最新1波的基本概念2简谐波3波动方程与波速4波的能量5课件PPT.ppt 97页

'1波的基本概念2简谐波3波动方程与波速4波的能量5 机械波：机械振动在媒质中的传播。各种波的本质不同，具有不同的性质，但形式上具有相同特征和规律。能量的传播、反射、折射、干涉、衍射电磁波：E(t)、B(t)在空间的传播。波动：振动的传播（振动状态的传播） 弹性波——一群质点，以弹性力相联系。其中一个质点在外力作用下振动，引起其他质点也相继振动媒质波源机械波的形成条件波源媒质质元在自己的平衡位置附近振动，并不迁移§1波的基本概念一、波的产生与传播 二、波的特征量波速u=跟踪某一相位，沿波线方向相位传播的速度.它与媒质的性质有关（相速度）波速媒质波的种类温度波速（m/s)空气纵波0331.520.0342.4100386氧水铜铁砖纵波纵波横波横波0317.2131440311500横波15-2035701005300室温3652波在各种媒质中的传播速度 二、波的特征量单位时间内通过传播方向上某一点的完整波的个数周期波的周期性波的周期为各点振动的周期频率波的时间周期性 波长振动状态相同的点的最近距离oyxu简谐波：在同一波线上相位差为2的两点间距离波的周期性波的空间周期性=u二、波的特征量 三、波的几何描述波面：同位相各点所组成面（位相差为零）波前：离波源最远即最前方的波面波线：表明波传播方向的线在均匀且各向同性的媒质中波线与波面始终是垂直的SS1S2球面波：波前为球面平面波：波前为平面 0波函数表示平衡位置在x处的质点t时刻相对自己平衡位置的位移。四、波函数 §2简谐波一、波函数原点xouPxP点的振动(x,t)=?P点比o点晚x/u(x,t)=(o,t-x/u)P点t时刻的振动即为o点(t-x/u)时刻的振动(x,t)=Acos[(t-x/u)]沿着x轴正向传播的平面简谐波的表达式 O点在t时刻的振动状态O点在的振动状态P处质点在t时刻的振动状态沿着x轴负向传播的平面简谐波？OxxPP处质点在t时刻的振动状态与o处质点在时刻的振动状态完全相同(0,t)=Acost(o,t+x/u)=Acos[(t+x/u)](x,t)=(o,t+x/u)=Acos[(t+x/u)] xtt+tx波数 二、各质元的振动平衡位置在x处的质点t时刻的振动速度振动加速度 建立简谐波方程的步骤可归纳如下：1、根据给定的条件，写出波动在媒质中某点S（不一定是波源）的振动方程2、建立坐标系，选定坐标原点，在坐标轴上任选一点P，求出该点相对于S点的振动落后或超前的时间3、根据在一定坐标系中波的传播方向，从S点振动方程中的减去或加上这段时间，即得到波动方程注意：(1)振动已知的点、原点、振源的区别(2)波速不是质点振动的速度 讨论1、x一定，P处质点的振动方程P处质点振动的初位相OxPOtx=x0点的振动曲线波函数 2、t一定t时刻各处质点离开平衡位置的位移Oxt=t0时刻的波形曲线3、x,t都在变化t波形以速度u传播 例：已知y=0.02cos(10t+6x)[SI]求（1）T、、、u、传播方向（2）波谷经过原点的时刻（3）t=6s时各波峰的位置解：（1）比较法即与标准方程比较T=/5=0.63(s)=1/T=1.6(Hz)=/3=1.05(m)u=/T=1.67(m/s)传播方向：沿x轴负向 例：已知y=0.02cos(10t+6x)[SI]求（1）T、、、u、传播方向解：（1）定义法：在同一波线上相位差为2的两点间距离x2ox1ut时刻x2>x1=x2–x1(10t+6x2)–(10t+6x1)=2=x2–x1=/3T：每个质元作一次完全振动（相位增加2）的时间X点：t1t2时间内相位改变了2(10t2+6x)–(10t1+6x)=2t2–t1=/5 （2）波谷经过原点的时刻解：（2）y=0.02cos(10t+6x)t=0时波形图Oxy0.02原点y=0.02cos10t波谷经过原点y(0,t)=–0.02t=(2k+1)/10k=0，±1,（3）t=6s时各波峰的位置t=6sy=0.02cos(60+6x)波峰y=0.02x=(k/3)–10 oyxu思考题tyo求O点的初相求振动的初相yx=0y 一维波动方程波动方程的三维形式注意：（1）此方程不限于平面简谐波（2）任何一个物理量，只要满足此方程，一定以波的形式传播。