Fale powierzchniowe

Burza zawsze pokrywa ograniczoną część powierzchni oceanu. W miarę wzmagania się wiatru w obszarze jego działania pojawiają się i rosną fale. Jakiś czas po ustabilizowaniu się wiatru fale stają się statystycznie stacjonarne. Oznacza to, że średnia wysokość fal, ich średnia długość i średni okres nie ulegają zmianie. Jednakże chwilowe stany powierzchni wody w strefie działania wiatru wydają się chaotyczne. W danym momencie powierzchnia ta stanowi złożoną, nieuporządkowaną naprzemienność wzniesień, zagłębień i wzniesień o różnej wysokości i zasięgu poziomym. Przechodząc do kolejnych momentów, geometria powierzchni wody zmienia się w sposób losowy, nieprzewidywalny. W związku z powyższym do badania fal w strefie ich wytwarzania przez wiatr można zastosować wyłącznie podejście statystyczne. Metody teorii prawdopodobieństwa i liczne obserwacje pozwoliły uzyskać szereg przydatnych wyników na tej ścieżce. Stwierdzono, że rozkład prawdopodobieństwa wysokości fal jest zgodny z funkcją rozkładu Rayleigha. Jego integralnym wyrazem jest formuła

Gdzie: h w – wysokość fali z prawdopodobieństwem nieprzekroczenia F;

godz. 0 –średnia wysokość fali.

Wykładnik potęgowy M waha się od 4 w głębokiej wodzie do 2 w płytkiej wodzie. Średnia wysokość fali godz. w 0 można znaleźć, korzystając z dodatkowych zależności opartych na bilansie energii fal. Z obserwacji wynika, że ​​podczas sztormów wysokość fal oceanicznych często przekracza 10 m. Podczas huraganów pojedyncze fale mogą osiągać wysokość 20-25 m.

Czas T, podczas którego fala przemieszcza się wzdłuż swojej długości l, nazywany jest okresem fali. Średni okres i średnią długość fal w strefie ich wytwarzania przez wiatr wyrażają odpowiednio wzory empiryczne, które wiążą te wielkości z prędkością wiatru:

(97)

(98)

Współczynnikami liczbowymi w tych wzorach są wymiary i prędkość wiatru w ma wymiar m/s.

Im dłuższa fala, tym szybciej przemieszcza się przez ocean i wolniej rozprasza się jej energia. Dlatego największe fale powstające w strefie burzy mogą wykraczać poza tę strefę i przemieszczać się na duże odległości od miejsca ich powstania. Fale takie nazywane są falami swell. Kiedy wiatr ustanie, najpierw wygasają fale krótkie, a po chwili w obszarze zakończonej burzy pozostają już tylko fale wezbrane. Fale przypływowe są formacjami uporządkowanymi. Wyglądają jak równoległe wały o kształcie zbliżonym do sinusoidalnego i następują po sobie w mniej więcej równych odległościach.

Właściwy charakter fal pęczniejących pozwala z wystarczającą dokładnością opisać ich właściwości metodami hydrodynamicznymi. Profil fali sinusoidalnej i jego elementy pokazano na ryc. 56. List X wskazuje wysokość wolnej powierzchni w stosunku do poziomu spoczynku. Podczas propagacji fal sinusoidalnych X zmiany po drodze X i na czas T zgodnie z prawem

, (99)

Gdzie: A - amplituda (połowa wysokości) fal.

W ogólnym przypadku prędkość propagacji fal sinusoidalnych wyraża się wzorem

. (100)

Jeżeli głębokość zbiornika jest duża w porównaniu do długości fali, tj. , To , a wzór (100) przyjmuje postać:

. (101)

Jeżeli wręcz przeciwnie, , następnie , i zamiast wzoru (100) mamy

. (102)

Zatem w zbiornikach głębokich prędkość propagacji fal zależy od ich długości, a w zbiornikach płytkich od głębokości zbiornika. Za umowną granicę pomiędzy głębokimi i płytkimi zbiornikami wodnymi przyjmuje się głębokość równą połowie długości fali: . Nad dnem oceanu ocean jest zawsze głęboki dla fal wiatrowych, ale staje się „płytki”, gdy rozchodzą się przez niego fale tsunami.

Ponieważ długości fal wezbrania mogą wynosić od kilkudziesięciu do kilkuset metrów, to zgodnie ze wzorem (101) prędkości ich przemieszczania się zwykle mieszczą się w przedziale 10-20 m/s. Oznacza to, że fale wezbrane mogą pokonać w ciągu dnia ponad 1500 km.

Zbliżając się do brzegu, fale ulegają przemianie. Ich grzbiety stają się ostrzejsze, wgłębienia stają się płaskie. Kiedy głębokość wody jest równa 1,5-2,0 wysokości fali, fale załamują się.

Jeśli fale na otwartym oceanie lub morzu, a także w otwartej części jeziora lub zbiornika, rozprzestrzeniają się wzdłuż wybrzeża, to zawracają na przybrzeżnych płyciznach.

Grzbiety fal mają tendencję do ustawiania się równolegle do linii brzegowej, a prędkość fali przyjmuje składową skierowaną w stronę brzegu (ryc. 57). Ten

Zjawisko to nazywa się załamaniem fal na przybrzeżnych płyciznach. Wyjaśnienie załamania fali wynika ze wzoru (102). Prędkość fali nad dolnym zboczem okazuje się być zmienna wzdłuż grzbietu – odcinki grzbietu położone najbliżej brzegu poruszają się wolniej, te dalej od brzegu – szybciej.

