A hanghullámoknak a terjedéshez levegőre, a bármilyen frekvenciás rezgéseknek szilárd közegre van szükségük. Az elektronikai jelátviteli vonal a terjedéshez elektromos vezetőket, induktivitást és kapacitást használ. A hanghullámok egy időben energiát és információt is hordoznak, így közös az energia helyi és ideiglenes tárolásának képessége. Más típusú hullámok az energiát kompressziós, kinetikus vagy potenciális energia kombinációban tárolják. A terjedési sebességet a közvetítő anyag merevségének és sűrűségének kölcsönhatása határozza meg. A nagy merevség felgyorsítja, a nagy sűrűség lelassítja a hullámok terjedését.
De mi is az a hullám? Alapvetően az energia valamilyen formája ami az egyensúlyból való kimozdulást, a stabil, álló állapot megzavarását – ha úgy tetszik, némi implicit periodikussággal – idézi elő. Sokféle hullám láthatatlan, de mindannyian láttunk már hullámokat a vízen. Valóban úgy tűnik, mintha a víz a hullámok sebességével mozogna. Ez egy illúzió: csak a hullám alakja mozog, de áramlás hiányában az egyes vízmolekulák hosszú távú helyzete nem változik. Ehelyett az átlagos pozíciójuk körül mozognak. Ez igaz a legtöbb más típusú hullámra is. A hullám terjedési sebessége és az érintett részecskék sebessége teljesen eltérő. A jelek szinte fénysebességgel haladnak át az átviteli vonalon, de az érintett elektronok sokkal lassabban mozognak.
A hanghullámok a levegőben, mint közegben, míg a felületi akusztikus hullámok (surface acoustic wave – SAW) szilárd anyag és valamilyen más anyag határán terjednek. A gravitációs hullámok – amilyeneket a víz felszínén látunk – két erősen eltérő sűrűségű folyadék határán terjednek. Nem csodálkozhatunk azon, hogy mély vízben másképpen viselkednek, mint a hanghullámok, de a sekély vízben figyelemre méltó hasonlóságok mutatkoznak.
Egy másik példa a hullámterjedésre a fény. A fény terjedése példa az elektromágneses hullámra, amelynek megvan az a figyelemre méltó tulajdonsága, hogy úgy tűnik, nincs szükség közegre a terjedéshez, és korlátlan ideig képes áthaladni a tér vákuumán. Azt mondhatnánk, hogy a fény megalkotja saját közegét. Ezt követően, bárhonnan is érkezett a fény, a szemlélőnek mindig ugyanolyan sebességűnek tűnik vákuumban. A relativitáselmélet azt mondja, hogy semmi nyugalmi tömeg nem tud mozogni fénysebességgel, mert tömege végtelenné válik. A fénynek sebessége miatt van energiája. Mivel nincs nyugalmi tömege, ez az egyetlen dolog, amely ekkora sebességgel tud mozogni. Persze nem állhat meg. A fény bizonyos médiumokon is áthaladhat, és ha megteszi, lelassul. A lassulás mértékét a törésmutató jelöli, és ez nem állandó, hanem a hullámhosszonként változik. Ha a hullám-sebesség a hullámhossz függvényében változik, a terjedést diszperzívnek mondjuk. A mélyvízi gravitációs hullámok erősen diszperzívek. A közegben lévő fényhullámok diszperzívek, ezért látunk szivárványt, ezért a prizmák és a diffrakciós rácsok a fehér fényt alkotóelemeire oszthatják, és ezért szenvednek a lencsék kromatikus aberrációt.
Nem diszperzív hullámterjedés esetén – mint például a legtöbb esetben a hanghullámok a levegőben, (és elektromos analógjai egy kábelben) – azt mondhatjuk, hogy a sebesség állandó, és a frekvencia és a hullámhossz szorzata. A Fourier-analízisből tudjuk, hogy a hullámformák meghatározott amplitúdó- és fázis-viszonyban álló felharmonikusokból állnak. Például egy négyszöghullám spektrumának sinx/x burkológörbéje van, páros felharmonikusok nélkül. A nem diszperzív közeg megőrzi a felharmonikusok közötti fázisviszonyokat, így a hullámforma változatlan formában tud terjedni. A rendszer lineáris fázist jelenít meg. A négyszöghullám-tesztelés általános használata a hangban a fázis-linearitás ellenőrzése. Ha megvan a diszperzió, akkor egyik sem működik. Miután a terjedési sebesség a hullámhossz függvénye, már nem lehet megőrizni a hullámformát, mert a harmonikusok fázisviszonyainak meg kell változniuk. Ha olyan impulzust kísérelünk meg terjeszteni, amely egy frekvenciatartományban szétszórt energiát tartalmaz, a hullámforma folyamatosan változik, ahogy a különböző komponensek különböző fázisokat vesznek fel. Az impulzus ott jelenik meg, ahol az alkatrészek fázisban vannak, és megerősítik egymást. Ez azt jelenti, hogy az impulzus nem az alkatrészek sebességével halad. Az impulzus a csoport-sebességgel halad , ahol a csoport olyan összetevők halmaza, amelyek egymást erősítik.
