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机械波和电磁波的区别和联系(从电磁波角度认识航征产品)

更新时间:2024-08-04 12:15:14

1、什么是电磁波?

1)电磁波是指同相振荡且互相垂直的电场与磁场,在空间中以波的形式传递能量和动量,其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向。 如图1所示。

2)电磁波不需要依靠介质进行传播。

3)在真空中其传播速度为光速。

图1

讲到电磁波,必须要讲一个人,就是英格兰数学物理学家麦克斯韦(J.Maxwell,1831-1879)。麦克斯韦用数学推演预言了电磁波的存在,光是一种电磁波,建立了著名的“麦克斯韦方程组”。见图2

图2

2004年,英国的科学期刊《物理世界》举办了一个活动:让读者选出科学史上最伟大的公式。结果,麦克斯韦方程组力压质能方程、欧拉公式、牛顿第二定律、勾股定理、薛定谔方程等”方程界“的巨擘,高居榜首。

麦克斯韦方程组以一种近乎完美的方式统一了电和磁,如果要用四个方程描述电磁的一切,那么就用第一个方程描述电,第二个方程描述磁,第三个方程描述磁如何生电,第四个方程描述电如何生成磁。嗯,好巧,麦克斯韦方程组就是这样的~

好巧,航征产品就是发射电磁波,然后接收水体散射的电磁波进行分析计算,来进行水位、流速的测量。图3红色波束即为航征流速仪发射的电磁波。

图3

2、电磁波的频率、波长与频谱

电磁波的频率f和波长λ之间的关系:

λ= c/f ,c = 3.0 x 108 m/s(光速)

频率的基本单位:Hz,来源于验证电磁波存在的德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz )

频率的其他单位:KHz = 1,000 Hz;MHz = 1,000,000 Hz;GHz = 1,000,000,000 Hz

THz = 1,000,000,000,000 Hz

根据电磁波频率由低到高排列,如图4所示,电磁波分为:无线电、红外线、可见光、紫外线、x射线、γ射线等,其中300GHz~10 THz被称为太赫兹鸿沟,是近些年研究的新晋“网红”频段。

图4

如图5所示,航征固定式流速仪和水位计产品使用的频率为24GHz(波长约1.25cm)、航征手持式流速仪使用的频率为35GHz(波长约0.857cm)左右,均属于电磁波频谱的无线电部分。

图5

3、电磁波和机械波的区别

机械波是机械振动引起的振动在介质中的传播,电磁波是电磁振荡产生的变化电磁场向空间的传播。如图6、7、8,地震波、水波、声波或者健身达人热衷的“甩大绳”都是机械波。

图6

图7

图8

机械波的传播是物质间的相互作用,因此机械波的传播离不开介质,机械波的传播速度与介质有关;而电磁波的传播是能量的传递,不需要介质传播,因此电磁波的传播速度恒定为光速。

例如超声波在水中传播,在各种因素中,温度对声速影响最大,每升高1℃,水中声速大约增大4.6米/秒。超声波在空气中传播,声速与温度的关系如下:V=331.5+0.607*t

式中:V为超声波在空气中的传播速度;t为超声波收发波路径上的温度。

这是超声波水位计产品经常会强调温度补偿的原因,而使用电磁波的航征雷达水位计则完全不受温度的影响,水位测量精度无论春夏秋冬始终如一。

特别的是,航征的雷达水位计采用的是调频连续波(FMCW)体制,相比较常见的喇叭水位计,使用频域信息,信息更丰富,测量数据更稳定,适用于更多的使用场景。如图9所示。