Sóng âm bề mặt. Sóng bề mặt

Sóng bề mặt

Một cơn bão luôn bao phủ một phần hạn chế của bề mặt đại dương. Khi gió mạnh lên, sóng xuất hiện và phát triển trong khu vực hoạt động của nó. Một thời gian sau khi gió hình thành, sóng trở nên đứng yên về mặt thống kê. Điều này có nghĩa là chiều cao trung bình của sóng, chiều dài trung bình và chu kỳ trung bình của chúng không thay đổi. Tuy nhiên, các trạng thái tức thời của mặt nước trong vùng tác động của gió có vẻ hỗn loạn. Tại một thời điểm cụ thể, bề mặt này là sự xen kẽ phức tạp, hỗn loạn của các chỗ phồng, chỗ lõm và đồi có độ cao và phạm vi ngang khác nhau. Khi chuyển sang những thời điểm tiếp theo, hình học của mặt nước thay đổi một cách ngẫu nhiên, khó lường. Theo quan điểm trên, chỉ có phương pháp thống kê mới có thể áp dụng được cho việc nghiên cứu sóng trong vùng được tạo ra bởi gió. Các phương pháp của lý thuyết xác suất và nhiều quan sát đã giúp thu được một số kết quả hữu ích trên con đường này. Phân bố xác suất của chiều cao sóng được tìm thấy tuân theo hàm phân bố Rayleigh. Biểu thức tích phân của nó là công thức

Ở đâu: h w – chiều cao sóng với xác suất không vượt quá F;

h w 0 – chiều cao sóng trung bình.

Số mũ tôi thay đổi từ 4 ở vùng nước sâu đến 2 ở vùng nước nông. Chiều cao sóng trung bình h w 0 có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng các mối quan hệ bổ sung dựa trên sự cân bằng năng lượng sóng. Theo quan sát, khi có bão, độ cao của sóng biển thường vượt quá 10 m. Khi có bão, từng đợt sóng có thể cao tới 20-25 m.

Thời gian T, trong đó sóng di chuyển dọc theo chiều dài của nó tôi, được gọi là chu kỳ sóng. Chu kỳ trung bình và chiều dài trung bình của sóng trong vùng được tạo ra bởi gió được biểu thị tương ứng bằng các công thức thực nghiệm liên hệ các đại lượng này với tốc độ gió:

(97)

(98)

Các hệ số trong các công thức này là thứ nguyên, tốc độ gió w có kích thước m/s.

Sóng càng dài thì nó di chuyển qua đại dương càng nhanh và năng lượng của nó tiêu tan càng chậm. Do đó, những con sóng lớn nhất phát sinh trong vùng bão có thể vượt ra ngoài vùng này và di chuyển một khoảng cách rất xa so với nơi xuất phát của chúng. Sóng như vậy được gọi là sóng sưng lên. Khi gió ngừng, sóng ngắn tắt trước và sau đó chỉ còn lại sóng dâng cao trong vùng bão kết thúc. Sóng sưng lên là sự hình thành có trật tự. Chúng trông giống như những trục song song có hình dạng gần giống hình sin và nối tiếp nhau với khoảng cách gần bằng nhau.

Bản chất chính xác của sóng sưng lên giúp có thể mô tả các đặc tính của chúng với độ chính xác vừa đủ bằng các phương pháp thủy động lực. Cấu hình sóng hình sin và các phần tử của nó được hiển thị trong Hình. 56. Thư x cho biết chiều cao của bề mặt tự do so với mức còn lại. Khi truyền sóng hình sin x những thay đổi trên đường đi X và trong thời gian t theo luật

, (99)

Ở đâu: Một - biên độ (nửa chiều cao) của sóng.

Tốc độ truyền sóng hình sin trong trường hợp tổng quát được biểu thị bằng công thức

. (100)

Nếu độ sâu của hồ chứa lớn so với bước sóng, tức là , Cái đó và công thức (100) trở thành như sau:

. (101)

Ngược lại, nếu , sau đó , và thay vì công thức (100) chúng ta có

. (102)

Do đó, ở các hồ chứa sâu, tốc độ truyền sóng được xác định bởi chiều dài của chúng và ở các hồ chứa nông, bởi độ sâu của hồ chứa. Ranh giới quy ước giữa vùng nước sâu và vùng nước nông được coi là độ sâu bằng một nửa bước sóng: . Phía trên đáy đại dương, đại dương luôn sâu đối với sóng gió nhưng nó trở nên “nông” khi sóng thần truyền qua.

Vì chiều dài của sóng dâng cao có thể từ vài chục đến vài trăm mét nên theo công thức (101), tốc độ chuyển động của chúng thường nằm trong khoảng 10-20 m/s. Điều này có nghĩa là sóng dâng cao có thể di chuyển hơn 1.500 km trong một ngày.

Khi đến gần bờ, sóng biến đổi. Các đường gờ của chúng trở nên sắc nét hơn, các hốc của chúng trở nên phẳng. Khi độ sâu nước bằng chiều cao sóng 1,5-2,0 thì sóng vỡ.

Nếu sóng ở vùng biển hoặc đại dương rộng mở, cũng như ở vùng đất trống của hồ hoặc hồ chứa, truyền dọc theo bờ biển, thì chúng sẽ quay lại vùng nông ven biển.

Các đỉnh sóng có xu hướng song song với bờ biển và tốc độ sóng có một phần hướng vào bờ (Hình 57). Cái này

Hiện tượng này được gọi là sự khúc xạ của sóng ở vùng nước nông ven biển. Giải thích hiện tượng khúc xạ sóng được đưa ra theo công thức (102). Tốc độ của sóng phía trên độ dốc đáy thay đổi dọc theo đỉnh - các phần của đỉnh gần bờ nhất di chuyển chậm hơn, những phần ở xa bờ hơn - nhanh hơn.