Zbliżając się do brzegu pod ostrym kątem i załamując się, fale tworzą wzdłuż brzegu przepływ wody (patrz ryc. 57). Prędkości przepływu wzdłuż brzegu mogą sięgać 1,0-1,5 m/s. Prędkości te są wystarczające do intensywnego transportu osadów, a prądy przybrzeżne przemieszczają duże masy gleby na wybrzeżach morskich, a także w strefach przybrzeżnych jezior i zbiorników wodnych. Kiedy przepływ wzdłuż brzegu spotyka ujście zatoki lub zatoki, osadza tutaj swój ładunek lub jego część, a wejścia do zatok i zatok stają się płytkie po sztormach.

Przypływy i odpływy

Fala pływowa przepływa wokół oceanów świata dwa razy dziennie. Okres fali pływowej jest równy połowie dnia księżycowego: 12 godzin 25 minut, czyli 44700 s. Większą długość dnia księżycowego w porównaniu do dnia słonecznego tłumaczy się faktem, że Księżyc obraca się po swojej orbicie w tym samym kierunku, w którym obraca się Ziemia. Wzdłuż wielkiego koła globu, leżącego w płaszczyźnie orbity Księżyca, fala pływowa przemieszcza się ze średnią prędkością 450 m/s. Prędkości tej nie można uzyskać ze wzoru (102), ponieważ przypływy i odpływy są wymuszonymi oscylacjami, a nie swobodnymi, jak fale wezbrane lub sejsze.

Zwykle obserwowany przebieg wahań poziomu wody w opadach deszczu pokazano na ryc. 58. Najwyższy poziom podczas przypływu nazywany jest PV wysokiego poziomu wody, najniższy podczas odpływu nazywany jest niskim poziomem wody MB. Wahania poziomów są nieco opóźnione w stosunku do ruchu Księżyca. Czas pomiędzy szczytem Księżyca a pełnią wody nazywany jest interwałem księżycowym. Zmienia się w ciągu miesiąca i roku, a także za oceanem. Kiedy deklinacja Księżyca wynosi zero (płaszczyzna orbity Księżyca pokrywa się z płaszczyzną równika), wysokość dwóch półdniowych wezbrań jest taka sama. Przy niezerowej deklinacji (która waha się od 0° do ±28°) wysokości obu wysokich wód są różne.

Fale pływowe generowane są przez dwa ciała niebieskie – Słońce i Księżyc i rozprzestrzeniają się po kulistej powierzchni. Już same te okoliczności, nie mówiąc już o nierównym rozmieszczeniu głębokości oceanów i nieregularności ich granic, nadają wahaniom opadów niezwykle złożony charakter. Przejawami tej złożoności jest fakt, że wraz z tymi pokazanymi na ryc. 58 półdobowych oscylacji w oceanie, w pewnych warunkach, powstają dobowe oscylacje - z jedną wysoką i jedną niską wodą dziennie.

Różnica między wysokością wysokiej i niskiej wody nazywana jest wielkością przypływu. Na otwartym oceanie przypływ jest niski. Na małych wyspach oceanicznych rzadko przekracza 1 m. Przypływ osiąga najwyższe wartości u wybrzeży oceanów i mórz, szczególnie w zatokach, zatokach i przesmykach. Wzdłuż granic morskich ZSRR najwyższy przypływ - do 12 m - obserwuje się w Zatoce Penżeńskiej na Morzu Ochockim. Przy ujściu Mezen pływy osiągają wartości 8-10 m. W ujściach dużych syberyjskich rzek Ob, Jenisej i Lena wahania poziomu opadów są znacznie słabsze niż wahania wezbrania.

W Europie Zachodniej najwyższe pływy występują na atlantyckim wybrzeżu Francji i u wybrzeży Anglii. Przypływ w Zatoce Bristolskiej sięga 15 m. Największe pływy na świecie - do 18 m - obserwuje się w Zatoce Fundy na atlantyckim wybrzeżu Kanady.

Rozważmy mechanizm burzowych wahań poziomu oceanu. Siły powodujące te wahania nazywane są siłami pływowymi. Są one spowodowane przyciąganiem Księżyca i Słońca, ale jak się teraz pokaże, w żadnym wypadku nie są równe samym siłom przyciągania. Oprócz nich w powstawaniu oscylacji burzowych biorą udział siły odśrodkowe i siły Coriolisa oraz siły tarcia. Siła pływowa wytworzona przez grawitację Księżyca, spowodowaną bliskością Księżyca do Ziemi, jest 2,3 razy większa niż siła pływowa wytworzona przez Słońce. Wartości bezwzględne sił pływowych są bardzo małe. W odniesieniu do jednostki masy mierzy się je w setnych milionowych przyspieszeniu ziemskim.

Aby zrozumieć istotę zjawiska, przeanalizujmy wpływ ciała przyciągającego na wodę w oceanie i zajmijmy się Słońcem jako takim, ponieważ prawa ruchu planet wokół Słońca pozwalają w bardzo prosty sposób rozwiązać kwestię sił odśrodkowych spowodowane tym ruchem (gdybyśmy uznali Księżyc za ciało przyciągające, okazałoby się, że Ziemia i Księżyc obracają się wokół wspólnego środka masy znajdującego się wewnątrz Ziemi, a określenie sił odśrodkowych stałoby się bardzo trudne).

