зависит от соотношения между длиной волны и поперечными размерами системы d. Для волн с фиксированной частотой это число всегда конечно, при этом чем больше отношение d/, тем больше N. На очень низких частотах (т. е. при d/ << 1/2) может распространяться только одна Н. в. определённого типа, а в некоторых системах, например в полых радиоволноводах, распространение низкочастотных Н. в. вообще невозможно. Фазовые и групповые скорости Н. в. разных типов отличаются друг от друга (этим, в частности, объясняется искажение поперечной структуры поля при наложении нескольких Н. в., рис. 1). Поэтому для передачи информации желательно использовать только один тип Н. в.
Физическое значение Н. в. определяется тем, что в области, свободной от источников, любое возмущение может быть представлено в виде суперпозиции Н. в., причём результирующий поток энергии (упругой или электромагнитной) равен сумме потоков во всех Н. в. В этом отношении понятие Н. в. в волновой теории играет роль, аналогичную понятию нормальных колебаний (См. Нормальные колебания) в теории колебательных систем.
Вдоль границы раздела двух сред могут распространяться поверхностные Н. в., например рэлеевские волны на границе упругого тела (рис. 2), т. н. медленные электромагнитные волны в замедляющих структурах и др. В случае Н. в. в многопроводных связанных линиях передачи, используемых в технике связи, в направлении распространения сохраняется не поперечное распределение поля, а отношение амплитуд колебаний на отдельных проводах.
Наконец, Н. в. в безграничных и однородных сплошных средах — это плоские волны (См. Плоская волна), сохраняющие при распространении свою поляризацию. Н. в. являются, например, обыкновенная и необыкновенная волны в одноосных кристаллах. Эти волны линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях, причём поляризация этих волн сохраняется в направлении распространения (рис. 3), в то время как поляризация произвольно поляризованной волны меняется от точки к точке. Др. примерами Н. в. в сплошных средах являются плоские упругие волны, эллиптически поляризованные электромагнитные волны в магнитоактивной плазме, циркулярно поляризованные волны в оптически активных средах.
Лит.: Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959; Бриллюэн Л. и Пароди М., Распространение волн в периодических структурах, пер. с франц., М., 1959; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, М., 1973; Вайнштейн Л. А., Электромагнитные волны, М., 1957; Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., М., 1956; Викторов И. А., Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике, М., 1966.
Ю. А. Кравцов.
Рис. 1. Схема распространения двух нормальных волн а и б и волны в, полученной в результате их наложения. В сечениях 1 и 3 разность фаз нормальных волн = 0 и они складываются, а в сечении 2 = — и волна вычитается.
Рис. 2. Схема распространения рэлеевской волны на границе упругого тела.
Рис. 3. Схема распространения обыкновенной и необыкновенной волн в одноосных кристаллах.
Физический энциклопедический словарь:
(собственные волны), бегущие гармонические волны в линейной динамич. системе с пост. параметрами, в к-рой можно пренебречь поглощением и рассеянием энергии. Н. в. явл. обобщением понятия нормальных колебаний на открытые области пр-ва и незамкнутые волноводные системы, в т. ч. на однородные и неоднородные безграничные среды, разл. типы волноводов и волн. каналов, струны, стержни, замедляющие системы, цепочки связанных осцилляторов (напр., LC-цепочки).
Совокупность Н. в. данной системы обладает след. св-вами. 1) Каждая Н. в. явл. свободным (без стороннего воздействия) движением системы и может быть возбуждена независимо от других Н. в. спец. выбором нач. условий. 2) Произвольный волн. процесс в системе без источников можно однозначно представить в виде суперпозиции Н. в. 3) Спектр частот Н. в. явл. сплошным, реальные процессы могут быть представлены в виде интегральных сумм Н. в. 4) В случае монохроматпч. процессов средний по периоду поток энергий равен сумме потоков энергии отдельных Н. в.