Tiến vào bờ theo một góc nhọn và vỡ ra, sóng tạo ra dòng nước dọc bờ (xem Hình 57). Vận tốc dòng chảy dọc bờ có thể đạt 1,0-1,5 m/s. Những tốc độ này đủ để vận chuyển trầm tích chuyên sâu và các dòng chảy dọc bờ di chuyển khối lượng lớn đất trên bờ biển, cũng như ở các vùng ven biển của hồ và hồ chứa. Khi dòng chảy dọc bờ gặp cửa vịnh hoặc vịnh, nó sẽ đưa hàng hóa hoặc một phần hàng hóa vào đây và các lối vào vịnh và vịnh sẽ trở nên cạn sau cơn bão.

Thăng trầm và dòng chảy

Sóng thủy triều chạy quanh các đại dương trên thế giới hai lần một ngày. Chu kỳ sóng thủy triều bằng nửa ngày âm lịch: 12 giờ 25 phút, hay 44700 giây. Độ dài của ngày mặt trăng lớn hơn so với ngày mặt trời được giải thích là do Mặt trăng quay trên quỹ đạo của nó theo cùng hướng mà Trái đất quay. Dọc theo vòng tròn lớn của địa cầu, nằm trong mặt phẳng quỹ đạo của Mặt trăng, sóng thủy triều di chuyển với tốc độ trung bình 450 m/s. Tốc độ này không thể thu được từ công thức (102), vì sự lên xuống của thủy triều là những dao động cưỡng bức chứ không tự do, giống như sóng dâng lên hoặc chấn động.

Diễn biến thường thấy của sự dao động lượng mưa ở mực nước được thể hiện trong Hình 2. 58. Mức cao nhất khi thủy triều lên gọi là PV nước cao, thấp nhất khi thủy triều xuống gọi là MB nước thấp. Sự dao động về mức độ có phần bị trì hoãn liên quan đến chuyển động của Mặt trăng. Khoảng thời gian từ khi Mặt trăng lên đỉnh đến khi mặt nước đầy được gọi là khoảng thời gian của mặt trăng. Nó thay đổi suốt tháng và năm, cũng như trên khắp đại dương. Khi xích vĩ của Mặt trăng bằng 0 (mặt phẳng quỹ đạo của Mặt trăng trùng với mặt phẳng xích đạo) thì độ cao của hai vùng nước cao bán nhật triều là như nhau. Với độ xích vĩ khác 0 (và nó thay đổi từ 0° đến ±28°), độ cao của hai vùng nước cao là khác nhau.

Sóng thủy triều được tạo ra bởi hai thiên thể - Mặt trời và Mặt trăng và lan truyền trên bề mặt hình cầu. Chỉ riêng những trường hợp này, chưa kể đến sự phân bố không đồng đều của độ sâu đại dương và sự không đồng đều về ranh giới của nó, đã khiến cho sự biến động của lượng mưa có một đặc điểm cực kỳ phức tạp. Biểu hiện của sự phức tạp này bao gồm thực tế là, cùng với những biểu hiện trong Hình. 58 dao động bán ngày, trong đại dương, trong những điều kiện nhất định, các dao động ngày được hình thành - với một lần nước dâng cao và một lần nước rút mỗi ngày.

Sự chênh lệch giữa độ cao của nước lớn và nước thấp được gọi là độ lớn của thủy triều. Ở vùng biển khơi thủy triều xuống thấp. Trên các đảo đại dương nhỏ hiếm khi vượt quá 1 m. Thủy triều đạt giá trị cao nhất ngoài khơi các đại dương và biển, đặc biệt là ở các vịnh, vịnh và vùng hẹp. Dọc theo biên giới trên biển của Liên Xô, thủy triều cao nhất - lên tới 12 m - được quan sát thấy ở Vịnh Penzhenskaya của Biển Okhotsk. Thủy triều đạt giá trị 8-10 m ở cửa sông Mezen. Tại cửa các con sông lớn Siberia Ob, Yenisei và Lena, biến động lượng mưa yếu hơn nhiều so với biến động nước dâng.

Ở Tây Âu, thủy triều cao nhất xảy ra ở bờ biển Đại Tây Dương của Pháp và ngoài khơi nước Anh. Thủy triều ở Vịnh Bristol lên tới 15 m. Thủy triều cao nhất trên thế giới - lên tới 18 m - được quan sát thấy ở Vịnh Fundy trên bờ biển Đại Tây Dương của Canada.

Chúng ta hãy xem xét cơ chế dao động của bão ở mực nước biển. Lực gây ra những dao động này được gọi là lực thủy triều. Chúng được gây ra bởi lực hút của Mặt trăng và Mặt trời, nhưng như sẽ được trình bày bây giờ, chúng không hề ngang bằng với lực hút của chính chúng. Ngoài chúng, lực quán tính và lực ma sát ly tâm và lực Coriolis cũng tham gia vào việc hình thành các dao động bão. Lực thủy triều được tạo ra bởi lực hấp dẫn của Mặt Trăng, do Mặt Trăng ở gần Trái Đất, lớn gấp 2,3 lần lực thủy triều do Mặt Trời tạo ra. Giá trị tuyệt đối của lực thủy triều rất nhỏ. Khi đề cập đến một đơn vị khối lượng, chúng được đo bằng một phần trăm triệu gia tốc do trọng lực trên Trái đất.

Để hiểu bản chất của hiện tượng này, chúng ta hãy phân tích tác động của vật thể hút lên nước trong đại dương và coi Mặt trời là như vậy, vì định luật chuyển động của các hành tinh quanh Mặt trời giúp giải quyết vấn đề lực ly tâm một cách rất đơn giản. do chuyển động này gây ra (nếu lấy Mặt Trăng làm vật hút thì sẽ thấy Trái Đất và Mặt Trăng quay xung quanh một khối tâm chung nằm bên trong Trái Đất và việc xác định lực ly tâm sẽ rất khó khăn).