u即为波速§3波动方程与波速 oxx+xxx自由状态t时刻(x,t)(x+x,t)x截面x+x截面x段的平均应变:变形后的长度例：杆上传播的纵波 由胡克定律x处截面t时刻:应变为/x应力为F(x,t)/S杆上各处x不同，线变、应力不同，各质元作加速运动 将应力、应变关系代入设质心坐标为x，位移为xxox1x2x··(x,t)F1F2x1截面x2截面截面S x0弹性绳上的横波固体中的横波G-切变模量流体中的声波k-体积模量,0-无声波时的流体密度 §4波的能量一.弹性波的能量能量密度振动动能形变势能+=波的能量1弹性波的能量密度(以细长棒为例)动能动能密度势能密度棒中有纵波时 能量密度2平面简谐波的能量密度(x,t)=Acos(t-kx)能量密度wk=wp=0wkwp最大最大wkwp为0 二.能流(能通量)、波的强度1.能流(能通量)能流:单位时间内通过某一面的能量。平均能流2.能流密度垂直于传播方向的单位面积的能流Sxudt 能流密度的时间平均值平面简谐波平面简谐波wu=u2A2sin2(t-kx)波的强度 S平面简谐波沿x方向传播，媒质不吸收能量S1S2球面波 声波—机械纵波可闻声波：20Hz---20000Hz次声波：<20Hz超声波：>20000Hz一、声压媒质中有声波传播时的压力与无声波传播时的静压力之差纵波—疏密波稀疏区域：实际压力小于静压力，声压为负值稠密区域：实际压力大于静压力，声压为正值§5声波与声强级 （声压的振幅）二、声波的强度§5声波与声强级 三、声强级单位：贝尔（Bel）单位：分贝（dB）人耳能忍受的最大声强人耳有听觉的最小声强引起听觉的声波的声强范围：10-12w/m21w/m2标准声强§5声波与声强级 闹市车声70分贝响通常说话60分贝正常室内轻声收音机40分贝轻轻耳语20分贝轻树叶沙沙声10分贝极轻 四、超声波与次声波超声波特点：频率高、波长短、衍射不严重1、定向传播特性探测水中物体、工件内部缺陷、B超2、穿透本领大次声波特点：频率低、能量损失少。与地球、海洋及大气的大规模运动有关。如火山爆发、地震、大气湍流等都有次声波产生 §6波的叠加波的干涉与驻波一、波的叠加原理1、波的传播独立性：几个波相遇后，并不改变各自的原有特征（波长、频率、振动方向）而继续向前传播。就好象没有与其它波相遇一样。2、在相遇区域内，任一质点的振动是这几个波单独在该点引起的振动的合成。即任一时刻，各质点的位移是各波在该点引起位移的矢量和。 二、波的干涉（1）振动方向相同（不垂直）（2）频率相同（3）相位差恒定相干波两个相干波发生干涉时，振动加强（减弱）的条件？波的干涉：两列波在空间相遇，如果叠加的结果是有的地方的强度始终加强、有的地方的强度始终减弱，即强度在空间有一个稳定的分布。相干波源 二、波的干涉两个相干波发生干涉时，振动加强（减弱）的条件？S1S2PS1：S2：振动方向垂直于板面到达P点的振动 S1S2PP点处质点的振移对于空间确定一点，是恒量，（不随时间改变），A也是恒量。对于不同点，A随而变化。 最大干涉相长最小干涉相消结论：（两波源同相）两列相干波在空间迭加时，在波程差等于零或波长整数倍的各点，振幅最大（干涉相长）；在波程差等半波长的奇数倍的各点，振幅最小（干涉相消）。