Przyjmijmy, nie wprowadzając żadnego błędu w istotę naszego rozumowania, że ​​płaszczyzna równika pokrywa się z płaszczyzną orbity Ziemi i zaznaczamy w tej płaszczyźnie średnicę Ziemi skierowaną w danym momencie czasu

na Słońcu (ryc. 59). Siła odśrodkowa i siła grawitacji Słońca działają wzdłuż wybranej średnicy. Ze względu na prawa rotacji planet wszystkie punkty Ziemi mają te same trajektorie orbit, dlatego siła odśrodkowa wywołana ruchem orbitalnym we wszystkich punktach globu, a więc we wszystkich punktach naszej średnicy, jest taka sama. Jeśli chodzi o siłę przyciągania, od końca średnicy skierowanej w stronę Słońca znajduje się punkt zenitowy Z- na drugi koniec - punkt nadiru N powinno się zmniejszyć , Gdzie R– odległość punktu od środka Słońca. Biorąc pod uwagę niewielką średnicę Ziemi (»13 tys. km) w porównaniu z odległością Ziemi od Słońca (149 mln km), można pominąć nieliniowość tej zmiany i przyjąć, że siła przyciągania w zenit będzie większy, a w nadirze siła przyciągania w środku Ziemi będzie mniejsza o tę samą wartość DF. W centrum Ziemi siły grawitacyjne i odśrodkowe równoważą się, na powierzchni Ziemi równowaga oczywiście nie działa. W zenicie, gdzie siła przyciągania jest większa niż siła odśrodkowa, ich wypadkowa DF skierowany w stronę Słońca, w nadir - DF skierowane z dala od Słońca. Uprawnienie ±DF i są te, które tworzą przypływy. Ogólna definicja sił pływowych jest następująca: siła pływowa w danym punkcie globu jest różnicą wektorową pomiędzy siłą przyciągania ciała niebieskiego (Słońca lub Księżyca) w danym punkcie a siłą jego ciężkości w środek Ziemi. Ostatecznie za powstawanie pływów odpowiada niejednorodność pola grawitacyjnego.

Opisany rozkład sił pływowych prowadzi do tego, że w każdym momencie wolna powierzchnia Oceanu Światowego ma dwa diametralnie przeciwne garby. Te garby w układzie odniesienia związanym ze Słońcem prawie nie zmieniają swojego położenia w ciągu dnia, natomiast w układzie odniesienia związanym z obracającą się Ziemią poruszają się przeciwnie do kierunku obrotu, tworząc efekt dwóch półdobowych fal pływowych.

Jakościowo taki sam wpływ na wody oceanu i przyciąganie Księżyca. Ponieważ względne położenie trzech źródeł światła - Słońca, Ziemi i Księżyca - zmienia się okresowo, suma dwóch sił pływowych również okresowo się zmienia, a wraz z nią wielkość pływów. Najbardziej znacząca jest tak zwana miesięczna nierówność pływów. Jest następująco. Podczas nowiu i pełni księżyca znajdują się trzy ciała - Słońce Z(ryc. 60), Ziemia 3 i Księżyc L- położone na tej samej linii prostej. Stan ten nazywany jest syzygią astronomiczną. Siły pływowe Księżyca i Słońca sumują się podczas syzygii, a 1-2 dni po niej przypływy osiągają największą wielkość. Nazywa się je syzygami. Podczas pierwszej i ostatniej kwadry Księżyca kierunek Ziemia-Księżyc tworzy kąt prosty z kierunkiem Ziemia-Słońce. Ta konfiguracja trzech ciał nazywana jest kwadraturą astronomiczną. W przypadku kwadratury dwie siły tworzące pływy nie sumują się: osie dwóch par garbów są prostopadłe i wkrótce pływy zmniejszają się do wartości minimalnych. Takie pływy nazywane są kwadraturą.

To, co zostało powiedziane w tym akapicie, może dać jedynie ogólne pojęcie o pływach. Teorią pływów zajmowało się wielu wybitnych mechaników i matematyków (I. Newton, D. Bernoulli, P. Laplace, G. Ery, G. Poincaré i in.), jednak teorii tej nie można uznać za kompletną. Przeprowadzone prace teoretyczne i liczne obserwacje pozwoliły na opracowanie map pływów i podręczników, które są szeroko stosowane w nawigacji. Mapy i katalogi są stale aktualizowane i aktualizowane.

Zwróćmy uwagę na jeden z interesujących i wciąż niedostatecznie zbadanych aspektów teorii pływów - problem sił tarcia powstających podczas ruchu fal pływowych. Według dostępnych szacunków moc tracona na skutek tarcia w falach pływowych Oceanu Światowego jest znaczna: 1,1 × 10 6 MW. Tarcie między Ziemią a falami pływowymi spowalnia obrót Ziemi i jest uważane za przyczynę wzrostu długości dnia o 0,001 s na wiek, co ustalają obserwacje astronomiczne.

