
【化】 spherical wave
sphere
【机】 sphere
wave
【化】 wave
【医】 deflection; flumen; flumina; kymo-; wave
球面波(spherical wave)是波动现象的一种空间传播形式,其波阵面在均匀各向同性介质中以同心球面形式向外扩展。该术语在物理学与工程学中具有重要应用价值,尤其在声学、电磁波传播和量子力学领域表现突出。
从波动方程解的角度分析,球面波的数学表达式可表示为: $$ u(r,t) = frac{A}{r} e^{i(kr - ωt)} $$ 其中$A$为振幅常数,$r$表示与点波源的距离,$k$为波数,$ω$为角频率。这种形式的解满足三维波动方程$ abla u = frac{1}{v} frac{partial u}{partial t}$,直观反映了能量随传播距离平方反比衰减的特性。
相较于平面波,球面波具有两个显著特征:其一,波阵面曲率半径随传播距离持续变化;其二,振幅随$1/r$规律衰减。这种特性使得球面波模型在分析点声源辐射、无线通信基站信号覆盖、地震波传播等实际工程问题时具有不可替代性。
在工程技术应用中,球面波理论被广泛运用于:
权威参考资料:
球面波是波动传播的一种形式,具有以下核心特征:
波面形态
球面波的波阵面(等相位面)为同心球面,波线从球心(波源位置)向外辐射,如点光源发出的光波在均匀介质中的传播。
波源类型
由理想点波源(如点声源、点光源)产生,属于理论模型。实际中,当观测点距离波源足够远时,小尺寸波源可近似为点源。
波动方程
在球坐标系中,球面波的解可表示为:
$$
psi(r,t) = frac{A}{r} e^{i(kr pm omega t)}
$$
其中:
相位特性
相位表达式为( kr pm omega t ),波数( k=2pi/lambda )描述相位随距离的变化率。
与平面波的区别
平面波振幅恒定且波面无限延伸,而球面波振幅衰减且波面有限。在远离波源的区域(远场),球面波局部可近似为平面波。
典型例子
球面波的严格周期性因振幅衰减被破坏,但相位仍保持空间传播特性。实际应用中需注意其与柱面波、平面波的适用场景差异。
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