반사 위상 변화

Reflection phase change

파동이 반사될 때 위상 변화가 일어나는 경우가 있는데, 특히 파속도가 더 빠른 매체에서 파속 속도가 더 느린 매체의 경계까지 그러하다.[1][2] 그러한 반사는 광파, 음파, 현상의 파동을 포함한 여러 종류의 파장에서 발생한다.[3]

광학

광파는 자신이 이동하는 매체의 표면보다 굴절률이 높은 매체의 표면에서 반사할 때 180°만큼 상이 변화한다.[1] 유리 장벽에 의해 반사되는 공기로 이동하는 광파는 180° 위상 변화를 겪게 되며, 유리로 이동하는 빛은 공기와의 경계에 의해 반사되면 위상 변화를 겪지 않게 된다. 이러한 이유로 광학 경계는 일반적으로 순서가 지정된 쌍(공기 유리, 유리 공기)으로 지정되며, 이는 빛이 각각 밖으로 이동하거나 다른 물질로 이동하는 것을 나타낸다.

여기서 "위상"은 자기장 진동이 아닌 전기장 진동의 위상이다(전기장은 180° 위상 변화를 겪지만 자기장은 0° 위상 변화를 겪게 된다). 그 반대는 낮은 굴절률 인터페이스에서 반사가 발생할 때 사실이다.)[4] 또한 이것은 거의 정상인 발생을 가리킨다. 즉, Brewster 각도를 넘어, 유리에서 반사되는 p-극화 광선의 경우 위상 변화는 0°이다. 반사 시 발생하는 위상 변화는 박막 간섭에 중요한 역할을 한다.

음파

공기 중의 음파, 튜브 속의 음파

고체에서 음파는 공기와 경계에서 반사할 때 위상 역전(180° 변화)을 경험한다.[2] 공기 중의 음파는 고체에서 반사할 때 위상 변화를 경험하지 않지만, 음향 임피던스가 낮은 지역에서 반사할 때는 180°의 변화를 보인다. 그 예로는 속이 빈 관 속의 음파가 관의 열린 끝과 마주칠 때 있다. 반사 위상 변화는 관악기의 물리학에 중요하다.

줄들

줄 위에 서 있는 파도

스트링 위의 파동은 스트링이 고정된 지점에서 반사될 때 180° 위상 변화를 경험한다.[2][3] 문자열의 자유 끝에서 반사는 위상 변화를 나타내지 않는다. 고정된 지점에서 반사할 때의 위상 변화는 현악기에서 소리를 내는 현악기의 입파 형성에 기여한다.

같은 180° 위상 변화는 더 가벼운 문자열(더 낮은 선형 질량 밀도)로 이동하는 파동이 더 무거운 문자열(더 높은 선형 질량 밀도)의 경계에서 반사될 때 발생한다. 이것은 무거운 끈이 가벼운 끈만큼 장력에 빠르게 반응하지 않기 때문에, 따라서 경계점의 진동 진폭이 들어오는 파동보다 작기 때문이다. 중첩 원리에 의해 반사파는 들어오는 파동의 일부를 취소해야 하며, 따라서 위상 이동된다. 더 무거운 문자열로 이동하는 파형이 더 가벼운 문자열의 경계에서 반사될 때 경계점은 가능한 한 빨리 이동할 수 있는 자유가 있기 때문에 반사된 파형에서는 위상 이동이 발생하지 않는다는 점에 유의하십시오.

전기 트랜스미션 라인

전도선의 신호 반사는 일반적으로 입사 신호로부터의 위상 변화를 나타낸다. 종단에는 단락(폐선)과 단선(파단선)의 두 가지 극단적인 경우가 있다. 두 경우 모두 파형의 전체 진폭이 반영된다.

단락
단락으로 종단된 라인에 대한 전압파 반사는 180° 위상 편이 된다. 이는 끝이 제자리에 고정되어 있는 문자열이나 막힘이 있는 튜브의 음파와 유사하다(이동성 유추에 의해). 반면 지금의 파도는 위상 편이 아니다.
끊어진/개방된 선
개방 회로로 종단된 송신선은 이중 케이스로, 전압파는 0도, 전류파는 180도 이동한다.
사후 대응적 종료
순수 캐패시턴스 또는 인덕턴스로 종료된 전송 라인도 최대 진폭에서 위상 편이 파동을 발생시킨다. 전압 위상 시프트는 다음과 같이 지정된다.
[5]: 275

어디에

Z는0 라인의 특성 임피던스다.
X는 인덕턴스 또는 캐패시턴스의 인수로서 각각 ΩL 또는 ΩL로 주어진다. -1½C
L과 C는 각각 인덕턴스와 캐패시턴스, 그리고
Ω은 각도 주파수다.

반응성 종단의 경우 위상 편이 인덕터의 경우 0~+180° 사이, 캐패시터의 경우 0~-180° 사이일 것이다. 위상 편차는 X = Z일0 때 정확히 ±90°가 될 것이다.

어떤 임의의 임피던스 Z로 선이 종료되는 일반적인 경우의 경우, 반사파는 일반적으로 입사파보다 적다. 위상 변화를 위한 전체 표현을 사용해야 한다.

[5]: 273

이 표현은 특성 임피던스가 순수하게 저항성이 있다고 가정한다.

참조

  1. ^ a b Nave, C.R. "Reflection Phase Change". Hyperphysics. Georgia State University. Retrieved 2016-03-28.
  2. ^ a b c Nave, C.R. "Reflection of Sound". Hyperphysics. Georgia State University. Retrieved 2016-03-28.
  3. ^ a b Russell, Daniel A. "Reflection of Waves from Boundaries". Graduate Program in Acoustics. Pennsylvania State University. Retrieved 2021-05-12.
  4. ^ Byrnes, Steven J. (2016). "Multilayer optical calculations". arXiv:1603.02720 [physics.comp-ph]. 부록 A
  5. ^ a b Bleaney, B.I. & Bleaney, Brebis (2013). Electricity and Magnetism. Vol. 1. Oxford University Press. ISBN 0199645426.