Środki powierzchniowo czynne mogą występować w pobliżu swobodnej powierzchni ciała stałego lub w pobliżu granicy między dwoma różnymi ciałami. Istnieje pięć rodzajów środków powierzchniowo czynnych.
Fale Rayleigha, teoretycznie odkryta przez Rayleigha w 1885 roku, może istnieć w ciele stałym w pobliżu jego swobodnej powierzchni graniczącej z próżnią. Prędkość fazowa takich fal jest skierowana równolegle do powierzchni, a cząstki ośrodka oscylującego w jej pobliżu mają zarówno składową poprzeczną, prostopadłą do powierzchni, jak i podłużną składową wektora przemieszczenia. Cząstki te podczas swoich oscylacji opisują trajektorie eliptyczne w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni i przechodzącej przez kierunek prędkości fazowej. Ta płaszczyzna nazywa się strzałkowa. Amplitudy drgań podłużnych i poprzecznych maleją wraz z odległością od powierzchni do ośrodka zgodnie z prawami wykładniczymi przy różnych współczynnikach tłumienia. Prowadzi to do tego, że elipsa ulega deformacji, a polaryzacja daleko od powierzchni może stać się liniowa. Wnikanie fali Rayleigha w głębokość rury dźwiękowej jest rzędu długości fali powierzchniowej. Jeśli fala Rayleigha zostanie wzbudzona w piezoelektryku, to zarówno wewnątrz niej, jak i nad jej powierzchnią w próżni będzie powstawać powolna fala pola elektrycznego, spowodowana bezpośrednim efektem piezoelektrycznym.
Fale Stoneleigh(lub Stonley), nazwane na cześć naukowca, który odkrył je w 1908 r., różnią się od fal Rayleigha tym, że mogą istnieć w pobliżu styku dwóch ośrodków stałych pozostających w kontakcie akustycznym. Kiedy fala Stoneleya się rozchodzi, w oscylacjach biorą udział cząstki obu ośrodków. Jednocześnie, podobnie jak w fali Rayleigha, wykonują ruch eliptyczny w płaszczyźnie strzałkowej. Głębokość penetracji fal Stoneleya do stykających się mediów jest rzędu długości fali powierzchniowej.
Gulyaev – Fale Bluesteina(Blyukshtein) zostały odkryte w 1968 roku w ZSRR przez Yu.V. Gulyaeva. i niezależnie w USA przez Bluestein. Mają dwie charakterystyczne cechy. Po pierwsze, istnieją one tylko w kryształach piezoelektrycznych w pobliżu swobodnej granicy, po drugie, cząstki ośrodka podlegają drganiom czysto poprzecznym w kierunku równoległym do powierzchni (polaryzacja „pozioma”). Fale Gulyaeva-Blusteina wnikają w oscylujący ośrodek głębiej niż fale Rayleigha i Stoneleya. Głębokość ich wnikania w objętość ciała stałego jest rzędu wielkości λ dźwięk ε / k 2 , gdzie ε jest stałą dielektryczną, k - współczynnik sprzężenia elektromechanicznego (patrz poniżej). Dzięki bezpośredniemu efektowi piezoelektrycznemu fali Gulyaeva-Blusteina towarzyszy powolna fala pola elektrycznego w próżni nad powierzchnią piezoelektryka.
Fale Marfelda – Tournois, odkryte w 1971 roku, różnią się od fal Gulyaeva-Blusteina tym, że mogą istnieć w pobliżu styku dwóch stykających się piezoelektryków. Te środki powierzchniowo czynne są również całkowicie ścinane i mają polaryzację „poziomą”.
Fale miłości (1926) rozsmarować cienką (ok dźwięk λ) warstwa substancji osadzona na podłożu, w której prędkość dźwięku jest większa niż w warstwie. Te fale czysto ścinające mają polaryzację „poziomą” i wnikają w podłoże na głębokość rzędu dźwięk λ. Mają dyspersję, ich prędkość mieści się pomiędzy prędkościami dźwięku w warstwie i podłożu.

1.3. Fale kierowane i ukierunkowane. Przedstawiciele falowód Mody akustyczne to fale w cienkich płytach lub foliach, których obie powierzchnie są wolne, a grubość jest rzędu długości fali sprężystej. W tym przypadku płyta pełni funkcje falowodu płaskiego, a same fale są w niej w zasadzie falami normalnymi. Te ostatnie nazwano falami Baranka od nazwiska naukowca, który je odkrył w 1916 roku. Wektor przemieszczenia fali Lamba ma składową podłużną i poprzeczną, przy czym składowa poprzeczna jest prostopadła do powierzchni falowodu.
Innymi przedstawicielami modów falowodowych są normalne fale akustyczne w cienkich prętach o różnych profilach (okrągłe, prostokątne itp.). Kanałowane fale akustyczne to fale, które mogą rozchodzić się zarówno kanałami wzdłuż rowków i występów o różnych profilach (prostokątnych, trójkątnych, półokrągłych itp.) wykonanych na swobodnej (niekoniecznie płaskiej) powierzchni ciała stałego, jak również wzdłuż kąta przestrzennego utworzone przez dwie ściany rur dźwiękowych. W praktyce są atrakcyjne, ponieważ można je stosować w akustycznych układach scalonych.

2. RÓWNANIA OPISUJĄCE ELEKTROMECHANIKĘ
PROCESY W PIEZOELEKTRYCE

Powierzchowny fale nazywane są niejednorodnymi, powolnymi falami elektromagnetycznymi klasy E lub H, które mają dyspersję. Systemy prowadzące wzdłuż których rozchodzą się fale powierzchniowe powierzchnie spowalniające (impedancyjne)..

Fale powierzchniowe mają dwa Główne cechy , odróżniając je od wszystkich innych fal kierowanych.

1.) Amplitudy wektorów E i H fal powierzchniowych maleją wykładniczo w kierunku normalnej do zwalniających powierzchni, wzdłuż których się rozchodzą.

2.) Fale powierzchniowe są powolne (Vph 1).