两波源同相1=21=21=2 例A、B为相干波源，同一媒质中A为波峰时，B恰为波谷，在媒质中波速，求两列波的波动方程及传到P点时的干涉结果。ABP15cm20cm解：A波以A为原点 ABP15cm20cm解：B波以B为原点P点干涉的结果：P点因干涉而静止 三、驻波条件：振幅相同，沿相反方向传播的两列相干波叠加。驻波的形成A"各点似作谐振动但振幅不同 讨论（1）振幅波节波腹 (2)相位在同一波节两侧的质点振动反相，（即同时沿反方向到达平衡位置。）**在相邻两波节之间（同一段上）的质点振动同相驻波分段振动讨论 （3）半波损失——入射波在反射时反生反相的现象反射处是固定端，有半波损失，反射点为波节反射处是自由端，无半波损失，反射点为波腹波密媒质：波疏媒质：有半波损失无半波损失垂直讨论 振动的模式：L1.两端固定的驻波系统n=1,2,…弦上允许存在的驻波波长本征频率简正模式 n=11=u/2L基频n=22=u/L二次谐频一个驻波系统有多个固有频率策动力与某一固有频率相同时就发生共振系统的振动一般是各种模式的叠加弦乐器 2.一端固定的驻波系统L（n=0、1、2….）——基频——谐频本征频率简正模式少数几个本征频率合成的驻波，当强度适中，可引起愉悦的感觉；过多的本征频率叠加或非本征频率则形成噪声，使人感到不舒服。管乐器 §7多普勒效应——波源与观察者有相对运动时，接收到的波频率与发射频率不相同的现象。——波源S相对媒质的运动速度——观察者（接收器）R相对媒质的运动速度——波速——波源频率——接收频率——波的频率 （1）相对于媒质，波源静止，观察者以运动SuR波源静止向着波源运动背着波源运动 （2）相对于媒质，观察者不动，波源以速度运动OO (3)相对于媒质，波源与观察者同时运动相向运动相反运动I两者相向运动取正两者相离运动取负II不在一条直线上时取分量注意： 本章结束作者：李雪春 第四章处理机调度4.1分级调度(4.1.2调度的层次)作业调度(一级调度，宏调度)进程调度(二级调度，微调度)交换调度(中级调度)线程调度 图4.1作业的状态及其转换 第四章处理机调度4.1.1作业的状态及转换作业一般都要经历提交、收容、执行和完成等4个状态。提交收容完成用户作业录入作业调度作业调度执行就绪等待运行进程调度 4.1.3作业和进程的关系作业是用户需要计算机完成某项任务时要求计算机所作工作的集合。进程是已提交完毕程序的执行过程的描述，是资源分配的基本单位。区别与关系：(1)作业是用户向计算机提交任务的任务实体。在用户向计算机提交作业之后，系统将它放入外存中的作业等待队列中等待执行。而进程则是完成用户任务的执行实体，是向系统申请分配资源的基本单位。任一进程，只要它被创建，总有相应的部分存在于内存中。 (2)一个作业可由多个进程组成。且必须至少由一个进程组成，但反过来不成立。(3)作业的概念主要用在批处理系统中。而进程的概念则用在几乎所有的多道系统中。 4.2作业调度4.2.1作业调度的功能1、通过作业控制块JCB(如图4.2)记录系统中各作业的情况。2、从后备队列中选出一个或几个作业进入内存。3、为选中的作业做好执行前的准备工作，如分配必要的资源并建立相应的进程。4、作业执行结束后做好善后工作，如收回资源、撤销作业控制块等。 图4.3作业调度中状态的转换过程 4.2.2作业调度目标与性能衡量这里先介绍调度目标。一般来说，调度目标主要是以下4点：(1)对所有作业应该是公平合理的；(2)应使设备有高的利用率；(3)每天执行尽可能多的作业；(4)有快的响应时间。由于这些目标的相互冲突，任一调度算法要想同时满足上述目标是不可能的。 1.周转时间：作业i的周转时间Ti为Ti=Tei-Tsi其中Tei为作业i的完成时间，Tsi为作业的提交时间。