可见机械波的产生,首先要有作机械振动的物体,它称为机械波的波源;其次,要有能够传播这种机械振动的介质。例如,音叉在振动时,音叉就是波源,而空气就是传播声波的介质。 现在我们讨论机械波在连续弹性介质中传播的机制。一条绳子中的各质元彼此间以弹性联系,振动依靠绳中各质元间的弹性联系沿着绳子传播过去。在连续弹性介质内部,由于各个质元间有弹性力相互联系着,因此,如果介质中有一个质元A离开了平衡位置,又被迫回到平衡位置,因而产生振动;而根据牛顿第三定律,A周围的质元同时受到A的弹性力作用,要使它们离开平衡位置;当它们离开平衡位置时,它们自己周围的其他质元又对它们施加弹性力,要使它们回到平衡位置,因而也要产生振动。所以介质中一个质元的振动会引起邻近质元的振动,而邻近质元的振动又会引起较远质元的振动。这样,振动就由近及远地向各个方向以一定的速度传播出去,形成了波。 连续弹性介质,就是组成这种介质的质元是连续分布的(即介质内部不存在空隙或间断点),质元之间彼此有弹性力相互联系着。固体、液体或空气等弹性体都可视作是连续弹性介质。
如果质元的振动方向和波的传播方向相垂直,则这种波称为横波.
如果质元的振动方向和波的传播方向相平行,这种波称为纵波.
波所传播的只是振动状态,而介质中的各质元仅在它们各自的平衡位置附近振动,并没有随着振动的传播而移动过去。例如,在漂浮着树叶的静水里,当投入石子而引起水波时,树叶只在原位置附近上下振动,并不移动到别处去。 波在传播时,质元的振动方向和波的传播方向也不一定相同。如果质元的振动方向和波的传播方向相垂直,则这种波称为横波,例如在绳子上传播的波;如果质元的振动方向和波的传播方向相平行,这种波称为纵波,例如在空气中传播的声波。横波和纵波是自然界中存在着的两种最简单的波,其他如水面波、地震波等,情况就比较复杂。 横波形成的过程可由横波演示图看出。波源的振动由介质传播出去,形成一个具有波峰(正向最大位移)和波谷(负向最大位移)的完整波形,这就是横波;此后,弹性力的作用将继续使更远的质元振动,波将继续地向前推进。这样,由于每个质元都在不断地振动,波峰和波谷的位置将随时间而转移过去,即整个波形在向前推移,这就是横波的传播过程。横波只能在固体中传播。 纵波形成的过程可由纵波演示图看出。纵波是介质密集和稀疏相间的波。仿照上述横波的讨论可以类推,这种质元分布的疏密状态,将随时间而沿波的传播方向转移出去。纵波在固体、液体、和气体中皆能够传播。 在纵波的传播过程中,各质元偏离各自平衡位置的位移都平行于传播方向。设想把介质中各质元的位移逆时针转过90°,纵波就变得与横波波动图象一样了。这就是说,有关横波传播情况的讨论,对于纵波也是适用的。下图是将纵波中对应于各质元的位移,经逆时针转过90°后画出来的。从上述的讨论,可以看到波传播时的一些特征。各个质元仅在其平衡位置附近振动,沿波的传播方向上,介质中每一个质元都比后面的质元先开始振动,在振动步调上要超前一定的相位,即前、后质元的振动存在着一个相位差。 由横波演示图和纵波演示图可以看出,把一定振动状态(或相位)传播出去需要时间。单位时间内一定的振动相位所传播的距离称为波速(亦称相速),可用皆能够u表示,即波速描述了振动在介质中传播的方向和快慢程度。显然,波速的单位也是。
波动的传播既然与介质的弹性有密切的关系,因而波速必然与介质的弹性模量有关。另外,波速也应该与介质的密度有关,因为密度是描述介质惯性的物理量,它反映介质中任一部分在力的作用下,运动改变的难易程度。理论证明横波和纵波在固态介质中的波速可分别用下列两式计算,即 (横波) (纵波)式中的和分别为介质的切变弹性模量和杨氏弹性模量,是介质的密度。纵波在无限大的固态介质中传播时,上述纵波公式是近似的,但在固态细棒中沿着棒的长度传播时是准确的。
由上述可知,在同一固态介质中横波和纵波的传播速度是不相同的,当波源同时发出这两种波动时,如果在某处的观察者测定两种波动到达该处前、后相隔的时间,就可求出波源与观察者之间的距离,这一方法在研究地震、地层构造等问题上有广泛应用。 在液体和气体中只能传播纵波,波速可用下式计算,即 (纵波)式中的是体变弹性模量,是密度。在气体中,如果将气体视作理想气体,则声波的波速(称为声速)为式中,是气体定压摩尔热容与定体摩尔热容之比值(见第三篇“热学基础”),是气体的压强,是普适气体常量,是热力学温度,是气体的摩尔质量。