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为了对弹性介质中纵波的形成有直感的认识,将截面积为S、密度为常量ρ的柱形长弹性体分割成一系列dx小段后,可模型化为图7-78所示一维弹簧振子链,其中小球质量dm=ρSdx,轻弹簧劲度系数kdx=ES/dx.直观可以感觉到,左侧(或右侧)小球的振动会带动右侧(或左侧)小球的振动,自然形成纵波.各小球相对平衡位置xn的偏移量记为ξn,参照图7-79,可为第n个小球建立动力学方程:
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图 7-78
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图 7-79
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将ξn用ξ(x,t)表述,ξn+1,ξn-1分别对应ξ(x+dx,t),ξ(x-dx,t),继续推演如下:
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得
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这就是弹性介质纵波的波动方程,波速u∥由介质动力学量E和ρ确定.
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弹性介质中的振动若是横向的,在介质中会出现横波,波动方程与(7.99)式相同,波速则为
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地震波中u⊥<u∥.
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二、弦上的横波
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质量线密度为常量λ的细弦沿x放置,因受扰动,各处有横向位移ξ(x,t).取x到x+dx小段.参照图7-80,设ξ较小,图中的方位角θ是小量.再设弦中张力T处处相同,dx小段的纵向合力为零,没有纵向振动,也就没有纵波成分.横向方面,有
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图 7-80
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得横波波动方程:
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