波的叠加
波在空间里走,带着波峰和波谷,两列波在同一个地方相遇时,那一瞬的位移就照原样相加。这就是叠加。速度由 v = fλ 定下,两列波会彼此加强或者抵消,频率稍有差别就会出现拍。这一讲看的不是停在原地的波,而是真正流过去的行波。相遇之处的高度,就是和。
行波保持着波峰和波谷的形状,向旁边流去。波长 λ 是从一个波峰到下一个波峰的距离,频率 f 是一个点在 1 秒里经过的波峰个数。两者相乘的 v = fλ,就是波前进的速度。在实际介质里,速度几乎由介质本身定下,所以把频率升高,波长就按同样的比例变短。移动 λ 和 f,速度怎样定下来就显出来了。波峰的间隔,就是波长。
把频率相同的两列波叠在一起,每一点上两个位移相加,才是实际的波。相位差 Δφ 为 0 时,波峰碰上波峰,就出现大得多的加强。相位差为 π 时,一边的波峰碰上另一边的波谷,完全抵消,变成平的。消除噪声的耳机用的正是这种抵消,造出一列与进来的声音相位差 π 的波,在耳朵里把声音抹掉。移动相位差,相加的曲线就跟着变。波峰遇波峰就变大,波峰遇波谷就消失。
把频率只差一点点的两列波叠在一起,它们一次次对齐又错开,和的大小就慢慢变大又变小。这慢的起伏就是拍。拍的频率等于两个频率之差 |f₁ − f₂|。给乐器调音时,让两个音一起响,调到拍消失,两个频率就正好一样。移动 f₂,让两个频率靠近,拍就明显变慢。差得越小,起伏就越慢。 差得越小就越慢。
叠加在一个点上就能当场核对。把竖直探针左右移动,那个位置上两列波各自的高度,以及两者相加的值,会一起出来。无论在哪个位置,和永远就是两个高度照原样相加。因为和在每一点都正好是两个高度之和,两列波彼此穿过之后,仍旧照原来的形状走下去,好像对方不曾来过。移动探针,两个值的和就落在实际的和曲线上。穿过之后的形状与相遇之前相同,这是叠加的另一张脸。
不管波以什么方式振动,叠加都同样成立。横波里,介质沿垂直于行进方向振动,那就是常看见的曲线。纵波里,介质沿着行进方向前后振动,就出现密的地方和疏的地方。两张图只是同一列波的两种画法。光是横波,空气里的声音是纵波,可叠加在两种情形里同样适用。按下切换,同样的振动就以两种样子出现。只是画法不同,相加的规则一样。 规则相同。