对于被测定作业流所含有的n（n>=1）个作业来说，其平均周转时间为：一个作业的周转时间说明了该作业在系统内停留的时间，包含两部分：等待时间；执行时间，即：Ti=Twi＋Tri这里，Twi主要指作业i由后备状态到执行状态的等待时间，它不包括作业进入执行状态后的等待时间。 2.带权周转时间作业的周转时间包含了两个部分，即等待时间和执行时间。为了更进一步反映调度性能，使用带权周转时间的概念。带权周转时间是作业周转时间与作业执行时间的比：Wi=Ti/Tri对于被测定作业流所含有的几个作业来说，其平均带权周转时间为：对于分时系统，除了要保证系统吞吐量大、资源利用率高之外，还应保证有用户能够容忍的响应时间。因此，在分时系统中，仅仅用周转时间或带权周转时间来衡量调度性能是不够的。 3.响应时间响应时间是用户从提交一个请求开始直到在屏幕上显示出结果或显示正在处理的提示信息为止的这段时间间隔。不同场合对响应时间的要求（１）分时系统和实时信息处理系统类似，响应时间都以人所能接受的等待时间来确定，通常是3～5秒钟，否则分时系统的用户就没有独占计算机的感觉，实时信息处理系统的终端用户就没有及时处理的感觉。（２）对实时控制系统，响应时间要求有很大的差别，它是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定，一般为秒级、毫秒级、甚至有的要低于100微秒。 4.2.3(4.4)作业调度算法1、先来先服务2、短作业优先3、小作业优先4、响应比高者优先作业等待时间+估计运行时间估计运行时间响应比= 4.3进程调度4.3.1进程调度的功能1、由PCB记录系统中进程的执行情况。2、选择占有处理机的进程。3、进行进程上下文切换。上下文切换:进程调度是由进程调度程序实现的，它的主要任务是：1)保护离开CPU的那个进程的现场。2)按照一定的算法，从就绪进程中选一个进程，准备把CPU分配给它。3)恢复选中进程的现场。 4.3.2何时调度每当CPU有空的时候，就要重新调度。CPU有空是指：1、正在执行的进程正常结束。2、执行中的进程因阻塞原语而阻塞。3、执行中的进程调用了P操作。4、执行中的进程提出IO请求。5、分时系统中时间片用完。6、执行完系统调用。7、就绪队列中的进程优先级发生变化。 4.3.3进程调度性能评价进程调度虽然是系统内部的低级调度，但进程调度的优劣直接影响作业调度的性能。进程调度性能的衡量方法可分为定性和定量两种。在定性衡量方面:调度的可靠性、简洁性进程调度的定量评价：（类似作业高度评价）CPU的利用率评价进程在就绪队列中的等待时间与执行时间之比等。一般情况下，大多利用模拟或测试系统响应时间的方法来评价进程调度的性能。 4.4进程调度算法1、先来先服务实现方法（１）系统只要有按FIFO规则建立的后备作业队列或就绪进程队列即可，就是一个作业控制块JCB或进程控制块PCB加入队列时加在相应队列末尾。（２）调度退出队列时从相应队列首开始顺序扫描，将相关的JCB或PCB调度移出相应队列。 调度例子假如在一个多道程序系统中，有用户区空间100KB，并规定作业相应程序装入内存连续区域，并不能被移动，作业调度和进程调度均采用FCFS算法。现有5个作业，它们的作业名、进入"输入井"的时间、需要计算时间以及内存量要求如表5_1所示，并假设输入井中有作业进行调度。 作业名进入“输入井”时间需计算时间（分）需内存量（KB）A8：064215B8：183060C8：302450D8：362410E8：421220按照ＦＣＦＳ调度算法调度的次序是:Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｃ，Ｅ. 