Состав сооружений: решетки и песколовки: Решетки – это первое устройство в схеме очистных сооружений. Они представляют...
Типы сооружений для обработки осадков: Септиками называются сооружения, в которых одновременно происходят осветление сточной жидкости...
Топ:
Основы обеспечения единства измерений: Обеспечение единства измерений - деятельность метрологических служб, направленная на достижение...
Выпускная квалификационная работа: Основная часть ВКР, как правило, состоит из двух-трех глав, каждая из которых, в свою очередь...
Проблема типологии научных революций: Глобальные научные революции и типы научной рациональности...
Интересное:
Подходы к решению темы фильма: Существует три основных типа исторического фильма, имеющих между собой много общего...
Берегоукрепление оползневых склонов: На прибрежных склонах основной причиной развития оползневых процессов является подмыв водами рек естественных склонов...
Искусственное повышение поверхности территории: Варианты искусственного повышения поверхности территории необходимо выбирать на основе анализа следующих характеристик защищаемой территории...
Дисциплины:
2017-12-12 | 790 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
12.1. Представление о гармонических колебаниях.Если некоторая величина u(t) изменяется во времени по закону
u(t) = umcos(ωt + φ), (12.1)
то говорят, что происходят гармонические колебания, причем ит называется амплитудой, ω - круговой частотой, а аргумент косинуса ωt + φ - фазой колебаний (полной фазой); последняя, если это требуется, приводится к значению, лежащему в пределах 0 ÷ 2π; или –π ÷ π; величину φ называют начальной фазой (а также фазовым сдвигом или просто фазой). Наименьший отрезок времени Т, обладающий тем свойством, что для любого момента t
есть, по определению, период колебаний, а число периодов в секунду - частота, обозначаемая f. Очевидно
(12.2)
В теории электромагнетизма встречаются, в частности, скалярные функции координат и времени вида
, (12.3)
описывающие гармонические колебания в пространстве с амплитудами и фазами, которые могут изменяться от точки к точке. Три такие скалярные функции иногда являются компонентами вектора в декартовой или иной системе координат. Запишем выражение такого вектора в виде:
(12.4)
В частности, если т. е., как говорят, все компоненты вектора колеблются «в одной фазе», то
, (12.4а)
где
то есть амплитуда колеблющегося вектора. В дальнейшем при записи выражений типа (12.3), (12.4) мы большей частью будем для краткости опускать аргументы и .
12.2. Метод комплексных амплитуд. Перейдём к изложению обычно используемого в случае гармонических колебаний метода комплексных амплитуд. На основании известной формулы Эйлера функцию и (12.3) можно представить как вещественную часть экспоненциальной:
,
или
, (12.5)
где множитель ит называется комплексной амплитудой колебаний. Как видно, в комплексном представлении мы имеем произведение функции координат и функции времени . Совершенно аналогично
|
, (12.6)
где комплексная амплитуда (функция координат) есть
, (12.7)
как это следует из (12.4), а в частном случае (12.4 а)
. (12.7a)
Комплексная амплитуда несёт информацию как об амплитуде, так и о начальной фазе колебаний (трёх начальных фазах в общем случае вектора).
Пусть имеется линейное уравнение
, (12.8)
где неизвестная векторная функция вида (12.4), L - некоторый линейный (§ 7 п. 3) вещественный дифференциальный или интегральный оператор, a - заданная векторная функция того же вида, что и :
.
В частности, может быть , и тогда неоднородное уравнение (12.8) переходит в соответствующее однородное. Заметим также, что векторное уравнение взято в качестве более общего случая, и все дальнейшие рассуждения, разумеется, применимы и к скалярным уравнениям.
Рассмотрим новое уравнение:
. (12.9)
В силу линейности оно распадается на два уравнения относительно вещественных и мнимых частей входящих функций:
(12.9а)
причём первое из этих уравнений не отличается от (12.8), поскольку и . Это значит, что вещественная часть решения уравнения (12.9) удовлетворяет первоначальному уравнению (12.8).