Понятие Н. в. применяется и к системам конечной протяжённости, где, однако, их следует рассматривать как вынужденные движения, возбуждаемые гармонич. источниками, распределёнными вне области наблюдения, а совокупность Н. в. должна быть дополнена спадающими от источников «ближними» полями.
В наиб. простом случае сред и волноводных систем, параметры к-рых не меняются вдоль нек-рого направления (напр., вдоль оси z), H. в. синусоидальны не только во времени, но и в пространстве и обладают неизменной поперечной структурой:
ai=Ai(r1, w) cos(wt-kzz),
где w — циклич. частота, kz — продольное волн. число (с ним связаны продольная длина волны lz=2p/k2 и фазовая скорость vф=w/kz), AI — распределение амплитуды одного из компонентов волн. поля, зависящее только от поперечных к оси z координат r1. Связь между w и kz определяет дисперсионные св-ва Н. в. (см. ДИСПЕРСИЯ ВОЛН) и, как правило, явл. неоднозначной — одному значению kz соответствует набор Н. в. с разными частотами. Н. в., частоты и волн. числа к-рых принадлежат отдельной непрерывной дисперсионной ветви многозначной функции w=w(kz), относятся к одной норм. моде системы (или просто моде). Моды различаются либо амплитудными и поляризац. структурами полей, либо физ. природой процессов.
В однородных безграничных средах Н. в. принято называть однородные плоские волны, распространяющиеся в произвольных направлениях. В изотропных средах волн. число k0 не зависит от направления распространения, а поляризация поперечных волн может быть произвольной. В анизотропных и гиротропных средах k0 зависит от направления распространения (соответственно различают обыкновенные и необыкновенные Н. в.). На рис. 1 приведены дисперсионные ветви Н. в. в изотропной неизотермич. плазме. Частотные спектры поперечных эл.-магн. и ленгмюровских волн ограничены снизу электронной плазменной частотой wре, спектр ионнозвуковых волн ограничен сверху ионной плазменной частотой wpi; значения частот и волн. чисел, ограничивающих дисперсионную ветвь, наз. к р и т и ч е с к и м и для данной моды.
В экранированных волноводных системах (металлич. радиоволноводы, волноводы акустические, упругие пластины, звук. каналы в водоёмах с тв. дном и т. д.) существует дискретное множество мод, поля к-рых локализованы в поперечных сечениях отражающими границами (экранами).
Рис. 1. Дисперсия норм. волн в изотропной плазме: .1 — ветвь поперечных электромагнитных, 2 —ленгмюровских, 3 — ионно-звуковых волн.
Рис. 2. Дисперсия норм. волн в экраниров. системах: 1 — ветвь квазистатич. мод; h — декремент экспоненциально спадающих мод.
Структура мод определяется формой поперечных двухмерных норм. колебаний (kz=0, д/дz=0), а критич. частоты — собств. частотами этих колебаний wn, где n=1, 2, ... (рис. 2). При w
В открытых волн. каналах поперечная локализация Н. в. основана на эффекте полного внутр. отражения либо на резких границах раздела сред (диэлектрич. волноводы, световоды), либо на плавных неоднородностях среды (звук. каналы в океане и атмосфере, ионосферные радиоканалы, каналы внутр. волн в океане и т. д.). Предельным случаем волн. каналов явл. поверхности раздела сред, вдоль к-рых могут распространяться поверхностные Н. в.
Значение Н. в. определяется их структурной устойчивостью по отношению к малым, а также к медленным и плавным изменениям параметров системы, что допускает широкое (хотя и не вполне строгое) обобщение понятия Н. в. на системы со слабыми потерями и нелинейными вз-ствиями. Метод Н. в, (т. е. разложение полей по Н. в.) применяется при изучении природных волн. явлений (эл.-магн., акустич., гидродинамических и т. д.) и при конструировании волн. технич. устройств.
© «СловоТолк.Ру» — толковые и энциклопедические словари, 2007-2020