相速度和群速度 (Phase velocity and group velocity )
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波速、相速、群速、能量传输速度1、定义波速(wave celerity):单位时间内波形传播的距离,以波长与波周期之比表示.V=入/T.相速(phase velocity):相速度,单一频率的正弦电磁波波的等相面(例如波峰面或波谷面)在介质中传播的速度v=c/n,c为自由空间中的光速,n为介质对该频率电磁波的折射指数。
在理想介质中,电磁波的相速仅与介质参数有关.群速(group velocity):(1)、波列作为整体的传播速度(2)波群传播的速度。
波的群速度,简称群速,是指波的包络传播的速度。
实际上就是波实际前进的速度。
群速是一个代表能量的传播速度。
概念引入原因:实用系统的信号总是由许多频率分量组成,在色散介质中,各单色分量将以不同的相速传播,因此要确定信号在色散介质中的传播速度就发生困难,为此引入群速的概念,它描述信号的能量传播速度。
能量传播速度:群速是波群的能量传播速度.2、相互关系(1)相关概念非色散介质:无线电波在介质中传播时,介电常数ε与频率无关,波的传播速度也与频率无关的介质;色散介质:与此相反,如果介电常数ε或传播速度v与频率有关的介质.正常色散:一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。
特点:波长变大时,由v=λf,频率不变,则V增大。
而n=c/v,则折射率值n变小,角色散率D变小。
反常色散:在某些波段会出现,波长变大时折射率值增大的现象,这称为反常色散。
反常色散同样是物质的普遍性质。
反常色散与选择吸收密切相关,即在发生物质的选择吸收波段附近出现反常色散。
角色散率:由夫琅和费衍射理论知,产生衍射亮条纹的条件(光栅方程):dsinθ=kλ(k= 1, 2,…, n)光栅方程对λ微分,就可得到光栅的角色散率:ψ=Δθ/Δλ=k/dcos.角色散率是光栅、棱镜等分光元件的重要参数,随着k的增大,色散率也就越大。
它表示单位波长间隔内两单色谱线之间的角间距,当光栅常数d愈小时,角色散愈大;光谱的级次愈高,角色散也愈大。
§6-4 光的相速度和群速度折射率是光在真空中和介质中传播速度的比值,即v c n /=,通常可以通过测定光线方向的改变并应用折射定律()21sin /sin i i n =来求它,但原则上也可分别实测c 和v 来求它们的比值,用近代实验室方法,不难以任何介质中的光速进行精确的测定,例如水的折射率为,用这两种方法测得的结果是符合的,但对二硫化碳,用光线方向的改变的折射法测得的折射率为,而1885年迈克耳孙用实测光速求得的比值则为,其间差别很大,这绝不是由实验误差所造成的,瑞利找到了这种差别的原因,他对光速概念的复杂性进行了说明,从而引出了相速度和群速度的概念。
按照波动理论,这种通常的光速测定法相当于测定由下列方程所决定的波速的数值: ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=v r t A E ωcos 不难看出,这里v 所代表的是单色平面波的一定的位相向前移动的速度,因为位相不变的条件为 常量=-vr t 由此得到 01=-dr vdt 或 dt dr v = (6-1) 所以这个速度称为位相速度(简称相速),这速度的量值可用波长和频率来计算。
波的表达式部是t 和r 的函数,可以写成下列形式:()kr t A E -=ωcos式中v πω2= 和λπ/2=k 都是不随 t 和 r 而改变的量,故位相不变的条件为kr t -ω=常量0=-kdr dt ω由此得或 λωv kv dt dr === (6-2) (6-2)式表示的位相速度乃是严格的单色波地(ω有单一的确定值)所特有的一种速度,单色波以t 和r 的余弦函数表达,ω为常量,这种严格的单色波的空间延续和时间延续都是无穷无尽的余弦(或正弦)波,但是这种波仅是理想的极限情况,实际所到的永远是形式不同的脉动,这种脉动仅在空间某一有限范围内、在一定的时间间隔内发生,在时间和空间上都是有起点和终点的,任何形式的脉动都可看成是由无限多个不同频率、不同振幅的单色正弦波或余弦波叠加而成的,即可将任何脉动写成傅里叶级数或傅里叶积分的形式,在无色散介质中所有这些组成脉动的单色平面波都以同一相速度传播,那么该脉动在传播过程中将永远保持形状不变,整个脉动也永远以这一速度向前传播,但是除真空以外,任何介质通常都具有色散的特征,就是说,各个单色平面波各以不同的相速传播,其大小随频率而变,所以由它们叠加而成的脉动在传播过程中将不断改变其形状,在这种情况下,关于脉动的传播速度问题就变得比较复杂了,观察种脉动时,可以先认定它上面的某一特殊点,例如振幅最在大的一点,而把这一点在空间的传播速度看作是代表整个脉动的传播速度,但是由于脉动形状的改变,所选定的这一特殊点在脉动范围内也将不断改变其位置,因而该点的传播速度和任何一个作为组成部分的单针平面波的相速都将有所不同,按照瑞利的说法,这脉动称为波群,因而脉动的传播速度称为群速度,简称群速,现在仅就一个简化的例子来讨论两种速度的关系。