Chúng ta hãy chấp nhận, không đưa ra bất kỳ sai sót nào về bản chất lý luận của chúng ta, rằng mặt phẳng xích đạo trùng với mặt phẳng quỹ đạo Trái đất và chúng ta đánh dấu trong mặt phẳng này đường kính của Trái đất, hướng vào một thời điểm nhất định

trên Mặt trời (Hình 59). Lực ly tâm và lực hấp dẫn của Mặt trời tác dụng dọc theo đường kính đã chọn. Do định luật quay của hành tinh, tất cả các điểm trên Trái đất đều có quỹ đạo quỹ đạo giống nhau và do đó lực ly tâm gây ra bởi chuyển động quỹ đạo tại tất cả các điểm trên địa cầu, và do đó tại tất cả các điểm trên đường kính của chúng ta, là như nhau. Về lực hấp dẫn, tính từ đầu đường kính hướng về Mặt trời là điểm thiên đỉnh Z- đến đầu kia của nó - điểm thấp nhất N nó sẽ giảm như thế nào , Ở đâu r– khoảng cách từ điểm đó đến tâm Mặt Trời. Dựa vào độ nhỏ của đường kính Trái Đất (>>13 nghìn km) so với khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời (149 triệu km), cho phép bỏ qua tính phi tuyến của sự biến đổi này và chấp nhận rằng lực hấp dẫn tại thiên đỉnh sẽ lớn hơn và ở vị trí thấp nhất sẽ có lực hấp dẫn ở tâm Trái đất ít hơn cùng một lượng DF. Tại tâm Trái đất, lực hấp dẫn và lực ly tâm cân bằng nhau; trên bề mặt Trái đất, trạng thái cân bằng hiển nhiên không tồn tại. Tại thiên đỉnh, nơi lực hấp dẫn lớn hơn lực ly tâm, kết quả của chúng DF hướng về phía Mặt trời, ở điểm thấp nhất - DF hướng ra xa Mặt Trời. Quyền hạn ±DF và có những nơi hình thành thủy triều. Định nghĩa chung về lực thủy triều như sau: lực thủy triều tại một điểm nhất định trên địa cầu là hiệu vectơ giữa lực hấp dẫn của một thiên thể (Mặt trời hoặc Mặt trăng) tại một điểm nhất định và lực hấp dẫn của nó tại điểm đó. trung tâm của Trái đất. Cuối cùng, tính không đồng nhất của trường hấp dẫn là nguyên nhân hình thành thủy triều.

Sự phân bố lực thủy triều được mô tả dẫn đến thực tế là tại mỗi thời điểm, bề mặt tự do của Đại dương Thế giới có hai bướu đối xứng đường kính. Các bướu này trong hệ quy chiếu liên kết với Mặt trời hầu như không thay đổi vị trí trong ngày, nhưng trong hệ quy chiếu liên kết với Trái đất đang quay, chúng di chuyển ngược chiều quay, tạo ra hiệu ứng hai đợt thủy triều bán nhật triều.

Về mặt chất lượng, ảnh hưởng tương tự đến nước của đại dương và sức hấp dẫn của Mặt trăng. Do vị trí tương đối của ba ngôi sao sáng - Mặt trời, Trái đất và Mặt trăng - thay đổi theo chu kỳ, nên tổng của hai lực thủy triều cũng thay đổi theo chu kỳ và kéo theo đó là cường độ của thủy triều. Đáng kể nhất là cái gọi là sự bất bình đẳng thủy triều hàng tháng. Nó như sau. Vào ngày trăng non và trăng tròn có ba thiên thể - Mặt Trời VỚI(Hình 60), Trái đất 3 và Mặt Trăng L- nằm trên cùng một đường thẳng Trạng thái này được gọi là sự cộng hưởng thiên văn. Lực thủy triều của Mặt trăng và Mặt trời cộng lại trong thời gian hợp lực và 1-2 ngày sau đó, thủy triều đạt cường độ lớn nhất. Chúng được gọi là syzygy. Trong quý đầu tiên và quý cuối cùng của Mặt trăng, hướng Trái đất-Mặt trăng tạo thành một góc vuông với hướng Trái đất-Mặt trời. Cấu hình ba vật thể này được gọi là cầu phương thiên văn. Với phương trình cầu phương, hai lực hình thành thủy triều không cộng lại: trục của hai cặp bướu vuông góc và chẳng mấy chốc thủy triều giảm xuống giá trị tối thiểu. Thủy triều như vậy được gọi là cầu phương.

Những gì đã nói trong đoạn này chỉ có thể đưa ra một ý tưởng chung về thủy triều. Lý thuyết thủy triều đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà cơ học và toán học xuất sắc (I. Newton, D. Bernoulli, P. Laplace, G. Ery, G. Poincaré, v.v.), nhưng lý thuyết này không thể được coi là hoàn chỉnh. Công việc lý thuyết được thực hiện và nhiều quan sát đã giúp biên soạn các bản đồ thủy triều và sách tham khảo được sử dụng rộng rãi trong hàng hải. Bản đồ và danh mục tiếp tục được cập nhật và cập nhật.

Chúng ta hãy lưu ý một trong những khía cạnh thú vị nhưng vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ của lý thuyết thủy triều - vấn đề lực ma sát phát triển trong quá trình chuyển động của sóng thủy triều. Theo ước tính hiện có, công suất tổn thất do ma sát trong sóng thủy triều của Đại dương Thế giới là một con số đáng kể: 1,1 × 10 6 MW. Ma sát giữa Trái đất và sóng thủy triều làm chậm quá trình quay của Trái đất và được coi là nguyên nhân khiến độ dài ngày tăng thêm 0,001 giây mỗi thế kỷ, điều này được xác định bằng các quan sát thiên văn.


