简谐波的相速

沿 方向传播的简谐波为

追踪等相位点,对时间求导:

相速

等相位点的传播速度,如简谐行波中某个波峰前进的速度。

相速描述波形传播速度, 描述介质质点振动速度,两者不同。

例如绳上横波向右传播,绳上质点上下振动;一个波峰每经过一周期 前进一个波长 ,故 。


波包的群速

波包:由一组不同波数、频率的波叠加形成的局域波动。频率集中在中心频率附近时,称为窄带波包,可近似表示为

其中余弦部分为载波,缓慢变化的 为包络。

  • 载波:波包内部密集的波峰、波谷,描述局部的快速振动。
  • 包络:连接振幅大小形成的外轮廓,反映哪一段振动强、哪一段振动弱。
  • 群速的意义:描述这段强振动区域的移动;内部波峰可以穿过包络,因此波峰移动与波包移动须分别描述。

相速对应内部波峰,群速对应包络,两者不一定相等。

群速的推导

取两列频率、波数相近的等振幅波:

记 为平均值,、。由和差化积:

第一项余弦变化慢,决定振幅的强弱分布;第二项余弦变化快,决定内部振动。固定前者的相位,有

即振幅轮廓以 移动。两波波数足够接近时,该比值趋于导数:

群速

窄带波包包络的传播速度,在中心波数 处沿色散关系求导。

两列波产生周期性调制,用于说明群速;局域波包需要更多成分叠加。群速对窄带、衰减不强的波包有直接意义,不能普遍等同于信息前沿速度。