兰姆波的相速度和群速度是两个重要的概念,用于描述兰姆波在材料中传播时的特性。
相速度是指波包上相位固定的一点沿传播方向的传播速度,即波的相位传播速度。
在兰姆波的频散曲线中,相速度不是常数,而是随着频率的变化而变化。
群速度是指脉冲包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度,是波群的能量传播速度,即波的传播速度。
在兰姆波的频散曲线中,群速度也是随频率变化的。
总的来说,相速度和群速度都是描述兰姆波在材料中传播特性的重要参数,在实际应用中可以根据需要选择不同的参数进行分析。
Accuracy 准确度AGC: Automatic gain control. 自动增益控制。
Airy Hypothesis艾里假说alias:假频amplitude spectrum振幅谱antiroots反山根Bouguer anomaly布格异常Bouguer correction布格改正continuation延拓density密度density contrast密度差depth of compensation补偿深度dot chart布点量板double Bouguer correction双重布格改正downward continuation向下延拓elevation correction高程改正field continuation位场延拓figure of the earth大地水准面free-air anomaly自由空间异常free-air correction自由空间改正free oscillation of the earth:地球自由震荡gal伽geodesy:大地测量学geoid大地水准面gradiomanometer压差密度计:gradiometer梯度仪gravimeter重力仪gravitational constant万有引力常数gravity重力gravity anomaly:重力异常gravity meter比重计:gravity reduction:重力改正gravity survey重力调查gravity unit重力单位Gutenberg discontinuity:古登堡不连续面horizontal cylinder水平圆柱体isostasy:地壳均衡说:isostatic correction:均衡改正:latitude correction:纬度改正local gravity局部重力值normal gravity正常重力:Poisson's equation:泊松方程:Pratt hypothesis:普拉特假说second-derivative map:二次微商图:topographic correction地形改正torsion balance扭秤Worden:沃尔登重力仪aeromagnetic航空磁测Airborne magnetometer:航空磁力仪alternating-field demagnetization:交变场退磁:Curie point:居里点declination:磁偏角diurnal variation:日变ferrimagnetism:亚铁磁性:ferromagnetic:铁磁性的field intensity:场强fluxgate magnetometer:磁通门磁力仪gamma:伽马gauss:高斯:geomagnetic pole:地磁极geomagnetic reversal: 地磁极倒转:geomagnetic-variation method:地磁变化法:geometric sounding:电磁几何测深:inclination:倾角inductivity:感应率:local magnetic anomalies:局部磁异常magnetic basement:磁性基底:magnetic dip:磁倾角magnetic disturbance磁扰magnetic equator:地磁赤道magnetic field磁场magnetic flux:磁通量magnetic intensity:磁场强度:magnetic interpretation methods磁测资料解释法magnetic meridian:地磁子午线:magnetic moment:磁矩:magnetic permeability:磁导率:magnetic polarization:磁极化:Magnetic pole:磁极:magnetic storms:磁暴:magnetization:磁化强度magnetometer:磁力仪:nanotesla:纳特斯拉:normal magnetic field:正常磁场oersted:奥斯特paleomagnetism:古地磁学:paramagnetic: 顺磁性的:permeability:磁导率,渗透率:polarity:极性:polarization:极化度,极化,偏振:reduction