作业名装入内存时间开始执行时间结束执行时间周转时间带权周转时间A8：068：068：484242/42B8：188：489：186060/30C8：369：189：426666/24D9：189：4210：069696/24E9：1810：0610：189696/125个作业的平均周转时间T和平均带权周转时间W如下：　　T＝(42+60+66+96+96)/5=72(分钟)W＝(1+2+2.75+4+8)/5=3.55 优缺点FCFS调度算法具有一定的公平性，并且实现也比较容易，这是它的优点。但是，它的缺点是实际上不公平，它比较有利于长作业（长进程），而不利于短作业（短进程）。因为当计算时间很长的作业先进入"输入井"被选中装入内存运行时，就可能使那些计算时间短的后进入"输入井"的作业等待很长时间，而且使计算时间短的作业周转时间变长，从而使作业的平均周转时间也变长，降低了系统的吞吐能力。 2、短作业（短进程）优先调度算法短作业优先调度算法SJF，是指对执行时间短的作业优先调度的算法。ＳＪＦ的实现方法该调度算法是从后备作业队列中选择一个或若干个，估计运行时间最短且当时系统能满足它们资源要求的作业，将它们装入内存运行。 作业名进入“输入井”时间需计算时间（分）需内存量（KB）A8：064215B8：183060C8：302450D8：362410E8：421220按照SJF调度算法调度的次序是:ABDEC 作业名装入内存时间开始执行时间结束执行时间周转时间带权周转时间A8：068：068：484242/42B8：188：489：186060/30D8：369：189：426666/24E9：189：429：547272/12C9：189：5410：18108108/24平均周转时间T和平均带权周转时间W如下：　　T=(42+60+66+72+108)/5=69.6（分钟）　　W=(1+2+11/4+6+9/2)/5=3.25 3、优先级法系统或用户按某种原则为进程执行一个优先级别，反应进程需要CPU轻重缓急的程度。1)静态优先级优先级一旦确定，就不再改变。2)动态优先级根据需要改变动态优先级。占用CPU时间增加优先级降低等待CPU时间增加优先级升高 作业名进入输入井时间需要计算时间（分钟）优先级（数大级高）A8：00601B8：30502C8：40304D8：50103 作业名输入时间运行时间（分）开始执行时间结束执行时间周转时间（分）带权周转时间A8：00608：009：006060/60C8：40309：009：305050/30D8：50109：309：405050/10B8：30509：4010：30120120/50平均周转时间T和平均带权周转时间W为：　　T=(60+50+50+120)/4=70（分钟）W=(1+5/3+5+12/5)/4≈2.52 4、时间片轮转法让每个进程在就绪队列中的等待时间与享受服务的时间成比例.FCBA…CPU完成轮转法调度 4时间片轮转调度算法调度算法(如图4.4)（１）进程就绪队列往往按进程到达时间的先后排列。进程调度程序总是把处理机分配给队首进程，并规定其执行一段时间，即一个时间片。（２）当进程执行完该时间片时，由一个计时器发出时钟中断，调度程序便根据此中断信号停止该进程的执行，并将它送入就绪队列末尾；然后，把处理机分配给就绪进程队列中新的队首进程一个时间片。 优点这种调度算法可以保证就绪队列中的所有进程，在一给定的时间内，都能获得在处理机上执行一个时间片的时间。时间片大小的选择（１）如果时间片过大，可使时间片轮转调度算法已退化为FCFS调度算法，因而无法获得令用户满意的响应时间。（２）如果时间片取得太小，其处理机调度开销将会变得很大，而处理机实际用于运行用户程序的时间比例将会变小。 5多级反馈队列调度算法多级反馈队列调度算法，是一种考虑较全面灵活的调度算法，它不必事先知道各作业所需执行时间，且它可以满足各种类型进程的需要，因此它是目前公认较好的一种进程调度算法。