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物理 · 波 · 声音

波的叠加与干涉

当两个波在线性介质中相遇时,在特定点上的位移等于每个波单独产生的位移之和。由于这种叠加现象,波的幅值会增加或减少,这种现象被称为干涉。

相关实验:两列波的干涉 →
两列波的干涉
两列波的干涉实验场景 →

添加波的位移

如果位移相对于固定位置是正值和负值,则总位移为 y = y₁ + y₂。当波峰相遇时,波形会变高;当波峰与波谷相遇时,它们相互抵消。在相同位置,同时添加波的位移,而不是仅仅相加它们的振幅。

线性波可以在被重叠后,继续其独立的传播。 两个脉冲短暂地重叠并变得平坦的事实,并不意味着波已经消失。 在分析干涉现象时,重要的是将单个波与合并后的波进行比较。

相位差是指振动时间上的差异。

当两个频率相同的波具有相同的相位时,相位差为 0°,结果是相干。如果相位差为 180°,一个波会向上,另一个波会向下。为了在一点上实现完全相消干涉,这两个波的振幅必须相等。

与相同的频率和振幅 A,结果的振幅是 2A|cos(Δφ/2)。 Δφ 代表两个波之间的相差。如果相差为 90°,结果的振幅是 √2A; 即使相差为 180°,两个振幅将会不同,从而产生余震。

为什么振动的频率会导致结果的复合波持续变化?

随着时间的推移,一个信号相对于另外两个信号的相位变化频率会发生变化。这并非因为我们持续地强调它们最初相位相同。当你将两个最接近的频率相加时,你可以观察到频率大小的缓慢波动。

在实验中,估计的振幅,被假设为在一定时间内的最大和最小值,可能会因观察到的范围而变化。当比较两个不同的频率时,不要仅仅查看单个帧;而是彻底分析观察到的点的时域图。实验中的两个信号是独立设置的简单波形。

关键关系与符号

y = y₁ + y₂ · A_resultant = 2A|cos(Δφ/2)| (等幅、等频率)

符号及公式中使用的单位
符号含义单位
y₁, y₂个体在相同位置和相同时间下的位移m
A每个波的振幅m
Δφ相位差° 或 rad

工作实例

当结合具有相同频率和振幅为 0.3 米的相同波时,结果是什么?

在相位差为 0° 时,结果的振幅为 0.6 m,而在 180° 时,振幅为 0。 如果我们使用 0.3 m 和 0.2 m 这两个振幅来区分这两个振幅,那么相位差为 180° 时,结果为 0.1 m。

常见误解

  • “反相”这一条件单独并不保证完全抵消。 振幅也必须相等。
  • 存在一个抵消点的事实,并不意味着波的总体能量消失。

通过实验探索这个概念

参考文献

OpenStax · 物理章节 (英文)