Spadek amplitud wektorów E i H fali powierzchniowej w kierunku prostopadłym do powierzchni, po której się ona rozchodzi, nie jest związany ze stratami aktywnymi w ośrodku, ale jest spowodowany specjalnymi zależnościami fazowymi pomiędzy składowymi wektorów E i H tej fali, dzięki czemu przepływ wektora Poyntinga w danym kierunku wynosi średnio dla okresu =0.

Gęstość strumienia energii przenoszonego przez falę powierzchniową wzdłuż powierzchni prowadzącej jest maksymalna bezpośrednio na tej powierzchni i gwałtownie maleje wraz z odległością od niej. Mówiąc obrazowo, fala rozchodząc się po powierzchni prowadzącej sprawia wrażenie „przyklejania się” do niej, co nadaje nazwę „powierzchnia” falom tego typu.

48.Przybliżone warunki brzegowe Leontowicza.

Załóżmy, że płaska fala elektromagnetyczna pada z powietrza pod kątem na płaską powierzchnię styku z ośrodkiem dość przewodzącym, co opisuje złożony współczynnik załamania światła:

Z ustalenia koncepcji ośrodka dobrze przewodzącego wynika, że. Skrajna nierówność zgodnie z prawem Siella oznacza, że ​​kąt załamania musi być bardzo mały. Można w przybliżeniu założyć, że załamana fala wchodzi do ośrodka 2 w kierunku normalnej pod innym kątem padania. Jest to główna fizyczna definicja warunków Leontovicha. Zgodnie z powyższym obwód zastępczy ośrodka metalopodobnego ma postać jednorodnej długiej linii o charakterystycznej rezystancji obliczonej ze wzoru ogólnego

Na początku linii w tym przypadku (czyli na styku) składowe styczne wektora magnetycznego i elektrycznego muszą spełniać niewątpliwą zależność wynikającą wprost z definicji rezystancji charakterystycznej:

Jak wiadomo, na powierzchni idealnego przewodnika. W przypadku dużej, ale skończonej przewodności, na granicy faz pojawia się niezerowa składowa styczna. Pomimo niewielkiej wartości tej wartości (od godz. ), określa ona przepływ mocy do metalu służącego do jego ogrzewania.

Jeżeli oś z jest skierowany do Środowiska 2, a interfejs pokrywa się z płaszczyzną, to na interfejsie muszą być spełnione następujące warunki:

Przy takim układzie znaków, jak można łatwo sprawdzić, przepływ wektora Poyntinga odpowiadającego stratom ciepła będzie zawsze skierowany w kierunku dodatnim osi z. Stosowanie warunków brzegowych Leontovicha w postaci lub w formie konieczne jest zobaczenie składowej stycznej wektora magnetycznego.

49. Zakłócenia Zakłócenia w cienkich płytach

50. 49. Interferencja Interferencja w pierścieniach Newtona

Powierzchnie opóźniające

Powierzchnia opóźniająca (impedancyjna) to powierzchnia styku ośrodków, na której składowe styczne wektorów E i H przemiennego pola elektromagnetycznego (istniejące po obu stronach tej granicy) są przesunięte w fazie względem siebie o 90°. Dzięki temu przepływ wektora Poyntinga w kierunku normalnej do powierzchni zwalniającej średnio w okresie = 0, a przenoszenie energii przez fale EM jest możliwe tylko w kierunku równoległym do takiej powierzchni.

Przy rozwiązywaniu problemów granicznych elektrodynamiki do charakteryzowania interfejsów często stosuje się parametr zwany impedancją powierzchniową (rezystancją powierzchniową), który jest równy stosunkowi zespolonych amplitud składowych stycznych wektorów E i H na tej powierzchni.

Złożony moduł rezystancji powierzchniowej

Argument (faza) złożonego oporu powierzchniowego

Ze względu na przesunięcie fazowe pomiędzy składowymi stycznymi wektorów E i H na powierzchni zwalniającej, jej impedancja powierzchniowa jest wielkością czysto urojoną .

Jeżeli Z jest dodatnie, wówczas fale powierzchniowe klasy E rozchodzą się wzdłuż zwalniającej powierzchni.

Jeżeli Z jest ujemne, wówczas fale powierzchniowe klasy H rozchodzą się wzdłuż zwalniającej powierzchni.

Płaskie powierzchnie spowalniające mogą być powierzchnią styku dwóch dielektryków o różnych stałych dielektrycznych (powietrze - dielektryk) oraz powierzchnią styku dielektryka - strukturą grzebieniową (powietrze - strukturą grzebieniową).

POWIERZCHNIOWE FALE AKUSTYCZNE(środek powierzchniowo czynny) - fale sprężyste, rozprzestrzeniający się wzdłuż swobodnej powierzchni ciała stałego lub wzdłuż granicy ciała stałego z innymi ośrodkami i zanikający wraz z odległością od granic. Istnieją dwa rodzaje środków powierzchniowo czynnych: pionowe, w których wektor oscyluje. Przemieszczenie cząstek ośrodka w fali odbywa się w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni granicznej (płaszczyzna pionowa) i przy polaryzacji poziomej, w której wektor przemieszczenia cząstek ośrodka jest równoległy do ​​powierzchni granicznej i prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali.
Najprostszy i najbardziej W praktyce często spotykane są środki powierzchniowo czynne o polaryzacji pionowej Fale Rayleigha, rozprzestrzeniający się wzdłuż granicy ciała stałego z raczej rozrzedzonym ośrodkiem gazowym. Ich energia jest zlokalizowana w warstwie powierzchniowej o grubości od do miejsca, w którym znajduje się długość fali. Cząstki fali poruszają się po elipsach, półoś wielka w który jest prostopadły do ​​granicy i mały I- równolegle do kierunku propagacji fali (ryc. A). Prędkość fazowa fal Rayleigha c k 0,9c T, Gdzie c t- prędkość fazowa jest płaska.