多级反馈队列调度法:设置多条就绪队列,进程被调度执行后,在被剥夺或放弃处理机后而在就绪时，可以改变其就绪队列(见下图）。 第一级队列(FIFO)…使用处理机完成……使用处理机完成使用处理机完成抢占抢占抢占第二级队列(FIFO)第n级队列（时间片轮转） 调度算法的实施过程（１）设置多级就绪队列。系统中有多个就绪进程队列，每个就绪队列对应一个调度级别，各级具有不同的优先级。第1级队列的优先级最高，第2级队列优先级次之，其余级队列的优先级随级增大而降低。（２）各级就绪队列具有不同大小的时间片。优先级最高的第1级队列中进程的时间片最小，随着队列的级数增大其中进程的优先级降低，但时间片却增大。 （３）一个新进程在系统就绪队列中排队的规则。当一个新进程进入内存后，首先被放到第1级就绪队列末尾。该队列中的进程按FCFS原则分配处理机，并运行相应于该队列的一个时间片。若进程在这个时间片中完成其全部工作，该进程离开就绪队列撤离系统；若进程运行完一个时间片后仍未完成，则该进程被强迫放弃处理机，放入下一级就绪队列的末尾。（４）按队列优先级高到低进行进程调度。每次进程调度都是从第1级就绪队列开始调度，仅当第1级队列空时，调度程序才调度第2级队列中的进程；依此类推。第n级队列中的进程采用时间片轮转方法进行调度。（５）一个进程进入较高优先级队列时可能要重新调度。 能照顾到短型作业用户的要求能照顾到短批处理型作业用户的要求,可获得与终端型作业一样的响应时间。能照顾到长批处理型作业用户的要求能照顾到输入输出型作业用户的要求充分利用外部设备，以及对终端交互用户及时予以响应，通常输入输出型进程被唤醒可进入最高优先级队列，从而能很快得到处理机。 4.6实时系统调度方法4.6.1实时系统的特点(1)有限等待时间（决定性）(2)有限响应时间(3)用户控制(4)可靠性高(5)系统出错处理能力强 上述特性要求实时操作系统具有下述能力：(1)很快的进程或线程切换速度(2)快速的外部中断响应能力(3)基于优先级的随时抢先式调度策略基于优先级的调度策略大致有以下4种。即：①优先级+时间片轮转调度策略；②基于优先级的非抢先式调度策略；③基于优先级的固定点抢先式调度策略；④基于优先级的随时抢先式调度策略。 4.6.2实时调度算法的分类(1)静态表格驱动类静态表格驱动类的实时调度算法，对可能的调度条件和参数进行静态分析，并将分析结果作为实际调度结果。这类调度方法多用于调度处理周期性任务，其主要分析参数为周期，执行时间、周期行结束时限和任务优先级等。最早时限优先法是比较典型的静态表格驱动算法。这里，最早时限优先法是优先调度时限最早的任务获得处理机的调度方法。 (2)静态优先级驱动抢先式调度算法类该类算法也进行静态分析，不过，它们的静态分析不直接产生调度结果，而只用来指定任务的优先级。频率单调调度算法就是一种静态优先级驱动的抢先式调度算法。(3)动态计划调度算法类动态计划调度算法在调度任务执行之前排出调度计划，并分析计划的调度结果是否使得任务所要求的处理时限得到满足。如果能够满足，则按调度计划执行，否则修改调度计划。 (4)尽力而为调度算法类这一类算法不进行可能性分析，只对到达的事件和相关任务指定相应的优先级，并进行调度。尽力而为调度方式开销较小，实现容易。但是，该算法不一定满足用户要求的处理时限。 4.6.3时限调度算法与频率单调调度算法时限调度算法是一种以满足用户要求的时限为调度原则的算法。在实时系统中的用户要求时限有两种，即处理开始时限和处理结束时限。时限调度算法可以使用任一种时限。时限调度算法不可用于周期性调度与非周期性调度两种。 时限调度算法所需要的相关输入信息包括以下几种：(1)任务就绪时间或事件到达时间(2)开始时限(3)完成时限(4)处理时间(5)资源需求(6)优先级'