Мы видим, что вместо (12.8) молено решать уравнение (12.9), и затем разыскиваемую функцию получать как вещественную часть найденного решения .Преимущество такого подхода - в исключении временной зависимости. Действительно, операции дифференцирования и интегрирования, по времени под знаком оператора L в (12.9) сводятся к умножению и, соответственно, делению функции на jω, так что
где Lω - зависящий от ω оператор, который выражает лишь дифференцирование или (и) интегрирование по координатам х, y, z. Внося это в (12.9) и исключая слева и справа общий множитель , имеем:
(12.10)
Таким образом, вместо первоначального уравнения (12.8) относительно функции координат и времени получено уравнение (12.10) относительно комплексной амплитуды функции координат.
|
Метод комплексных амплитуд состоит в том, что заданное уравнение типа (12.8) приводится к виду (12.10),а после того как оно решено, и функция координат найдена, разыскиваемая функция координат и времени получается согласно (12.6) как вещественная часть от .
В качестве примера обратимся к уравнениям (7.11) и (7.12). Оператор L в этом случае имеет вид:
Заменяя дифференцирование по t умножением на jω, получаем здесь следующий оператор Lω:
.
Поэтому, в частности, волновое уравнение (7.11) относительно функции переходит в уравнение
(12.11)
относительно комплексной амплитуды . Это так называемое уравнение Гельмгольца.
12.3. Средние значения.Говорят, что величина есть «мгновенное значение» функции u(t) (12.1) для момента t1. Если есть какая-либо функция от u(t), которую обозначим F = F [ u(t) ], то можно говорить и о её мгновенном значении для момента t1 равном F [ u(t1) ]. Но часто представляет интерес также среднее значение F, под которым понимают
(12.12)
Очевидно, в частности, что для F=u
, (12.13)
a
. (12.14)
Можно также написать:
, (12.14а)
где звездочка означает комплексное сопряжение (если , то ).Поэтому для векторной функции вида (12.4) получаем:
, (12.15)
где есть комплексная амплитуда (12.7). Очевидно , а также
(12..16)
В случае произведения функций
и = ит cos (ω t + φ) и υ = υm cos (ωt +φ)
(12.17)
или
(12.17a)
Взяв две векторные функции и вида (12.4), получим соответственно:
(12.18)
Совершенно так же для векторного произведения и :
(12.19)
Употребление комплексных амплитуд в выражениях средних квадратов и произведений колеблющихся величин не имеет прямой связи с методом комплексных амплитуд, изложенным в п. 2. Очевидно, что
если зависимость не является линейной, в частности, если . Поэтому мгновенное значение нельзя определить как вещественную часть от Может, однако, оказаться, что комплексные амплитуды желательно ввести в то или иное выражение нелинейной зависимости. Тогда делают подстановку, используя очевидное равенство:
(12.20)
Так, например,
(12.21)
12.4. Разложение по гармоническим колебаниям. Наконец, пусть в уравнении (12.8) зависимость и от времени сложнее гармонических колебаний. Если она является все же периодической (период Т), то можно воспользоваться представлением функции и в виде рядов Фурье; при этом удобна комплексная форма записи. Так для имеем:
|
(12.22)
где - коэффициенты Фурье, связанные с неизвестной соотношением:
(12.23)
Совершенно так же разлагается в ряд Фурье известная функция её коэффициенты Фурье можно считать известными. Внося полученные разложения для в (12.8), получим следующие уравнения для коэффициентов Фурье , аналогичные уравнению (12.10):
. (12.24)
В случае произвольной зависимости от времени функции можно представить в виде интегралов Фурье:
(12.25)
где неизвестная спектральная плотность
(12.26)
При этом из (12.8) для неё получается уравнение:
(12.27)
Здесь - спектральная плотность известной функции .
Представление в виде ряда Фурье (12.22) или интеграла Фурье (12.25) означает разложение её на гармонические колебания, причём имеют смысл комплексных амплитуд, к нахождению которых сводится задача.
|
|
Двойное оплодотворение у цветковых растений: Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток с образованием зиготы...
Таксономические единицы (категории) растений: Каждая система классификации состоит из определённых соподчиненных друг другу...
Типы сооружений для обработки осадков: Септиками называются сооружения, в которых одновременно происходят осветление сточной жидкости...
Историки об Елизавете Петровне: Елизавета попала между двумя встречными культурными течениями, воспитывалась среди новых европейских веяний и преданий...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!