to the pole化向地磁极归极法:secular variation:长期变化:tesla:特斯拉weber:韦伯apparent resistivity: 视电阻率:conductivity:电导率:current electrode:供电电极:dielectric constant:介电常数:dielectric polarization:电介质极化:dipole array:偶极排列dipole-dipole array:偶极-偶极排列:electrical profiling:电剖面法:electrical sounding电测深electrical survey电法勘探,电测井electric field:电场electric susceptibility:电极化率:electrochemical SP:电化学自然电位:electrode电极:electrode equilibrium potential:电极平衡电位:electrode polarization:电极极化:electrode potential:电极电位electrode resistance:电极电阻:electrolyte:电解质:electromagnetic method:电磁法:electromagnetic spectrum:电磁波谱:electronic电子的ELF:极低频:EM:电磁的:emu:电磁单位:equipotential-line method:等位线法equipotential surface:等位面:far-field:远场:fixed-source method:定源法:free-space field:自由空间场:galvanometer:电流计heat flow unit:热流单位HFU:热流单位:horizontal-dipole sounding水平偶极测深induced polarization:激发极化:infinite electrode:无穷远电极:NMR核磁共振permittivity:电容率:polarization ellipse:极化椭圆:pole-dipole array:单极-偶极排列:pole-pole array:单极-单极排列:Primary field: 一次场:secondary field:二次场:self-potential:自然电位self-potential method:自然电位法skin depth:趋肤深度skin effect:趋肤效应sky wave:天波:sky-wave interference:天波干扰:SP:自然电位:spontaneous potential:自然电位:transient electromagnetic method:瞬变电磁法:abnormal events:异常同相轴absorption:吸收作用:acoustic声学的,声的acoustic impedance:声阻抗,波阻抗:acoustic wave: 声波,地震波:air gun:空气枪:air wave:空气波:angle of incidence:入射角:apparent velocity:视速度:apparent wavelength:视波长:arrival:波至:arrival time波至时间:attenuation:衰减average velocity:平均速度azimuth:方位角binary gain:二进制增益blind zone: 盲区:body waves:体波:break:波跳:buried focus effect:地下焦点效应:cable:电缆:chirp:线性调频脉冲:coefficient of anisotropy:各向异性系数coherence:相干性coherent:相关的:common-depth-point:共深度点:common-depth-point stack:共深度点叠加:common-offset gather:共偏移距道集:common-offset stack:共炮检距叠加(同距叠加):common-range gather:共炮检距道集(选排):Common reflection point: 共反射点:compressional wave:压缩波:configuration:排列形式:converted wave:转换波critical angle:临界角critical reflection:临界反射:curved path:弯曲射线路径deconvolution:反褶积:deep seismic sounding: DSS.