Chất hoạt động bề mặt có thể tồn tại gần bề mặt tự do của chất rắn hoặc gần bề mặt phân cách giữa hai vật thể khác nhau. Có năm loại chất hoạt động bề mặt.
Sóng Rayleigh, được Rayleigh phát hiện về mặt lý thuyết vào năm 1885, có thể tồn tại ở dạng rắn gần bề mặt tự do của nó giáp với chân không. Vận tốc pha của các sóng như vậy hướng song song với bề mặt và các hạt của môi trường dao động gần nó có cả thành phần ngang, vuông góc với bề mặt và thành phần dọc của vectơ dịch chuyển. Trong quá trình dao động của chúng, các hạt này mô tả các quỹ đạo hình elip trong mặt phẳng vuông góc với bề mặt và đi qua hướng của vận tốc pha. Mặt phẳng này được gọi là sagittal. Biên độ của dao động dọc và dao động ngang giảm dần theo khoảng cách từ bề mặt vào môi trường theo quy luật hàm mũ với hệ số suy giảm khác nhau. Điều này dẫn đến thực tế là hình elip bị biến dạng và sự phân cực ở xa bề mặt có thể trở thành tuyến tính. Sự xâm nhập của sóng Rayleigh vào độ sâu của ống âm theo thứ tự độ dài của sóng bề mặt. Nếu sóng Rayleigh bị kích thích trong áp điện thì cả bên trong nó và phía trên bề mặt của nó trong chân không sẽ xuất hiện một sóng điện trường chậm gây ra bởi hiệu ứng áp điện trực tiếp.
Sóng Stoneleigh(hay Stonley), được đặt theo tên của nhà khoa học đã phát hiện ra chúng vào năm 1908, khác với sóng Rayleigh ở chỗ chúng có thể tồn tại gần bề mặt tiếp xúc của hai môi trường rắn khi tiếp xúc âm thanh. Khi sóng Stoneley lan truyền, các hạt của cả hai môi trường đều tham gia vào dao động. Đồng thời, giống như trong sóng Rayleigh, chúng thực hiện chuyển động hình elip trong mặt phẳng dọc. Độ sâu thâm nhập của sóng Stoneley vào môi trường tiếp xúc theo thứ tự độ dài sóng bề mặt.
Gulyaev - Sóng Bluestein(Blyukshtein) được phát hiện vào năm 1968 tại Liên Xô bởi Yu.V Gulyaev. và độc lập ở Mỹ bởi Bluestein. Chúng có hai đặc điểm đặc trưng. Thứ nhất, chúng chỉ tồn tại trong các tinh thể áp điện gần ranh giới tự do và thứ hai, các hạt của môi trường chịu dao động ngang hoàn toàn theo hướng song song với bề mặt (phân cực “ngang”). Sóng Gulyaev-Blustein thâm nhập vào môi trường dao động sâu hơn sóng Rayleigh và Stoneley. Độ sâu thâm nhập của chúng vào thể tích của vật rắn có độ lớn λ âm thanh ε / k 2 , trong đó ε là hằng số điện môi, k - hệ số ghép điện cơ (xem bên dưới). Nhờ hiệu ứng áp điện trực tiếp, sóng Gulyaev-Blustein đi kèm với sóng điện trường chậm trong chân không phía trên bề mặt áp điện.
Sóng Marfeld - Tournois,được phát hiện vào năm 1971, khác với sóng Gulyaev-Blustein ở chỗ chúng có thể tồn tại gần bề mặt tiếp xúc của hai chất áp điện tiếp xúc. Những chất hoạt động bề mặt này cũng có tính chất cắt hoàn toàn và có độ phân cực “ngang”.
Sóng tình (1926) trải mỏng (khoảng âm thanh λ) một lớp chất lắng đọng trên một chất nền trong đó tốc độ âm thanh lớn hơn trong lớp. Những sóng biến dạng thuần túy này có sự phân cực “ngang” và xuyên qua chất nền đến độ sâu cỡ âm thanh λ. Chúng có độ phân tán; tốc độ của chúng nằm giữa tốc độ âm thanh trong lớp và trong chất nền.


1.3. Sóng dẫn hướng và kênh.đại diện ống dẫn sóng Các mode âm thanh là các sóng trong các tấm hoặc màng mỏng, cả hai bề mặt đều tự do và có độ dày cỡ độ dài sóng đàn hồi. Trong trường hợp này, tấm thực hiện các chức năng của ống dẫn sóng phẳng và bản thân các sóng về cơ bản là sóng bình thường trong đó. Sóng sau được gọi là sóng Lamb theo tên nhà khoa học đã phát hiện ra chúng vào năm 1916. Vectơ dịch chuyển trong sóng Lamb có cả thành phần dọc và thành phần ngang, với thành phần ngang vuông góc với các bề mặt của ống dẫn sóng.
Các đại diện khác của chế độ ống dẫn sóng là sóng âm bình thường ở dạng thanh mỏng có nhiều hình dạng khác nhau (tròn, hình chữ nhật, v.v.). Đã chuyển kênh Sóng âm là những sóng có thể truyền cả qua các kênh dọc theo các rãnh và các phần nhô ra có nhiều dạng khác nhau (hình chữ nhật, hình tam giác, hình bán nguyệt, v.v.) được tạo ra trên bề mặt tự do (không nhất thiết phải bằng phẳng) của vật rắn, cũng như dọc theo góc không gian được hình thành bởi các ống âm thanh hai mặt. Đối với thực hành, chúng rất hấp dẫn vì chúng có thể được sử dụng trong các mạch tích hợp âm thanh.