Schematyczne przedstawienie fal powierzchniowych różnych typów (cieniowanie ciągłe oznacza ośrodek stały, cieniowanie przerywane wskazuje ciecz; X- kierunek propagacji fali; i w I w- składowe przemieszczenia cząstek w danym środowisku; krzywe przedstawiają przybliżony przebieg zmian amplitudy przemieszczenia wraz z odległością od granicy faz): A- Fala Rayleigha na swobodnej granicy ciała stałego; B- fala tłumiona typu Rayleigha na granicy faz ciało stałe-ciecz (ukośne linie w ośrodku ciekłym reprezentują czoło fali wychodzącej, ich grubość jest proporcjonalna do amplitudy przemieszczeń); V- nietłumiona fala powierzchniowa na granicy faz ciało stałe-ciecz; G- Fala Stoneleya na styku dwóch ośrodków stałych; D- Fala miłości na granicy stałej półprzestrzeni i warstwy stałej.

Jeżeli ciało stałe graniczy z cieczą i w cieczy c w jest mniejsze niż prędkość c k w ciele stałym (dotyczy to prawie wszystkich ośrodków rzeczywistych), to na granicy ciała stałego i cieczy możliwa jest propagacja tłumionej fali typu Rayleigha. Fala ta, rozchodząc się, w sposób ciągły emituje energię do cieczy, tworząc w niej niejednorodną falę wychodzącą z granicy (ryc. 6) . Prędkość fazowa danego środka powierzchniowo czynnego, z dokładnością do procenta, jest równa c k i współczynnik tłumienie przy długości fali ~ 0,1, czyli po drodze fala tłumi się o około mi raz. Rozkład głębokości przemieszczeń takiej fali w ciele stałym jest podobny do rozkładu fali Rayleigha.
Oprócz tłumionego surfaktanta, na granicy cieczy i ciała stałego zawsze znajduje się surfaktant nietłumiony, biegnący wzdłuż granicy z prędkością fazową mniejszą od prędkości c fali w cieczy i prędkości podłużnych c l i poprzeczny c t fale w ciele stałym. Ten surfaktant, będący falą o polaryzacji pionowej, ma zupełnie inną budowę i prędkość niż fala Rayleigha. Składa się z słabo niejednorodnej fali w cieczy, której amplituda powoli maleje wraz z odległością od granicy (ryc. V) i dwie wysoce niejednorodne wola w ciele stałym (wzdłużna i poprzeczna). Z tego powodu energia fal i ruch cząstek zlokalizowane są głównie w cieczy, a nie w ciele stałym. W praktyce ten rodzaj fali jest rzadko stosowany.
Jeśli dwa ośrodki stałe graniczą ze sobą wzdłuż płaszczyzny, a ich moduły sprężystości nie różnią się zbytnio, wówczas surfaktant Stoneleya może rozprzestrzeniać się wzdłuż granicy (ryc., d). Fala ta składa się niejako z dwóch fal Rayleigha (po jednej w każdym ośrodku). Pionowe i poziome składowe przemieszczeń w każdym ośrodku zmniejszają się wraz z odległością od granicy, tak że energia fali jest skoncentrowana w dwóch granicznych warstwach o grubości ~ Prędkość fazowa fal Stoneleya jest mniejsza niż wartości c l I z T w obu środowiskach granicznych.
Fale o polaryzacji pionowej mogą rozchodzić się na granicy półprzestrzeni stałej z warstwą cieczy lub ciała stałego, a nawet z układem takich warstw. Jeżeli grubość warstw jest znacznie mniejsza niż długość fali, wówczas ruch w półprzestrzeni jest w przybliżeniu taki sam jak w fali Rayleigha, a prędkość fazowa środka powierzchniowo czynnego jest bliska c k. W ogólnym przypadku ruch może być taki, że energia fali zostanie rozdzielona pomiędzy półprzestrzenią stałą a warstwami, a prędkość fazowa będzie zależała od częstotliwości i grubości warstw (patrz. Rozproszenie dźwięku).
Oprócz SAW o polaryzacji pionowej (głównie fal Rayleigha) występują fale o polaryzacji poziomej (fale Love), które mogą propagować na granicy półprzestrzeni stałej z warstwą stałą (ryc. D). Są to fale czysto poprzeczne: mają tylko jedną składową przemieszczenia w, a odkształcenie sprężyste fali jest czystym ścinaniem. Przemieszczenia w warstwie (indeks 1) i w półprzestrzeni (indeks 2) opisano następująco. wyrażenia:

