Κυματική Φυσική

Abstract

Στόχος του συγγράμματος είναι να εισάγει τις βασικές έννοιες της κυματικής φυσικής με παραδείγματα, εφαρμογές και εργαστηριακές ασκήσεις. Οι έννοιες αυτές είναι απαραίτητες σε εισαγωγικό προπτυχιακό επίπεδο τμημάτων μηχανικών ήχου και ακουστικής καθώς και ευρύτερα τμημάτων που ασχολούνται με την μουσική τεχνολογία και τις τέχνες του ήχου. <br/>Στα πρώτα κεφάλαια εισάγονται οι έννοιες της κινητικής και δυναμικής θεωρίας σωμάτων με την χρήση βασικών αρχών απειροστικού λογισμού. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές αρχές των περιοδικών κινήσεων, των απλών αρμονικών ταλαντώσεων, η επαλληλία αυτών σε μια και δυο διαστάσεις, οι αποσβένουσες και εξαναγκασμένες ταλαντώσεις και το φαινόμενο του συντονισμού. <br/>Έπειτα γίνεται μια εισαγωγή στη κυματική φυσική με τον ορισμό, τα βασικά φυσικά μεγέθη κυμάτων και τα βασικά είδη των κυματικών διαταραχών. Παρουσιάζονται οι έννοιες της κυματικής συνάρτησης και της γενικής εξίσωσης μονοδιάστατων κυμάτων για μονοδιάστατα κύματα, της ταχύτητας, ενέργειας και ισχύος αυτών. Επίσης εισάγονται οι έννοιες των κανονικών τρόπων ταλάντωσης και των χαρακτηριστικών συχνοτήτων (ιδιοσυχνότητες). <br/>Ακολουθεί η ανάλυση βασικών κυματικών φαινομένων που αφορούν στην επαλληλία και συμβολή κυμάτων, στην ανάλυση κυμάτων κατά Fourier, στην δημιουργία στάσιμων κυμάτων και στον συντονισμό, στην μελέτη κυμάτων χορδής σε συνοριακή επιφάνεια και στο φαινόμενο Doppler. <br/>Εξειδικεύοντας στα ηχητικά κύματα, παρουσιάζονται οι έννοιες των κυμάτων μετατόπισης και ακουστικής πίεσης, η επαλληλία τους σε σωλήνες και μεμβράνες, τα είδη ηχητικών κυμάτων όσο αφορά στην γεωμετρία της πηγής και στην διάδοσή τους (επίπεδα, κυλινδρικά και σφαιρικά) στον ελεύθερο χώρο και εισάγεται η έννοια της έντασης του ήχου και η κλίμακα των decibel (dB) έντασης. <br/>Τέλος ακολουθούν πλήρη παραδείγματα εργαστηριακών ασκήσεων βασισμένα σε εμπορικά διαθέσιμο εξοπλισμό που στοχεύουν στην κατανόηση των παραπάνω ενοτήτων.

The aim of this book is to introduce the basic concepts of wave physics with examples, applications and laboratory exercises. These concepts are essential at the introductory undergraduate level of Departments of sound engineering and acoustics and, broadly, Departments involved in music technology and the sound arts. The first chapters introduce the concepts of kinetic and dynamical body theory using basic principles of calculus. Then the basic principles of periodic motions, simple harmonic oscillations, their superposition in one and two dimensions, damped and forced oscillations and the phenomenon of resonance, are presented. Then an introduction to wave physics is given with the definition, the basic physical quantities of waves and the basic types of wave perturbations. The concepts of the wave equation for one-dimensional waves, their velocity, energy and power are introduced. The concepts of normal modes of oscillation and characteristic frequencies (eigenfrequencies) are also introduced. This is followed by an analysis of basic wave phenomena involving wave superposition and wave interference, Fourier wave analysis, standing wave generation and resonance, the study of waves in a bounded string, and the Doppler effect. For the particular case of sound waves, the concepts of displacement waves and acoustic pressure waves, their supeposition in tubes and membranes, the types of sound waves in terms of source and propagation symmetry (plane, cylindrical and spherical) in free space are presented and the concept of sound intensity and the decibel (dB) intensity scale are introduced. Finally, complete examples of laboratory exercises based on commercially available equipment are given, which aim at understanding the aforementioned concepts.