الموجات في الاتصالات

في أبسط الموجات يتذبذب الاضطراب بشكل دوري أي كحركة دورية بتردد وطول موجي ثابتين، كما تتطلب الموجات الميكانيكية، مثل الصوت وسيطاً تنتقل من خلاله، بينما لا تحتاج الموجات الكهرومغناطيسية وسيطاً ويمكن نشرها من خلال الفراغ، كما يعتمد انتشار الموجة عبر وسيط على خصائص الوسيط.

ما هي الموجة في الاتصالات؟

الموجة: هو انتشار الاضطرابات من مكان إلى آخر بطريقة منتظمة ومنظمة، والأكثر شيوعاً هي الموجات السطحية التي تنتقل على الماء، لكن الصوت والضوء وحركة الجسيمات دون الذرية جميعها تظهر خصائص موجية.

أنواع وخصائص الأمواج في الاتصالات:

تكون الموجات متوفرة على شكلين طولية وعرضية، كما تكون الموجات المستعرضة متماثلة مع الموجات الموجودة على الماء، حيث يرتفع السطح صعوداً وهبوطاً والموجات الطولية تشبه الموجات الصوتية وتتكون من الضغط المتناوب والخلخلة في الوسط، وأعلى نقطة في الموجة المستعرضة تسمى القمة “the top” والنقطة المنخفضة تسمى القاع.

وبالنسبة للموجات الطولية تكون الانضغاطات والخلخلة مماثلة لقمم وقيعان الموجات المستعرضة، كما أنّ المسافة بين القمم أو القيعان المتتالية تسمى الطول الموجي، وارتفاع الموجة هو السعة، وأنّ عدد القمم أو القيعان “bottom” التي تنتقل من خلال نقطة معينة خلال وحدة زمنية تسمى التردد، كما يمكن الدلالة عن سرعة الموجة في صورة الطول الموجي مضروباً في التردد.

يمكن أن تنتقل الأمواج لمسافات كبيرة جداً على الرغم من أنّ التذبذب عند نقطة واحدة صغير جداً، وعلى سبيل المثال يمكن سماع صوت الرعد على بعد كيلومترات، ومع ذلك فإنّ الصوت المحمول يظهر في أي وقت فقط على شكل ضغطات دقيقة وخلخلة في الهواء.

سلوك الموجة في الاتصالات:

تعرض الأمواج عدة ظواهر أساسية، حيث في الانعكاس تواجه الموجة عقبة وتنعكس مرة أخرى، وفي الانكسار تنحني الموجة عندما تدخل وسطاً يكون من خلاله لها سرعة مختلفة، أمّا في حالة الحيود تنحني الموجات عندما تمر حول عوائق صغيرة وتنتشر عندما تمر عبر فتحات صغيرة، وفي حالة التداخل عندما تتلاقى موجتان يمكن أن تتداخل بشكل بناء ممّا يؤدي إلى إنشاء موجة ذات سعة أكبر من الموجات الأصلية، أو بشكل مهدم ممّا يؤدي إلى إنشاء موجة ذات سعة أصغر أو حتى صفر.

1- الانعكاس:

الانعكاس: هي حالة تحدث عندما تضرب الموجات حداً ما وتنعكس فإنّ زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس، وزاوية السقوط هي الزاوية بين اتجاه حركة الموجة والخط المرسوم بشكل عمودي على حد الانعكاس.

2- الانكسار:

الانكسار: هي ظاهرة تعتمد على  سرعة الموجة على خصائص الوسط الذي تنتقل من خلاله، فعلى سبيل المثال ينتقل الصوت عبر الماء أسرع منه عبر الهواء، وعندما تدخل الموجة بزاوية وسط تكون سرعتها أبطأ تنحني الموجة نحو العمود العمودي، وعندما تدخل الموجة بزاوية وسط تزداد سرعته يحدث التأثير المعاكس، ومع الضوء يمكن التعبير عن هذا التغيير باستخدام قانون انكسار سنيل.

3- الانحراف:

الانحراف: هي ظاهرة تحدث عندما تواجه الموجة عقبة صغيرة أو فتحة صغيرة أي صغيرة مقارنة بطول موجة الموجة، يمكن أن تنحني الموجة حول العائق أو تمر عبر الفتحة ثم تنتشر، ويسمى هذا الانحناء أو الانتشار بالانحراف.

4- تداخل الموجات:

قد تدعم الموجات الآتية من مركزين أو أكثر من مراكز الاضطراب بعضها البعض في بعض الاتجاهات وتحذف في اتجاهات أخرى، وهذه الظاهرة تسمى تداخل الموجات، حيث من السهل أن يمكن مشاهدة كيف يمكن أن يحدث هذا، فمثلاً مصدرين ينتجان موجات من نفس الطول الموجي وفي الطور أي أنّ قمم الأمواج تحدث في الأصل في نفس الوقت، وإذا كانت النقطة “P” على مسافة متساوية من كلا المصدرين فإنّ القمم تنتقل إلى “P” في نفس الوقت وتدعم بعضها البعض.