2. PHƯƠNG TIỆN MÔ TẢ CƠ ĐIỆN
CÁC QUY TRÌNH TRONG PIEZO ELECTRIC

bề ngoài Sóng được gọi là sóng điện từ chậm không đồng nhất trong mặt phẳng dẫn hướng thuộc loại E hoặc loại H, có độ phân tán. Hệ thống dẫn đường, dọc theo đó sóng bề mặt lan truyền, là bề mặt làm chậm (trở kháng).

Sóng bề mặt có hai tính năng chính , phân biệt chúng với tất cả các sóng dẫn hướng khác.

1.) Biên độ của vectơ E và H của sóng bề mặt giảm theo cấp số nhân theo hướng pháp tuyến đến các bề mặt chậm lại mà chúng truyền dọc theo.

2.) Sóng bề mặt chậm (Vph 1).

Sự giảm biên độ của vectơ E và H của sóng bề mặt theo hướng vuông góc với bề mặt mà nó truyền dọc theo đó không liên quan đến tổn hao hoạt động trong môi trường mà do mối quan hệ pha đặc biệt giữa các thành phần của vectơ E và H của sóng này, do đó dòng vectơ Poynting theo một hướng nhất định có giá trị trung bình trong khoảng thời gian = 0.

Mật độ thông lượng năng lượng được truyền bởi sóng bề mặt dọc theo bề mặt dẫn hướng là cực đại ngay tại bề mặt này và giảm mạnh theo khoảng cách từ nó. Nói một cách hình tượng, truyền dọc theo một bề mặt dẫn hướng, sóng dường như “dính” vào nó, điều này quyết định tên “bề mặt” cho các loại sóng này.


48. Điều kiện biên gần đúng của Leontovich.

Giả sử rằng một sóng điện từ phẳng truyền tới từ không khí theo một góc tới mặt phân cách phẳng với môi trường dẫn điện khá được mô tả bởi chiết suất phức:

Từ việc thiết lập khái niệm về một môi trường dẫn điện tốt, nó đã dẫn đến điều đó. Sự bất bình đẳng cực độ theo định luật Siell thể hiện rằng góc khúc xạ phải rất nhỏ. Có thể giả định gần đúng rằng sóng khúc xạ đi vào Môi trường 2 theo hướng pháp tuyến ở một góc tới khác. Đây là định nghĩa vật lý chính về các điều kiện của Leontovich. Theo công thức trên, mạch tương đương của môi trường giống kim loại có dạng đường dài đồng nhất có điện trở đặc trưng tính theo công thức tổng quát

Ở đầu dòng trong trường hợp này (nghĩa là tại giao diện), các thành phần tiếp tuyến của vectơ từ và điện phải thỏa mãn mối quan hệ chắc chắn tuân theo định nghĩa về điện trở đặc trưng:

Như đã biết, trên bề mặt của một dây dẫn lý tưởng. Thành phần tiếp tuyến khác 0 xuất hiện ở bề mặt phân cách trong trường hợp độ dẫn điện lớn nhưng hữu hạn. Mặc dù giá trị này rất nhỏ (vì ở ), nó quyết định dòng điện truyền vào kim loại dùng để làm nóng nó.

Nếu trục zđược hướng vào bên trong Môi trường 2 và giao diện trùng với mặt phẳng thì giao diện phải đáp ứng các điều kiện sau:

Với cách sắp xếp dấu này, có thể dễ dàng kiểm chứng, dòng của vectơ Poynting tương ứng với tổn thất nhiệt sẽ luôn hướng dọc theo chiều dương của trục z. Sử dụng điều kiện biên Leontovich ở dạng hoặc ở dạng cần xem thành phần tiếp tuyến của vectơ từ tính.

49. Giao thoa trong tấm mỏng.

50. 49. Giao thoa trong các vành Newton.



Làm chậm bề mặt

Bề mặt hãm (trở kháng) là giao diện giữa các môi trường mà trên đó các thành phần tiếp tuyến của vectơ E và H của trường EM xen kẽ (tồn tại ở cả hai phía của ranh giới này) được dịch chuyển cùng pha so với nhau 90°. Do đó, dòng vectơ Poynting theo hướng pháp tuyến đến bề mặt chậm lại trung bình trong khoảng thời gian = 0 và việc truyền năng lượng bằng sóng EM chỉ có thể thực hiện được theo hướng song song với bề mặt đó.

Khi giải các bài toán biên của điện động lực học, một tham số gọi là trở kháng bề mặt (điện trở bề mặt) thường được sử dụng để mô tả các giao diện, nó bằng tỉ số giữa các biên độ phức của các thành phần tiếp tuyến của các vectơ E và H trên bề mặt này.

Mô-đun kháng bề mặt phức tạp

Đối số (pha) của điện trở bề mặt phức tạp

Do sự lệch pha giữa các thành phần tiếp tuyến của vectơ E và H trên bề mặt làm chậm nên trở kháng bề mặt của nó là một đại lượng thuần túy tưởng tượng. .

Nếu Z dương thì sóng bề mặt loại E truyền dọc theo bề mặt chậm lại.

Nếu Z âm thì sóng bề mặt loại H truyền dọc theo bề mặt chậm lại.

Bề mặt phẳng làm chậm có thể là bề mặt tiếp xúc giữa hai chất điện môi có hằng số điện môi khác nhau (không khí - điện môi) và bề mặt giữa chất điện môi - cấu trúc kim loại lược (không khí - cấu trúc kim loại lược).