深地震测深:diffraction: 绕射:diffraction stack:绕射叠加:dilatational wave:膨胀波dispersion:扩散,频散display:显示:diving waves:弓形射线波:Dix formula:Dix公式DSS:深地震测深:dynamic corrections动校正:earthquake:天然地震:earthquake seismology: 天然地震测震学:elastic:弹性的:elastic constants:弹性常数:elastic impedance:弹性阻抗:elastic wave:弹性波:electrodynamic geophone:电动检波器:epicenter:震中:event:同相轴:expanding spread: 扩展排列:extended spread:纵排列fathometer:水深计:Fermat’s principle:费马原理:first arrival:初至:first break:初至波:floating datum: 浮动基准面flute槽focus:震源fold: 覆盖次数format:数据格式:Gardner method:加德纳法:gather:道集:geophone:地震检波器:geophone interval:检波距:ground roll:地滚波:group interval:组合间距:group velocity:群速度:guided wave:导波:hammer冲击锤:head wave:首波::hodograph:矢端线:Hooke's law:虎克定律:horizontal stacking:水平叠加:Huygens principle:惠更斯原理:impedance:阻抗incident angle:入射角:interval velocity:层速度:Kirchoff diffraction equation:基尔霍夫绕射方程:law of reflection:反射定律:law of refraction:透射定律:least-time path:最短时程:Lg-wave: Lg-波:longitudinal wave:纵波:long-path multiple:全程多次反射波:long wave长波:love wave:勒夫波low-velocity layer:低速层:marker bed:标准层:migration: 偏移,运移:minimum-phase:最小相位:multiple:多次波:multiple coverage:多次覆盖:multiplex:多路传输,多倍仪multiplexed format:多路编排格式:mute:切除:NMO: Normal moveout.正常时差。
相速度与群速度群速度和相速度是导波理论中的重要概念,也是导波的主要参数。
群速度(c g )是指脉冲波的包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度,它是波群的能量传播速度。
通俗的说,群速度是关于一族频率相近的波的传播速度。
而相速度(c p )是波上相位固定的一点传播方向的传播速度。
值得注意的是,导波以其群速度向前传播。
Lord Rayleigh 曾说过:“群速度的概念常用下面这个例子说明,即当一族波列到达一个静止水面时,波群的速度比它所包含的每一个子波的速度都要小;这些子波仿佛通过波群前进,当达到其内部极限时而消失。
”群速度和相速度的意义可以通过波的叠加引出。
谐波是最简单的波,一个谐波的振动方程可以表示成式(2.1)的形式。
()t kx Acos u ω-=(2.1)式中: u----质点振动的位移A----振幅k----波数,k=2π/λ,λ为波长 ω---振动的角频率 x----波传播的位置矢量 t----时间变量最简单的分析法是考虑两个振幅相同,频率ω1和ω2略有差异的谐波的传播问题,有)()t x k Acos t x k Acos u 2211ωω-+-=(2.2)式中,k 1=ω1/c 1;k 2=ω2/c 2。
通过三角变换和如下代换 △ω=ω2-ω1 △k=k 2-k 1 ωA V =1/2(ω2+ω1) k A V =1/2(k 2+k 1) c A V =ωA V /k A V则()t x k cos t21kx 212Acos uAV AV ωω-⎪⎭⎫⎝⎛∆-∆=注意到低频项有一传播速度,群速度定义为 C g =△ω/△k 取极限为C g =d ω/dk 。
高频项同样有一传播速度,相速度定义为 C p =ω/k频率相近的一族波的叠加导致了图 2.2中的典型结果。
不同的谐波以不同的相速度C p 传播,但叠加起来之后的波群以群速度C g 传播。
超声导波总是以群速度传播的,但由于实际应用中往往只能得到导波的相速度,群速度C g 可以由相速度C p ,利用公式dkd c g ω=得到,将k=ω/c p 代入上式,得图2-2 群速度、相速度示意图)fd (d dc)fd (c c d dcc c c dc cd d c d d c p2p 2ppp 2p2ppppg -=-=-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ωωωωωωω因此)fd (d dc)fd (c c c p2p 2pg -=(2.3)此时就可以通过式 2.3得到导波的群速度[51]。