A hullámterjedésben három különböző sebességgel rendelkezünk.
1. A közeg részecske-sebessége az egyensúly megzavarása miatt, van egyetlen frekvencia terjedési sebessége, amit fázissebességnek vagy celeritásnak nevezünk. (A c a fénysebesség jelölésére a celeritásból származik).
2. A csoportsebesség, amely az energia és/vagy információ terjedési sebessége. A csoportsebesség mindig lassabb, mint a fázissebesség. Gravitációs hullámokban fele olyan gyors. Állóhullámban a csoportsebesség nulla. Fontos felismerni, hogy a fázis- és csoportsebesség a zavar sebessége, míg a fizikai részecskék sebessége ennél sokkal kisebb lehet.
Az 1. ábra az elektromágneses hullámot mutatja, amely változó elektromos mezőkből áll, amelyek merőlegesek az azonos frekvenciájú váltakozó mágneses mezőkre.
Maxwell felfedezte, hogy a két mezőben az energia folyamatosan változik. A mágneses és az elektromos mezők vákuumban egyaránt képesek energiát tárolni. A változó mágneses tér EMF-et generál, és ez okozza a Maxwell által elmozduló áram áramlását. Az áram ekkor mágneses teret hoz létre. A mágneses és elektromos mezők azonos energiát hordoznak, és különböző fázis-kapcsolatokkal rendelkezhetnek, amelyeket a megfelelő időben figyelembe kell venni. Az energia és a tömeg – Einstein ekvivalenciája – lehetővé teszi, hogy az elektromágneses hullám impulzusa nyugalmi tömeg nélkül legyen. A közegtől függő hullámok annak függvényében változnak, hogy a közeg hogyan próbálja helyreállítani az egyensúlyt a zavarás után. Az összes ilyen hullám idővel energiaveszteségnek vagy csillapításnak van kitéve, amely lehet viszkózus, súrlódó vagy ohmos. Ha az energiaforrás megszűnik, végül a nyugalom tér vissza.
A 2. ábra összenyomható közegben terjedő hanghullámot mutat be. Csak a hullám terjed, a közeg egyes részecskéi ugyanazt az átlagos helyzetet tartják, de ide-oda oszcillálnak a terjedés irányában. A hullámfront 90 fokos a terjedési irányhoz képest, amelyet longitudinálisnak nevezünk. A részecskék mozgásának hosszirányúnak kell lennie, mert csak ez a mozgás okozhat nyomásváltozást, amely lehetővé teszi a helyreállítást.
A 3. ábra egy keresztirányú hullámot mutat, amely egy feszültség alatt álló rugalmas közeg, például gitárhúr, helikopter lapát vagy függőhíd kábelei mentén terjed. Ismét a zavar terjed, nem a közeg. Ebben az esetben a közeg oszcillációi merőlegesek a terjedési irányra. A helyreállító mechanizmus a feszültség. Levegőben vagy vízben keresztirányú hullám nem lehetséges, mert nincs ellenállás a nyírással szemben.
A 4. ábra egy gravitációs hullámot mutat, amely a víz felszínén terjed. A helyreállítási mechanizmus a gravitáció, amely megpróbálja lehúzni a hullámcsúcsokat, és kitölteni a vályúkat. A víznek lokálisan kell folynia, ahogy a hullám terjed. A mély vízben, a hullám elhaladásakor a részecskék körben mozognak. A forgás a hullám terjedésével történik, vagyis a balról jobbra terjedő hullám az óramutató járásával megegyező irányban forog. A kör átmérője megegyezik a hullám csúcstól csúcsig terjedő amplitúdójával. A mélység növekedésével a kör átmérője exponenciálisan csökken. A hullámok az úgynevezett Rayleigh-hullámok formájában is terjedhetnek a szilárd test felületén. A Rayleigh-hullámok megtalálhatók az elektronikában használt SAW (surface acoustic wave) eszközökben és néhány érintőképernyőn. A földrengés energiájának egy része Rayleigh-hullámként terjed. Mivel a közeg összenyomható szilárd anyag, nem összenyomhatatlan folyadék, a terjedés némileg eltérő. A helyreállítási módszer a szilárd anyag összenyomásakor keletkező nyomás és a nyírás során tárolt energia kombinációja. A Rayleigh-hullám egy hibrid hullám. A felszín keresztirányú hullámként fel és le, hosszanti hullámként pedig oldalról oldalra mozog. A két mozgás 90 fokkal fázison kívül van, tehát a felületi mozgás körkörös, de a forgás a gravitációs hullámokkal ellentétes irányú.
John Watkinson független tanácsadó, a The Broadcastbridge munkatársa írásának alapján.
