НОРМАЛЬНЫЕ ВОЛНЫ

НОРМАЛЬНЫЕ ВОЛНЫ, собственные волны, гармонич. волны той или иной физич. 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. Напр., при распространении между параллельными металлич. плоскостями (рис. 1) электромагнитных Н. в. поперечная (по отношению к направлению распространения) структура электрич. 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., изображённых на рис. 1, в и о, меняется от сечения к сечению (рис. 1, в).

Наибольший практич. интерес представляют электромагнитные Н. в. в вол-новодных 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 акустич. волноводных системах (акустич. 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 Л и поперечными размерами системы d. Для волн с фиксированной частотой это число всегда конечно, при этом чем больше отношение d/Л., тем больше N. На очень низких частотах (т. е. при d/Л << 1/2) может распространяться только одна Н. в. определённого типа, а в нек-рых системах, напр, 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.

Рис. 1. Схема распространения двух нормальных волн а и о и волны в, полученной в результате их наложения. В сечениях 1 и 3 разность фаз нормальных волн ф=0 и они складываются, а в сечении 2 ф =-Пи и волна вычитается.

Физич. 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 в теории колебат. систем.

Рис. 2. Схема распространения рэлеевской волны на границе упругого тела.

Вдоль границы раздела двух сред могут распространяться поверхностные Н. в., напр, 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 отд. проводах.

Рис. 3. Схема распространения обыкновенной и необыкновенной волн в одноосных кристаллах.

Наконец, Н. в. в безграничных и однородных сплошных средах = это плоские волны, сохраняющие при распространении свою поляризацию. Н. в. являются, напр., 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.