Теория волновых процессов: Рабочая программа дисциплины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ-УПИ Утверждаю Проректор по учебной работе _________________ В.И. Лобанов “_____”___________200 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Теория волновых процессов

Рекомендована Методическим советом УГТУ-УПИ для направления 654200 – Радиотехника специальности 200700 – радиотехника

Екатеринбург 2001

1. Цели и задачи дисциплины Изучение дисциплины "Теория волновых процессов" требует знаний разделов математики: векторный анализ, дифференциальные операторы, дифференциальные уравнения первого и второго порядка, контурные, поверхностные и объемные интегралы, комплексные числа и функции и действия над ними, матрицы и действия над ними, а также раздела физики – электромагнитные явления. Цели дисциплины заключаются в следующем: − изучение основ теории акустического и электромагнитного полей, −

формирование знаний и навыков расчета характеристик распространения электромагнитных и акустических волн в различных средах и параметров распространяющихся волн,

− изучение законов отражения и преломления волн на границе сред

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины В результате изучения дисциплины студенты должны: • рассчитывать амплитуду, длину волны, скорость распространения и коэффициент затухания акустической волны, распространяющейся в среде с заданными параметрами; •рассчитывать амплитуду, скорость распространения и длину волны, а также определять вид поляризации поля плоской электромагнитной волны в произвольной среде на заданном расстоянии; •определять углы преломления и отражения плоских акустических и электромагнитных волн на границе раздела двух сред; •оценивать акустические и электродинамические параметры произвольной среды на заданной частоте.

3. Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы Общая трудоемкость дисциплины Аудиторные занятия Лекции Практические занятия (ПЗ) Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа Подготовка к лекциям Подготовка к практическим занятиям Расчетно-графическая работа Домашняя работа (3 шт.) Подготовка к зачету Вид итогового контроля

Всего часов 115 51 34 17 0 64 12 8 22 18 4

Семестры 115 51 34 17 0 64 12 8 22 18 4 Зачет

4. Содержание дисциплины

4.1. № п.п. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 4.2.

Разделы дисциплины и виды занятий

Раздел дисциплины Введение. Волновой процесс. Классификация волн. Основные параметры волн Частотный диапазон упругих и электромагнитных волн Распространение упругих волн Отражение и преломление упругих волн на границе раздела сред Электроакустические преобразователи Элементы акустики Электромагнитное поле и электродинамические свойства сред Уравнения Максвелла. Граничные условия для векторов электромагнитного поля Уравнения Максвелла для монохроматического поля. Плоские электромагнитные волны Отражение и преломление электромагнитных волн на границе раздела сред Распространение электромагнитных волн в гиротропных средах.

Лекции, час. 0,5 0,5 1

(ПЗ), час.

1 4

4

3

4

2 1 3 2 2 2 6

4

6

4

2

Содержание разделов дисциплины

Введение Место и назначение курса “Теория волновых процессов” в подготовке радиоинженеров. Необходимый базовый уровень математической подготовки. Связь с другими дисциплинами. Формы контроля самостоятельной работы. Характеристика учебной литературы. Раздел 2. Волновой процесс. Классификация волн. Понятие волнового процесса. Непрерывные, периодические и апериодические волны. Затухающие и незатухающие волны. Продольные и сдвиговые волны. Раздел 3. Основные параметры волн. Длина волны, период колебания, волновое число, амплитуда и фаза колебания. Вектор плотности потока энергии, переносимой волной. Раздел 4. Частотный диапазон упругих и электромагнитных волн. Инфразвук, звук, ультразвук и гиперзвук. Радиоволны, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Видимый свет. Рентгеновское и гамма излучение. Раздел 5. Распространение упругих волн. Напряжение и деформация. Продольные и сдвиговые (поперечные) волны. Закон Гука. Коэффициент упругости. Закон сохранения массы для упругих волн. Волновое уравнение. Монохроматическое колебание. Постоянная и скорость распространения продольных и сдвиговых волн. Колебательная скорость частиц среды. Энергия акустических волн. Уравнение