Gdzie T- czas, - częstotliwość kołowa,

k- numer fali fali Miłości, c t 1 c t 2 są liczbami falowymi fal poprzecznych odpowiednio w warstwie i półprzestrzeni, H- grubość warstwy, A- dowolna stała. Z wyrażeń dla v 1 I v 2 widać, że przemieszczenia w warstwie rozkładają się wzdłuż cosinusa, a w półprzestrzeni maleją wykładniczo wraz z głębokością. Głębokość wnikania fali w półprzestrzeń waha się od ułamków do wielu, w zależności od grubości warstwy H, częstotliwość i parametry środowiskowe. Samo istnienie fali Miłości jako środka powierzchniowo czynnego wiąże się z obecnością warstwy w półprzestrzeni: kiedy H 0, głębokość wnikania fali w półprzestrzeń dąży do nieskończoności, a fala staje się objętościowa. Szybkość fazowa Z Fale miłości mieszczą się w granicach pomiędzy prędkościami fazowymi fal poprzecznych w warstwie i półprzestrzeni c t l< с < c t 2 i jest wyznaczana z równania

gdzie są odpowiednio gęstości warstwy i półprzestrzeni, Z równania jasno wynika, że ​​fale Miłości rozchodzą się z dyspersją: ich prędkość fazowa zależy od częstotliwości. Przy małych grubościach warstw, gdy... Oznacza to, że prędkość fazowa fali Love ma tendencję do prędkości fazowej masowej fali poprzecznej w półprzestrzeni. Kiedy fale Miłości istnieją w postaci kilku. modyfikacje, z których każda odpowiada normalna fala pewien porządek.
Na granicach kryształów mogą występować te same rodzaje środków powierzchniowo czynnych, co w ciałach stałych izotropowych, tyle że ruch falowy staje się bardziej skomplikowany. Jednocześnie anizotropia ciała stałego może wprowadzić pewne właściwości. zmiany w strukturze fal. Tak więc w niektórych płaszczyznach kryształów, które mają piezoelektryczność. właściwości, fale takie jak fale Love, jak fale Rayleigha, mogą istnieć na swobodnej powierzchni (bez obecności warstwy stałej). Są to podobne fale elektromagnetyczne Gulyaeva - Blushteina. Podobnie jak zwykłe fale Rayleigha, w niektórych próbkach kryształów tłumiona fala może rozprzestrzeniać się wzdłuż swobodnej granicy, emitując energię w głąb kryształu (fala nieszczelna). Wreszcie, jeśli kryształ ma efekt piezoelektryczny i następuje w nim przepływ elektronów (kryształ piezosemiprzewodnika), to możliwe jest oddziaływanie fal powierzchniowych z elektronami, co prowadzi do wzmocnienia tych fal (patrz. Interakcja akustoelektroniczna).
Elastyczne środki powierzchniowo czynne nie mogą występować na swobodnej powierzchni cieczy, natomiast przy częstotliwościach z zakresu ultradźwiękowego i niższych mogą tam powstawać fale powierzchniowe, w których czynnikiem determinującym nie są siły sprężyste, ale napięcie powierzchniowe – jest to tzw. fale kapilarne (patrz Fale na powierzchni cieczy).
Ultra- i hipersoniczne środki powierzchniowo czynne znajdują szerokie zastosowanie w technologii kompleksowych badań nieniszczących powierzchni i warstwy wierzchniej próbki (patrz. Wykrywanie wad), do tworzenia obwodów mikroelektronicznych do przetwarzania elektrycznego. sygnały itp. Jeżeli powierzchnia próbki stałej jest wolna, stosuje się fale Rayleigha. W przypadku kontaktu próbki z cieczą, inną próbką stałą lub warstwą stałą, fale Rayleigha zastępuje się innym, odpowiednim rodzajem środka powierzchniowo czynnego.

Oświetlony.: Landau L.D., Lifshits E.M., Theory of Elasticity, wyd. 4, M., 1987; Viktorov I.A., Fizyczne podstawy wykorzystania fal ultradźwiękowych Rayleigha i Lzmby w technologii, M., 1966, rozdz. 1; on, Fale powierzchniowe dźwięku w ciałach stałych, M., 1981; Akustyka fizyczna, wyd. W. Mason, R. Thurston, przeł. z języka angielskiego, t. 6, M., 1973, rozdz. 3; Powierzchniowe fale akustyczne, wyd. A. Oliner, przeł. z języka angielskiego, M., 1981.

I. A. Wiktorow.

Fale powierzchniowe

Typowe urządzenie SAW, stosowane np. jako filtr pasmowo-przepustowy. Fala powierzchniowa jest generowana po lewej stronie poprzez przyłożenie napięcia przemiennego przez drukowane przewodniki. W tym przypadku energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną. Poruszając się po powierzchni, mechaniczna fala o wysokiej częstotliwości zmienia się. Po prawej - ścieżki odbiorcze odbierają sygnał, a odwrotna konwersja energii mechanicznej na przemienny prąd elektryczny następuje poprzez rezystor obciążający.

Powierzchniowe fale akustyczne(surfaktant) - fale sprężyste rozchodzące się po powierzchni ciała stałego lub wzdłuż granicy z innymi ośrodkami. Surfaktanty dzielą się na dwa typy: z polaryzacją pionową i z polaryzacją poziomą ( Fale miłości).

Do najczęstszych szczególnych przypadków fal powierzchniowych należą:

• Fale Rayleigha(lub Rayleigha), w klasycznym sensie, rozprzestrzeniający się wzdłuż granicy elastycznej półprzestrzeni z próżnią lub dość rozrzedzonym ośrodkiem gazowym.
• na granicy faz ciało stałe-ciecz.
• Fala Stotonleya
• Fale miłości- fale powierzchniowe o polaryzacji poziomej (typu SH), które mogą rozchodzić się w sprężystej strukturze warstwowej w sprężystej półprzestrzeni.