SÓNG ÂM BỀ MẶT(chất hoạt động bề mặt) - sóng đàn hồi, truyền dọc theo bề mặt tự do của vật rắn hoặc dọc theo ranh giới của vật rắn với các môi trường khác và mờ dần theo khoảng cách từ các ranh giới. Có hai loại chất hoạt động bề mặt: dọc, trong đó vectơ dao động. Sự dịch chuyển của các hạt môi trường trong sóng nằm trong mặt phẳng vuông góc với bề mặt biên (mặt phẳng thẳng đứng) và có phân cực ngang, trong đó vectơ dịch chuyển của các hạt môi trường song song với bề mặt biên và vuông góc theo hướng truyền sóng.
Đơn giản và nhất chất hoạt động bề mặt có độ phân cực dọc thường gặp trong thực tế là Sóng Rayleigh, lan truyền dọc theo ranh giới của vật rắn với môi trường khí khá loãng. Năng lượng của chúng tập trung ở một lớp bề mặt có độ dày từ đầu đến bước sóng. Các hạt trong sóng chuyển động theo hình elip, bán trục lớn w vuông góc với đường viền và nhỏ Và- song song với phương truyền sóng (Hình 2). MỘT). Vận tốc pha của sóng Rayleigh c k 0,9c t, Ở đâu c t- vận tốc pha bằng phẳng.

Sơ đồ biểu diễn các loại sóng bề mặt khác nhau (màu đậm biểu thị môi trường rắn, bóng mờ không liên tục biểu thị chất lỏng; X- hướng truyền sóng; và, v Và w- các thành phần dịch chuyển của hạt trong một môi trường nhất định; các đường cong mô tả quá trình thay đổi gần đúng về biên độ dịch chuyển theo khoảng cách từ mặt phân cách): MỘT- Sóng Rayleigh trên ranh giới tự do của vật rắn; b- sóng tắt dần thuộc loại Rayleigh tại mặt phân cách rắn-lỏng (các đường xiên trong môi trường lỏng biểu thị các mặt sóng của sóng đi ra, độ dày của chúng tỷ lệ thuận với biên độ của các chuyển vị); V.- sóng bề mặt không suy giảm ở bề mặt phân cách rắn-lỏng; G- Sóng Stoneley tại mặt phân cách giữa hai môi trường rắn; d- Sóng tình yêu ở ranh giới giữa nửa không gian đặc và lớp đặc.

Nếu một vật rắn tiếp giáp với chất lỏng và trong chất lỏng c w nhỏ hơn tốc độ c k trong chất rắn (điều này đúng với hầu hết tất cả các môi trường thực), thì tại ranh giới của chất rắn và chất lỏng có thể truyền sóng loại Rayleigh bị tắt dần. Khi sóng này lan truyền, nó liên tục tỏa năng lượng vào chất lỏng, hình thành trong đó một sóng không đồng nhất phát ra từ ranh giới (Hình 2). 6) . Vận tốc pha của một chất hoạt động bề mặt nhất định, chính xác đến phần trăm, bằng c k, và hệ số suy giảm ở bước sóng ~ 0,1, tức là dọc theo đường đi sóng suy giảm khoảng e một lần. Sự phân bố độ sâu của các chuyển vị trong sóng như vậy trong vật rắn tương tự như sự phân bố trong sóng Rayleigh.
Ngoài chất hoạt động bề mặt bị tắt dần, tại ranh giới của chất lỏng và chất rắn luôn có một chất hoạt động bề mặt không bị cản trở chạy dọc theo ranh giới với vận tốc pha nhỏ hơn tốc độ c của sóng trong chất lỏng và tốc độ dọc c l và ngang c t sóng trong chất rắn. Chất hoạt động bề mặt này là sóng có độ phân cực thẳng đứng, có cấu trúc và tốc độ hoàn toàn khác so với sóng Rayleigh. Nó bao gồm một sóng không đồng nhất yếu trong chất lỏng, biên độ của nó giảm dần theo khoảng cách từ ranh giới (Hình 2). V.), và hai ý chí rất không đồng nhất trong một cơ thể rắn chắc (dọc và ngang). Do đó, năng lượng sóng và chuyển động của hạt tập trung chủ yếu vào chất lỏng hơn là trong chất rắn. Trong thực tế, loại sóng này ít được sử dụng.
Nếu hai môi trường rắn tiếp giáp nhau dọc theo một mặt phẳng và mô đun đàn hồi của chúng không khác nhau nhiều thì chất hoạt động bề mặt Stoneley có thể lan truyền dọc theo ranh giới (Hình d). Sóng này bao gồm hai sóng Rayleigh (một trong mỗi môi trường). Thành phần chuyển vị dọc và ngang trong mỗi môi trường giảm dần theo khoảng cách từ ranh giới sao cho năng lượng sóng tập trung ở hai lớp biên có độ dày ~ Vận tốc pha của sóng Stoneley nhỏ hơn giá trị c tôi Và với t trong cả hai môi trường ranh giới.
Sóng có sự phân cực thẳng đứng có thể lan truyền ở ranh giới của nửa không gian rắn với lớp chất lỏng hoặc chất rắn hoặc thậm chí với hệ thống các lớp như vậy. Nếu độ dày của các lớp nhỏ hơn nhiều so với bước sóng thì chuyển động trong nửa không gian sẽ gần giống như trong sóng Rayleigh và vận tốc pha của chất hoạt động bề mặt gần bằng c k. Trong trường hợp tổng quát, chuyển động có thể sao cho năng lượng sóng sẽ được phân phối lại giữa nửa không gian rắn và các lớp, và vận tốc pha sẽ phụ thuộc vào tần số và độ dày của các lớp (xem. Phân tán âm thanh).
Ngoài SAW có phân cực dọc (chủ yếu là sóng loại Rayleigh), còn có sóng có phân cực ngang (sóng Love), có thể lan truyền ở ranh giới của nửa không gian rắn với một lớp rắn (Hình 2). d). Đây hoàn toàn là sóng ngang: chúng chỉ có một thành phần dịch chuyển v, và biến dạng đàn hồi của sóng là biến dạng thuần túy. Các chuyển vị trong lớp (chỉ số 1) và trong nửa không gian (chỉ số 2) được mô tả như sau. biểu thức:

Ở đâu t- thời gian, - tần số vòng tròn,

k- số sóng của sóng Tình yêu, c t 1 c t 2 lần lượt là số sóng của sóng ngang trong lớp và nửa không gian, h- độ dày lớp, MỘT- hằng số tùy ý. Từ các biểu thức cho v 1 Và v 2 có thể thấy rằng các chuyển vị trong lớp được phân bố dọc theo cosin và trong nửa không gian, chúng giảm theo cấp số nhân theo độ sâu. Độ sâu thâm nhập của sóng vào nửa không gian thay đổi từ nhỏ đến nhiều tùy thuộc vào độ dày của lớp h, tần số và các thông số môi trường. Sự tồn tại của sóng Tình yêu dưới dạng chất hoạt động bề mặt có liên quan đến sự hiện diện của một lớp trong nửa không gian: khi h 0, độ sâu thâm nhập của sóng vào nửa không gian có xu hướng tiến tới vô cùng và sóng có tính thể tích. Tốc độ pha Với Sóng tình yêu nằm trong giới hạn giữa vận tốc pha của sóng ngang trong lớp và nửa không gian c t l< с < c t 2 và được xác định từ phương trình

mật độ của lớp và nửa không gian tương ứng ở đâu, Từ phương trình, rõ ràng là sóng Love lan truyền với sự phân tán: tốc độ pha của chúng phụ thuộc vào tần số. Ở độ dày lớp nhỏ, khi... Nghĩa là, vận tốc pha của sóng Tình yêu có xu hướng bằng vận tốc pha của sóng ngang khối trong nửa không gian. Khi sóng Tình yêu tồn tại ở dạng nhiều. sửa đổi, mỗi sửa đổi tương ứng sóng bình thường một trật tự nhất định.
Ở ranh giới của tinh thể, các loại chất hoạt động bề mặt có thể tồn tại giống như trong chất rắn đẳng hướng, chỉ có điều chuyển động theo sóng trở nên phức tạp hơn. Đồng thời, tính dị hướng của chất rắn có thể tạo ra một số tính chất nhất định. sự thay đổi cấu trúc sóng. Vì vậy, trên một số mặt phẳng tinh thể có tính áp điện. tính chất, các sóng như sóng Tình yêu, giống như sóng Rayleigh, có thể tồn tại trên một bề mặt tự do (không có sự hiện diện của lớp rắn). Đây là những sóng điện tử tương tự của Gulyaev - Blushtein. Cùng với sóng Rayleigh thông thường, trong một số mẫu tinh thể nhất định, sóng tắt dần có thể truyền dọc theo ranh giới tự do, phát ra năng lượng sâu vào tinh thể (sóng rò rỉ). Cuối cùng, nếu tinh thể có hiệu ứng áp điện và có dòng electron trong đó (tinh thể bán dẫn áp điện), thì có thể xảy ra tương tác giữa sóng bề mặt với electron, dẫn đến sự khuếch đại của các sóng này (xem phần 2). Tương tác âm thanh điện tử).
Chất hoạt động bề mặt đàn hồi không thể tồn tại trên bề mặt tự do của chất lỏng, nhưng ở tần số trong phạm vi siêu âm trở xuống, sóng bề mặt có thể phát sinh ở đó, trong đó các yếu tố quyết định không phải là lực đàn hồi mà là sức căng bề mặt - đây là cái gọi là. sóng mao mạch (xem Sóng trên bề mặt chất lỏng).
Các chất hoạt động bề mặt siêu âm và siêu âm được sử dụng rộng rãi trong công nghệ để kiểm tra không phá hủy toàn diện bề mặt và lớp bề mặt của mẫu (xem phần 2). Phát hiện lỗ hổng), để tạo ra các mạch vi điện tử phục vụ xử lý điện. tín hiệu, v.v. Nếu bề mặt của mẫu rắn là tự do thì sóng Rayleigh được sử dụng. Trong trường hợp mẫu tiếp xúc với chất lỏng, mẫu rắn khác hoặc lớp rắn, sóng Rayleigh được thay thế bằng một loại chất hoạt động bề mặt thích hợp khác.

Sáng.: Landau L.D., Lifshits E.M., Lý thuyết đàn hồi, tái bản lần thứ 4, M., 1987; Viktorov I.A., Cơ sở vật lý của việc sử dụng sóng siêu âm Rayleigh và Lzmba trong công nghệ, M., 1966, ch. 1; ông, Sóng bề mặt âm thanh trong chất rắn, M., 1981; Âm học vật lý, ed. W. Mason, R. Thurston, chuyển. từ tiếng Anh, tập 6, M., 1973, ch. 3; Sóng âm bề mặt, ed. A. Oliner, chuyển giới. từ tiếng Anh, M., 1981.

I. A. Viktorov.

Sóng bề mặt

Một thiết bị SAW điển hình, được sử dụng làm bộ lọc thông dải. Sóng bề mặt được tạo ra ở bên trái bằng cách đặt một điện áp xoay chiều qua các dây dẫn được in. Trong trường hợp này, năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng cơ học. Di chuyển dọc theo bề mặt, sóng cơ học tần số cao thay đổi. Ở bên phải - các rãnh thu nhận tín hiệu và quá trình chuyển đổi ngược năng lượng cơ học thành dòng điện xoay chiều xảy ra thông qua một điện trở tải.

Sóng âm bề mặt(chất hoạt động bề mặt) - sóng đàn hồi truyền dọc theo bề mặt của vật rắn hoặc dọc theo ranh giới với các môi trường khác. Chất hoạt động bề mặt được chia thành hai loại: có phân cực dọc và có phân cực ngang ( Sóng tình yêu).