баланса энергии, теорема Пойнтинга для упругих волн. Акустические свойства твердых, жидких и газообразных сред. Вязкость среды. Акустические потери. Коэффициент затухания. Акустический импеданс. Эквивалентная линия передачи. Раздел 6. Отражение и преломление упругих волн на границе раздела сред. Отражение и прохождение акустических волн на границе раздела сред при нормальном падении. Коэффициент отражения. Коэффициент прохождения по напряжению и мощности. Входной импеданс эквивалентной линии. Согласующий четвертьволновый слой. Уравнение плоской волны, распространяющейся в произвольном направлении. Первый и второй законы Снеллиуса. Критический угол и угол Брюстера. Преобразование продольных и сдвиговых волн. Расщепление акустических лучей. Поверхностные акустические волны. Скорость распространения поверхностной акустической волны. Раздел 7. Электроакустические преобразователи. Электродинамический, конденсаторный, электромагнитный и пьезоэлектрический преобразователи. Возбуждение поверхностных акустических волн. Линии задержки на акустических волнах. Раздел 8. Элементы акустики. Устройство человеческого уха. Восприятие звука. Дискретность восприятия звука по амплитуде и частоте. Порог слышимости. Уровни равной громкости. Временное восприятие звука. Бинауральный эффект. Раздел 9. Электромагнитное поле и электродинамические свойства сред. Векторы электромагнитного поля. Материальные уравнения электродинамики. Диэлектрическая и магнитная проницаемость среды. Проводимость среды. Векторы поляризации и намагниченности. Электрическая и магнитная восприимчивость. Линейные и нелинейные, однородные и неоднородные, изотропные и анизотропные среды. Раздел 10. Уравнения Максвелла. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Физический смысл уравнений Максвелла. Ток смещения. Сторонние токи и заряды. Полная система уравнений Максвелла. Принцип перестановочной двойственности. Классификация полей: статические, стационарные, квазистационарные и нестационарные поля. Уравнение баланса энергии для мгновенных значений векторов поля. Раздел 11. Граничные условия для векторов электромагнитного поля. Разложение произвольно ориентированного вектора на нормальную и тангенциальную составляющие. Граничные условия для нормальных и тангенциальных компонентов векторов поля. Граничные условия на поверхности идеального проводника. Раздел 12. Уравнения Максвелла для монохроматического поля. Комплексная амплитуда вектора и его мгновенное значение. Уравнение Максвелла в комплексной форме. Комплексная диэлектрическая проницаемость. Тангенс угла диэлектрических потерь. Классификация сред по проводимости. Раздел 13. Плоские электромагнитные волны. Решение системы уравнений Максвелла для плоского фазового фронта в неограниченном пространстве без потерь. Волновое уравнение. Постоянная распространения. Фазовая скорость. Характеристическое сопротивление. Линейная, круговая и эллиптическая поляризация электромагнитных волн. Плоские волны в среде с потерями. Коэффициент затухания. Среднее значение вектора Пойнтинга. Плоские волны в реальном проводнике. Глубина скинэффекта. Распространение спектра частот. Дисперсия. Групповая скорость. Раздел 14. Отражение и преломление электромагнитных волн на границе раздела сред. Первый и второй законы Снеллиуса для электромагнитных волн. Формулы Френеля для параллельной и перпендикулярной поляризации вектора Е электромагнитного поля. Коэффициенты отражения и прохождения. Формулы Френеля для идеальных диэлектриков. Угол Брюстера. Критический угол. Возбуждение поверхностных волн на границе идеальных диэлектриков. Скорость распространения поверхностной волны. Полное отражение от по-