Fale Rayleigha

Fale Rayleigha, teoretycznie odkryte przez Rayleigha w 1885 roku, mogą istnieć w ciele stałym w pobliżu jego swobodnej powierzchni graniczącej z próżnią. Prędkość fazowa takich fal jest skierowana równolegle do powierzchni, a cząstki ośrodka oscylującego w jej pobliżu mają zarówno składową poprzeczną, prostopadłą do powierzchni, jak i podłużną składową wektora przemieszczenia. Cząstki te podczas swoich oscylacji opisują trajektorie eliptyczne w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni i przechodzącej przez kierunek prędkości fazowej. Ta płaszczyzna nazywa się strzałkowa. Amplitudy drgań podłużnych i poprzecznych maleją wraz z odległością od powierzchni do ośrodka zgodnie z prawami wykładniczymi przy różnych współczynnikach tłumienia. Prowadzi to do tego, że elipsa ulega deformacji, a polaryzacja daleko od powierzchni może stać się liniowa. Wnikanie fali Rayleigha w głębokość rury dźwiękowej jest rzędu długości fali powierzchniowej. Jeśli fala Rayleigha zostanie wzbudzona w piezoelektryku, to zarówno wewnątrz niej, jak i nad jej powierzchnią w próżni będzie powstawać powolna fala pola elektrycznego, spowodowana bezpośrednim efektem piezoelektrycznym.

Stosowany w wyświetlaczach dotykowych z powierzchniowymi falami akustycznymi.

Stłumione fale Rayleigha

Tłumione fale typu Rayleigha na granicy faz ciało stałe-ciecz.

Fala ciągła z polaryzacją pionową

Fala ciągła z polaryzacją pionową, biegnący wzdłuż granicy cieczy i ciała stałego z pewną prędkością

Fala Stotonleya

Fala Stotonleya, propagujący wzdłuż płaskiej granicy dwóch ośrodków stałych, których moduły sprężystości i gęstość nie różnią się zbytnio.

Fale miłości

Spinki do mankietów

• Encyklopedia fizyczna, t. 3 - M .: Wielka Encyklopedia Rosyjska s. 649 i s. 650.

Fundacja Wikimedia. 2010.

Zobacz, co „fale powierzchniowe” znajdują się w innych słownikach:

Fale elektromagnetyczne, które rozchodzą się wzdłuż określonej powierzchni i mają rozkład pól E i H, który dość szybko maleje wraz z odległością od nich w jedną stronę (jednostronne PV) lub w obie strony (prawdziwe PV). Jednostronne C. v. powstaje... Encyklopedia fizyczna

FALE POWIERZCHNIOWE- (patrz), powstający na swobodnej powierzchni cieczy lub rozprzestrzeniający się wzdłuż granicy dwóch niemieszających się cieczy pod wpływem przyczyny zewnętrznej (wiatr, rzucony kamień itp.), Która wyprowadza powierzchnię ze stanu równowagi. .... Wielka encyklopedia politechniczna

fale powierzchniowe- - Tematy przemysł naftowy i gazowy PL fale powierzchniowe ...

Fale rozchodzące się wzdłuż swobodnej powierzchni cieczy lub na styku dwóch niemieszających się cieczy. powstają pod wpływem czynników zewnętrznych wpływ (na przykład wiatr), który wytrąca powierzchnię cieczy ze stanu równowagi. W… … Wielki encyklopedyczny słownik politechniczny

Fale sprężyste rozchodzące się po powierzchni swobodnej ciała stałego lub wzdłuż granicy ciała stałego z innymi ośrodkami i zanikające wraz z odległością od tej granicy. Najprostszy i zarazem najczęściej spotykany w praktyce P. w... Wielka encyklopedia radziecka

powierzchniowe fale interferencyjne- - Tematy: przemysł naftowy i gazowy EN rolki gruntowehałas fal powierzchniowych ... Przewodnik tłumacza technicznego

- (surfaktant), fale sprężyste rozchodzące się po swobodnej powierzchni ciała stałego. korpusu lub wzdłuż krawędzi telewizora. ciał z innymi ośrodkami i tłumienie wraz z odległością od granic. Wyróżnia się dwa rodzaje środków powierzchniowo czynnych: o polaryzacji pionowej i o oscylacjach wektorowych. przemieszczenie h c… … Encyklopedia fizyczna

Powierzchniowe fale akustyczne. Nazwane na cześć Rayleigha, który teoretycznie przepowiedział je w 1885 roku. Spis treści 1 Opis 2 Ciało izotropowe ... Wikipedia

Fale miłości są falami sprężystymi o polaryzacji poziomej. Może być zarówno objętościowy, jak i powierzchowny. Nazwany na cześć Love, który w 1911 roku badał ten typ fal w zastosowaniu do sejsmologii. Spis treści 1 Opis... Wikipedia

Typowe urządzenie SAW oparte jest na konwerterze przeciwgrzebieniowym pełniącym funkcję filtra środkowoprzepustowego. Fala powierzchniowa jest generowana po lewej stronie poprzez przyłożenie napięcia przemiennego przez pro... Wikipedia

Książki

• Zjawiska falowe w ośrodkach dyspersyjnych, Kuzelev M.V.. W książce konsekwentnie przedstawiono podstawy fizyki zjawisk falowych w ośrodkach dyspersyjnych, w tym rozpraszających i nierównowagowych. Opierając się na koncepcjach funkcji dyspersji i dyspersji...