Các trường hợp đặc biệt phổ biến nhất của sóng bề mặt bao gồm:

  • Sóng Rayleigh(hoặc Rayleigh), theo nghĩa cổ điển, truyền dọc theo ranh giới của nửa không gian đàn hồi trong chân không hoặc môi trường khí khá loãng.
  • ở mặt phân cách rắn-lỏng.
  • Sóng Stoneley
  • Sóng tình yêu- Sóng bề mặt có phân cực ngang (loại SH), có thể lan truyền trong cấu trúc lớp đàn hồi trên nửa không gian đàn hồi.

Sóng Rayleigh

Sóng Rayleigh, được Rayleigh phát hiện về mặt lý thuyết vào năm 1885, có thể tồn tại trong chất rắn gần bề mặt tự do của nó giáp với chân không. Vận tốc pha của các sóng như vậy hướng song song với bề mặt và các hạt của môi trường dao động gần nó có cả thành phần ngang, vuông góc với bề mặt và thành phần dọc của vectơ dịch chuyển. Trong quá trình dao động của chúng, các hạt này mô tả các quỹ đạo hình elip trong mặt phẳng vuông góc với bề mặt và đi qua hướng của vận tốc pha. Mặt phẳng này được gọi là sagittal. Biên độ của dao động dọc và dao động ngang giảm dần theo khoảng cách từ bề mặt vào môi trường theo quy luật hàm mũ với hệ số suy giảm khác nhau. Điều này dẫn đến thực tế là hình elip bị biến dạng và sự phân cực ở xa bề mặt có thể trở thành tuyến tính. Sự xâm nhập của sóng Rayleigh vào độ sâu của ống âm theo thứ tự độ dài của sóng bề mặt. Nếu sóng Rayleigh bị kích thích trong áp điện thì cả bên trong nó và phía trên bề mặt của nó trong chân không sẽ xuất hiện một sóng điện trường chậm gây ra bởi hiệu ứng áp điện trực tiếp.

Được sử dụng trong màn hình cảm ứng với sóng âm bề mặt.

Sóng Rayleigh tắt dần

Sóng loại Rayleigh tắt dần ở bề mặt phân cách rắn-lỏng.

Sóng liên tục có phân cực dọc

Sóng liên tục có phân cực dọc, chạy dọc theo ranh giới của chất lỏng và chất rắn với tốc độ

Sóng Stoneley

Sóng Stoneley, truyền dọc theo mặt phẳng của hai môi trường rắn, mô đun đàn hồi và mật độ của chúng không khác nhau nhiều.

Sóng tình yêu

Liên kết

  • Bách khoa toàn thư vật lý, tập 3 - M.: Bách khoa toàn thư vĩ đại của Nga tr.

Quỹ Wikimedia.

2010.

    Xem “Sóng bề mặt” là gì trong các từ điển khác: Sóng điện từ truyền dọc theo một bề mặt nhất định và có sự phân bố trường E và H giảm khá nhanh theo khoảng cách từ nó đến một phía (PV một phía) hoặc cả hai phía (PV thực). Đơn phương C. v. phát sinh...

    Bách khoa toàn thư vật lý SÓNG BỀ MẶT - (xem), phát sinh trên bề mặt tự do của chất lỏng hoặc lan dọc theo giao diện của hai chất lỏng không thể trộn lẫn dưới tác động của một nguyên nhân bên ngoài (gió, đá ném, v.v.), làm loại bỏ bề mặt khỏi trạng thái cân bằng.. ...

    Bách khoa toàn thư bách khoa lớn sóng bề mặt

    - - Chủ đề ngành dầu khí EN sóng bề mặt ... Sóng truyền dọc theo bề mặt tự do của chất lỏng hoặc tại mặt phân cách của hai chất lỏng không trộn lẫn vào nhau. phát sinh dưới tác động của ngoại lực ảnh hưởng (ví dụ, gió) làm mất bề mặt chất lỏng khỏi trạng thái cân bằng. TRONG… …

    Từ điển bách khoa bách khoa lớn Sóng đàn hồi truyền dọc theo bề mặt tự do của vật rắn hoặc dọc theo ranh giới của vật rắn với các môi trường khác và phân rã theo khoảng cách từ ranh giới đó. Đơn giản nhất và đồng thời thường gặp nhất trong thực tế P. trong ...

    Bách khoa toàn thư vĩ đại của Liên Xô sóng giao thoa bề mặt - - Chuyên đề: ngành dầu khí EN tiếng ồn sóng bề mặt cuộn đất ...

    Hướng dẫn dịch thuật kỹ thuật Sóng điện từ truyền dọc theo một bề mặt nhất định và có sự phân bố trường E và H giảm khá nhanh theo khoảng cách từ nó đến một phía (PV một phía) hoặc cả hai phía (PV thực). Đơn phương C. v. phát sinh...

    - (chất hoạt động bề mặt), sóng đàn hồi truyền dọc theo bề mặt tự do của chất rắn. thân máy hoặc dọc theo viền của TV. vật thể với các phương tiện khác và suy giảm theo khoảng cách từ các ranh giới. Có hai loại chất hoạt động bề mặt: có phân cực dọc, có dao động vectơ. chuyển vị h c……

    Sóng âm bề mặt. Được đặt theo tên Rayleigh, người đã dự đoán chúng về mặt lý thuyết vào năm 1885. Nội dung 1 Mô tả 2 Vật đẳng hướng ... Wikipedia

    Một thiết bị SAW điển hình dựa trên bộ chuyển đổi chống lược được sử dụng làm bộ lọc thông dải. Sóng bề mặt được tạo ra ở bên trái thông qua việc sử dụng điện áp xoay chiều thông qua... Wikipedia

Sách

  • Hiện tượng sóng trong môi trường phân tán, Kuzelev M.V.. Cuốn sách trình bày nhất quán các nguyên tắc cơ bản về vật lý của hiện tượng sóng trong môi trường phân tán, bao gồm cả chất tiêu tán và không cân bằng. Dựa trên các khái niệm về hàm phân tán và phân tán...