وبالمثل تنتقل القيعان في وقت واحد وتصبح أعمق، ويحدث نفس الشيء إذا كانت المسافات إلى النقطة “P” غير متساوية، ولكنّها تتفاوت بمقدار واحد أو أكثر من الأطوال الموجية الكاملة، ومع ذلك إذا تنوعت المسافات بمقدار نصف طول موجي أو بعدد فردي من نصف أطوال الموجة، فستتماثل قمم إحدى الموجات مع قيعان الموجة الأخرى وتنخفض شدة الموجة الناتجة.

وعندما تكون هاتان الموجتان متساويتان في الشدة، فإنّها تلغي بعضهما البعض تماماً، كما تنشأ المواقف الوسيطة في تلك الاتجاهات، والتي تختلف فيها المسافات التي تقطعها الموجتان ببعض الأجزاء الأخرى من الطول الموجي، حيث تميل الموجات إمّا إلى تعزيز أو إلغاء بعضها البعض.

5- تأثير دوبلر:

تأثير دوبلر: هي ظاهرة تحدث عندما يتحرك مصدر الموجة بالنسبة للمراقب يلاحظ المراقب تغيراً في تردد الموجة، وهذا التغيير يسمى تأثير دوبلر على اسم مكتشفه الفيزيائي النمساوي كريستيان دوبلر وضع في اعتبارك مصدراً يصدر موجة مثل الضوء أو صوت التردد يتحرك بعيداً عن المراقب بسرعة “v”.

حيث ستنتقل القمم المتتابعة لموجات الضوء إلى المراقب على فترات أطول ممّا لو كان المراقب في حالة راحة، ويظهر الحساب أنّه يستقبلهم الراصد بتردد “(ν (1 − v / c”، حيث أنّ “c” هي سرعة الموجة وسيظهر تردد الموجة للمراقب أقل قليلاً ممّا لو كان المصدر في حالة راحة، وإذا كان المصدر يقترب فسيكون التردد أعلى.

في الصوت هذا التأثير هو تجربة يومية، وعندما يتم تمرير بوق النفخ على الطريق السريع قد يلاحظ المراقب أنّ نغمة النغمة تبدو متغيرة، وتأثير دوبلر لموجات الضوء ظاهر في التحليل الطيفي، ويُطلق على التحول إلى الترددات الأعلى اسم التحول الأزرق، ويسمى التحول إلى الترددات القليلة العزل الأحمر والضوء الأحمر المعزول من المجرات الأخرى هو دليل على تمدد الكون.

الموجات الموقوفة في الاتصالات:

إذا كانت الموجة مقيدة في مكان مغلق فإنّها تخضع لكل من الانعكاس والتداخل، فعلى سبيل المثال ضع في اعتبارك أنبوب “بطول l”، سينعكس أي اضطراب في أي مكان في الهواء في الأنبوب من كلا الطرفين وينتج بشكل عام سلسلة من الموجات التي تنتقل في كلا الاتجاهين على طول الأنبوب، ومن هندسة الموقف والقيمة الثابتة المعينة للسرعة الصوتية يجب أن تكون هذه موجات دورية بترددات ثابتة بشروط الحدود في نهاية الأنبوب.

الترددات المسموح بها للموجات في الأنبوب ترضي الخطيئة “kl = 0″، فعلى سبيل المثال الترددات المسموح بها هي “ν = nv / 2l”، حيث أنّ “n” هي عبارة عن عدد صحيح و”v” هي السرعة الصوتية في الأنبوب، وهذه هي ترددات الموجات التوافقية التي يمكن أن تتوفر في الأنبوب، ولا تزال تحقق شروط الحدود في النهايات، كما يُطلق عليهم الترددات المميزة أو الأوضاع العادية لاهتزاز عمود الهواء، والتردد الأولي لـ (n = 1) هو “ν = v / 2l”.

الترددات الأعلى التي تسمى التوافقيات “harmonics” أو النغمات وهي مضاعفات الأساسي، ومن المعتاد الإشارة إلى الأساسي باعتباره التوافقي الأول، و”n = 2″ يقدم التوافقي الثاني أو النغمة الأولى، كما يتم تحديد نفس مجموعة الترددات المميزة تقريباً لأنبوب أسطواني مفتوح عند كلا الطرفين، على الرغم من اختلاف شروط الحدود.

توجد أماكن في الأنبوب يكون فيها إزاحة الهواء صفراً في جميع الأوقات، كما لا يمكن أن يحدث هذا في موجة تقدمية، وبالتالي يُعرف اضطراب الموجة المقابل للنمط العادي باسم الموجة الواقفة، كما تُعرف مواضع الإزاحة الصفرية المستمرة بالعقد، بينما تسمى المواضع التي يوجد بها أقصى إزاحة بالعقد العكسية والمسافة بين العقد المتتالية تساوي نصف الطول الموجي للوضع المعين.