Нормальные волны

Норма́льные волны, или со́бственные во́лны, — гармонические волны, которые могут существовать в некоторой линейной динамической системе с постоянными не обязательно однородными распределёнными параметрами в случае пренебрежимо малого поглощения (диссипации) и рассеивания энергии волны.

Анимация распространения нормальной бегущей электромагнитной волны с типом моды TE31 в прямоугольном волноводе

Нормальные волны являются обобщением понятия нормальных колебаний и описывают распространение волн в неограниченном или частично ограниченном пространстве, например, в полупространстве. Особую роль нормальные волны играют в теории волноводов, волновых каналов оптоволоконных линий, колебаний полубесконечных струн и др.

Если размеры ограниченного пространства, где распространяются волны, велики по сравнению с длиной волны колебания, то типы колебаний можно описывать в такой системе как в терминах нормальных колебаний, так и собственных волн, например, акустические волны в большом помещении.

Свойства

Для нормальных волн справедливы следующие достаточно общие утверждения:

1. каждая нормальная волна в данной системе может распространяться без стороннего воздействия и может быть возбуждена специальным подбором начальных условий без побочного возбуждения каких-либо других нормальных волн;
2. любое волновое движение произвольной формы всегда может быть представлено как суперпозиция нормальных волн в пространстве и времени;
3. временно́й спектр нормальных волн является сплошным, и любая волна может быть представлена в виде интеграла по всем нормальным волнам.

Математическое описание

Простейшим случаем является среда, параметры которой не меняются вдоль одного из направления (например, вдоль оси $z$). Такая ситуация характерна, например, для прямолинейных однородных волноводов. Тогда нормальные волны являются гармоническими не только во времени, но и в пространстве в направлении оси $z$, и поэтому каждая из таких волн может быть математически записана в виде частного решения волнового уравнения для одномерного случая:

$a_{i}=A_{i}({\vec {r}}_{\perp },\omega )\cos(\omega t-k_{z}z),$

где $\omega$ — частота волнового колебания;

$k_{z}$ — продольное волновое число — модуль волнового вектора;

$A_{i}$ — распределение амплитуды нормальной волны, зависящее только от поперечного радиус-вектора ${\vec {r}}_{\perp }$.

В общем случае скорость распространения волны зависит от её длины. Зависимость круговой частоты волны $\omega$ от модуля волнового вектора $k_{z}$ (и, соответственно от длины) называется дисперсией волны и обычно является неоднозначной функцией. Каждая независимая ветвь функции $\omega (k_{z})$ называется отдельной нормальной модой (или просто модой).

В изотропных средах фазовая скорость распространения волны с заданной частотой не зависит от направления её распространения, в неизотропных и гиротропных средах в общем случае такая зависимость наблюдается, не только от направления, но и от типа поляризации (для гиротропных сред).

Нормальные моды могут отличаться распределением по амплитуде, типом поляризации (линейная, круговая поляризация) или физической природой волновых процессов. Частоты некоторых нормальных мод разного типа могут совпадать, в этом случае такие моды называют вырожденными, число возможных совпадающих по частоте мод разного типа называют кратностью вырождения.

См. также

• Нормальные колебания

Литература

• Миллер М. А., Пермитин Г. В. Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1992. — Т. 3: Магнитоплазменный — Пойнтинга теорема. — 672 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-019-3.