驻波

驻波是指频率相同、传输方向相反的两种波(不一定是电波),沿传输线形成的一种分布状态。其中的一个波一般是另一个波的反射波。在两者电压(或电流)相加的点出现波腹,在两者电压(或电流)相减的点形成波节。在波形上,波节和波腹的位置始终是不变的,给人“驻立不动”的印象,但它的瞬时值是随时间而改变的。如果这两种波的幅值相等,则波节的幅值为零。

驻波是自然界一种十分常见的现象,生活中无处不在,例如水波、乐器发声、树梢震颤等都与驻波有关。驻波是物理教学中比较重要的一部分内容。 驻波是一种常见的物理现象。各种乐器的发声原理都是和驻波相关的。比如常见的弦乐器和管乐器分别是利用了弦上的驻波和管中的驻波进行发声。由于驻波应用的广泛性,国外的很多高中物理教材都把关于驻波的理论和应用列入其中。比如国际高中文凭课程(IBDP)和英国高中课程(A'level)。

两列沿相反方向传播的振幅相同、频率相同的波叠加 时形成的波叫做驻波。那么,怎样得到两列沿相反方向传播的波,而且这两列波的振幅和频率都相同呢?在实践中一般是利用了波的反射。比如说弦上的驻波,当声波传播到固定端时会发生反射,反射波与入射波传播方向相反,振幅和频率都相同。因此,入射波和反射波的叠加形成驻波。对于管中的驻波,当声波传播到闭口端时同样发生反射,入射波和反射波叠加形成驻波。由于弦的固定端和管的闭口端相当于波在传输过程中遇到的障碍物,因此对于波在弦的固定端和管的闭口端发生反射是比较容易接受的。 然而,对于管中的驻波,还有另外一种情况是两端开口的管中形成的驻波。这样一来,驻波的形成原理解释为波源在一个开口端发生振动产生入射波。入射波传播到另一个开口端时发生反射,入射波和反射波叠加形成驻波。

入射波(推进波)与反射波相互干扰而形成的波形不再推进(仅波腹上、下振动,波节不移动)的波浪,称驻波。驻波多发生在海岸陡壁或直立式水工建筑物前面。紧靠陡壁附近的海水面随时间虽作周期性升降,海水呈往复流动,但并不向前传播,水面基本上是水平的,这就是由于受岸壁的限制使入射波与反射波相互干扰而形成的。波面随时间作周期性的升降,每隔偶数个半个波长就有一个波面升降幅度为最大的断面,称为波腹;当波面升降的幅度为0时的断面,称为波节。相邻两波节间的水平距离仍为半个波长,因此驻波的波面包含一系列的波腹和波节,腹节相间,波腹处的波面的高低虽有周期性变化,但此断面的水平位置是固定的,波节的位置也是固定的。这与进行波的波峰、波谷沿水平方向移动的现象正好相反,驻波的形状不传播,故名驻波。当波面处于最高和最低位置时,质点的水平速度为零,波面的升降速度也为零;当波面处于水平位置时,流速的绝对值最大,波面的升降也最快,这是驻波运动独有的特性。

特点:两个波的频率、传播速度完全相等,但方向相反。

2个周期为T,波长为λ,振幅为A的简谐波沿着x轴向相反方向传播。

沿x轴正方向传播的波称为右行波,波动方程为

y1=Acos2π(t/T-x/λ )( 1)

沿x轴负方向传播的波称为左行波,波动方程为

y2=Acos2π(t/T+x/λ ) ( 2)

合成后的驻波方程为式为

y=y1+y2=2Acos2π(x/λ)cos2π(t/T) ( 3)

可见, 合成后的波上的任何一点都在做同一周期的简谐振动。

在多频信号合路端口串联宽频带双向耦合器,分别提取输入功率和反射功率,送入检波器,将射频信号功率转化为直流信号,然后通过单片机或简单的运算放大电路进行运算,得出该端口的驻波比。 此种方式中,检波器检测的信号是前面多路输入信号功率的叠加值,由于驻波比是频率的函数,即驻波比随频率的变化而变化,上述手段无法对信号频率进行区分,因此驻波检测精度极低,往往不能达到对设备进行有效监测的要求,常常发生误告警或者不告警的情况。

在多系统接入平台的输入端,分别对单个频段进行输入功率检测,获得精确的输入功率值。对多频合路端口进行宽频带反射功率耦合后,用射频开关及滤波器进行频带选择,将多频合路宽带信号拆分为多个窄带信号,再送入检波器进行功率检测,为多频合路端口的驻波检测引入了频率信息,以实现对合路端 口的驻波比进行准确检测的目的。同时,与传统方式相比,合路端口的耦合器由双向耦合器改为单向耦合器,能显著降低定向耦合器实现高方向性的难度。

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