§6-4 光的相速度和群速度折射率是光在真空中和介质中传播速度的比值,即v c n /=,通常可以通过测定光线方向的改变并应用折射定律()21sin /sin i i n =来求它,但原则上也可分别实测c 和v 来求它们的比值,用近代实验室方法,不难以任何介质中的光速进行精确的测定,例如水的折射率为1.33,用这两种方法测得的结果是符合的,但对二硫化碳,用光线方向的改变的折射法测得的折射率为1.64,而1885年迈克耳孙用实测光速求得的比值则为1.75,其间差别很大,这绝不是由实验误差所造成的,瑞利找到了这种差别的原因,他对光速概念的复杂性进行了说明,从而引出了相速度和群速度的概念。
按照波动理论,这种通常的光速测定法相当于测定由下列方程所决定的波速的数值: ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=v r t A E ωcos 不难看出,这里v 所代表的是单色平面波的一定的位相向前移动的速度,因为位相不变的条件为 常量=-vr t 由此得到 01=-dr vdt 或 dt dr v = (6-1) 所以这个速度称为位相速度(简称相速),这速度的量值可用波长和频率来计算。
波的表达式部是t 和r 的函数,可以写成下列形式:()kr t A E -=ωcos式中v πω2= 和λπ/2=k 都是不随 t 和 r 而改变的量,故位相不变的条件为kr t -ω=常量0=-kdr dt ω由此得或 λωv kv dt dr === (6-2) (6-2)式表示的位相速度乃是严格的单色波地(ω有单一的确定值)所特有的一种速度,单色波以t 和r 的余弦函数表达,ω为常量,这种严格的单色波的空间延续和时间延续都是无穷无尽的余弦(或正弦)波,但是这种波仅是理想的极限情况,实际所到的永远是形式不同的脉动,这种脉动仅在空间某一有限范围内、在一定的时间间隔内发生,在时间和空间上都是有起点和终点的,任何形式的脉动都可看成是由无限多个不同频率、不同振幅的单色正弦波或余弦波叠加而成的,即可将任何脉动写成傅里叶级数或傅里叶积分的形式,在无色散介质中所有这些组成脉动的单色平面波都以同一相速度传播,那么该脉动在传播过程中将永远保持形状不变,整个脉动也永远以这一速度向前传播,但是除真空以外,任何介质通常都具有色散的特征,就是说,各个单色平面波各以不同的相速传播,其大小随频率而变,所以由它们叠加而成的脉动在传播过程中将不断改变其形状,在这种情况下,关于脉动的传播速度问题就变得比较复杂了,观察种脉动时,可以先认定它上面的某一特殊点,例如振幅最在大的一点,而把这一点在空间的传播速度看作是代表整个脉动的传播速度,但是由于脉动形状的改变,所选定的这一特殊点在脉动范围内也将不断改变其位置,因而该点的传播速度和任何一个作为组成部分的单针平面波的相速都将有所不同,按照瑞利的说法,这脉动称为波群,因而脉动的传播速度称为群速度,简称群速,现在仅就一个简化的例子来讨论两种速度的关系。
第一章(2)体心立方(body- centered cubic,bcc):原胞基矢每个晶胞有2个等效格点。
常见金属:碱金属晶体,过渡金属晶体,Cr ,Mo, W.体心立方原胞体积为: a1 ⋅ ( a2⨯a3 ) = a3/2最近邻原子数:8个(3)面心立方(face-centered cubic,fcc) 原胞基矢每个晶胞有4个等效格点。
常见金属:贵金属Cu、Ag、Au、Al、Ni、Pb等。
面心立方原胞体积为: a1 ⋅ ( a2⨯a3 ) = a3/4最近邻原子数:12个7大晶系,14种布拉菲格子,32种宏观对称操作。
密堆积配位数配位数:一个原子周围最近邻的粒子数。
致密度:晶胞中粒子所占的体积与晶胞体积之比。
比值越大,堆积越密。
粒子被看作为有一定半径的刚性小球。
最近邻的小球互相相切。
两球心间的距离等于两最近邻粒子间的距离。
1.同种粒子构成的晶体原子半径相同,刚球半径也相同。
一般采用密堆积。
配位数为12、8。
2. 不同粒子组成的晶体(1)氯化铯(CsCl)Cs+离子半径为r,Cl-离子半径为R,则r = 0.73R 配位数为8。
(2)氯化钠(NaCl), Na+离子半径为r,Cl-离子半径为R,则r = 0.41R 配位数为6。
晶列、晶面、密勒指数;晶向:晶格可看成是在任意方向上由无穷多的平行直线组成的,所有的格点都落在这些直线上。
每一条这样的直线称为晶格的一个晶列。
晶列的方向称为晶格的晶向。
晶向的表示:晶向指数 [ l1l2l3 ]:任取一个格点作为原点O。
作晶胞基矢a、b、c,考虑某晶列上的一个格点P,该格点的位矢为:l1a1+ l2a2+ l3a2且l1 l2 l3 为三个互质整数。
则该晶向指数为[ l1 l2 l3 ]。
晶面:晶格可在任意方向上分割成无穷多的平行平面组成,使得所有的格点都落在这些平面上。
所有互相平行的平面构成一族,称为晶格的晶面。
晶面的表示:在晶胞基矢a、b、c下,一晶面与它们的截距分别为 l'a、m'b、n'c若有互质整数 l、m、n 使(lmn)称为晶体的密勒指数(Millerindices)。