波動方程

反射與透射

對著懸崖喊,回聲就傳回來:聲波反射了。透過窗戶望出去,你同時看到外面的世界與自己淡淡的幻影:光部分透射、部分反射。每當波遇到邊界或介質的改變,一部分彈回(反射),一部分繼續前行(透射)。波動方程精確地預言各佔多少。

固定端的反射用一個妙不可言的簡單訣竅處理,即鏡像法。取一條在 x = 0 固定的弦(所以在所有時刻 u(0,t) = 0)。一個朝牆往左移動的波必須讓那一點釘在零。訣竅是:假裝弦往左無限延伸,並加上一個假想的鏡像波——同樣的脈衝,但上下翻轉,從另一側過來。由對稱性,這兩者在 x = 0 處總是確切相消,自動滿足邊界條件,而在真實的(右)半邊,鏡像波就表現為反射的脈衝。固定端把脈衝上下翻轉(帶變號的反射);自由端(u_x = 0 處)則正向反射(不變號)。對於半無限或有限的弦,反覆的鏡像就構成完整的解。

透射發生在兩種波速不同的介質之間的界面——一條輕弦繫在一條重弦上,或光從空氣進入玻璃。在那裡波分裂:一些能量反射、一些透射,而分裂由阻抗的失配(大致是各介質有多「難」被驅動)所支配。失配很大就反射掉大部分的波(這就是你在玻璃中看到自己的倒影、聽到牆面回聲的原因);阻抗匹配則幾乎全部透射(這是抗反射鍍膜與聲學匹配背後的原理)。反射與透射是波與這個有結構的世界互動的方式,而鏡像法是處理理想邊界情形最乾淨的工具。

一個脈衝沿繩朝牆行進,繩在牆處被綁住(固定端)。它反射回來時上下顛倒。若繩端改為能在無摩擦的桿上自由滑動(自由端),脈衝反射時保持正向。鏡像法藉由加上一個翻轉或不翻轉的鏡像脈衝,重現了這兩種情形。

固定端翻轉脈衝;自由端不翻轉——兩者都靠一個鏡像波。

反射與透射保持總能量守恆(入射能量 = 反射 + 透射),但它們並非單純地把振幅相加——分裂取決於阻抗,而在固定端反射波是倒置的,所以振幅可能相減而非相加。

又称
the method of images for waveswave reflection反射與穿透鏡像法(波)