верхности идеального проводника. Направляемые волны. Плоский волновод. Падение плоской волны на границу с оптически плотной средой. Приближенные граничные условия Леонтовича. Удельная мощность потерь при отражении от реального проводника. Раздел 15. Распространение электромагнитных волн в гиротропных средах. Гиротропная среда как частный случай анизотропной среды. Намагниченный феррит. Частота собственной и вынужденной прецессии. Тензор магнитной проницаемости намагниченного феррита. Разложение линейно поляризованной волны на две волны круговой поляризации. Распространение волн круговой поляризации в гиротропной среде. Магнитная проницаемость для волн круговой поляризации левого и правого вращения. Эффект Фарадея. Использование эффекта Фарадея в технике СВЧ. Заключение Единство методов математического описания распространения акустических и электромагнитных волн, использование общих моделей для анализа полей в реальных системах. 5. Перечень практических занятий 5.1. Расчет скорости распространения и длины волны упругих (акустических) волн в различных средах. 5.2. Расчет коэффициента затухания и плотности потока мощности волн, распространяющихся в среде с акустическими потерями. 5.3. Расчет коэффициента отражения и прохождения акустических волн на границе раздела сред. 5.4. Расчет ориентации лучей акустических волн. Преобразование продольных и сдвиговых волн. 5.5. Расчет скорости распространения и длины волны плоской электромагнитной волны, распространяющейся в среде с потерями и без потерь. 5.6. Расчет коэффициентов отражения и прохождения электромагнитных волн на границе раздела сред. 5.7. Расчет поляризационных характеристик электромагнитной волны. 5.8. Расчет мощности, поглощенной средой, при наклонном падении на нее плоской электромагнитной волны. 6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 6.1. Рекомендуемая литература:

а) основная литература: 1. Васильев А.А. Курс общей физики 2. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Высшая школа. 1992. 3. Сборник задач по курсу” Электродинамика и распространение радиоволн ” / Под ред. С.И. Баскакова. М.: Высшая школа. 1981. 4. Электродинамика и распространение радиоволн: Методические указания к решению задач. Сост.: И.П. Соловьянова, С.Н. Шабунин. УГТУ-УПИ. 1995. б) дополнительная литература: 1. Кайно Г. Акустические волны. М.: Мир. 1990. 2. Хаясака Т. Электроакустика. М.: Мир.1982. 3. Красильников А.В. Введение в акустику. М.: МГУ. 1992 7. Материально- техническое обеспечение дисциплины Компьютерный класс. Демонстрационные программы.

8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины 8.2. Перечень тем расчетно-графических работ 8.1.1. Расчет и построение графиков зависимости коэффициентов отражения для параллельной и перпендикулярной поляризации плоской электромагнитной волны, наклонно падающей на границу раздела сред, от угла падения. 8.1.2. Расчет и построение графиков частотной зависимости амплитуды поля плоской электромагнитной волны, распространяющейся в среде с потерями. 8.1.3. Расчет и построение графиков зависимости амплитуды поля акустической волны, падающей на границу раздела двух сред. 8.2. Перечень тем домашних заданий 8.2.1. Расчет параметров акустической линии задержки. 8.2.2. Расчет параметров согласующего слоя для акустической волны, падающей на границу раздела двух сред с различными характеристиками. 8.2.3. Расчет коэффициента затухания, длины волны, скорости распространения электромагнитной волны в среде с заданными электродинамическими параметрами.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего и среднего образования и учебным планом по направлению 654200 – Радиотехника специальности 200700 – Радиотехника. Программу составил: Шабунин С.Н., кандидат технических наук, доцент кафедры “Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения”. Программа одобрена на заседании кафедры Высокочастотных средств радиосвязи и телевидения , протокол № _________ от “_____”___________2001 г. Заведующий кафедрой ВЧСРТ

____________________

Панченко Б.А.

Программа одобрена на заседании Методической комиссии Радиотехнического факультета, протокол № _________ от “_____”___________200 г. Председатель Методической комиссии

__________________

Астрецов А.В.

АННОТАЦИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Дисциплина посвящена изучению колебаний акустических и электромагнитных волн в различных средах, методам расчета основных параметров упругих и электромагнитных полей, анализу способов возбуждения колебаний.