Поверхневі акустичні хвилі 1
Глосарій з фізики
Поверхневі акустичні хвилі (ПАР) - пружні хвилі, що поширюються уздовж вільної поверхні твердого тіла або уздовж кордону твердого тіла з ін. Середовищами і затухаючі при видаленні від кордонів. ПАР бувають двох типів: з вертикальною поляризацією. у яких брало вектор колебат. зміщення частинок середовища в хвилі розташований в площині, перпендикулярній до граничної поверхні (вертикальна площина), і з горизонтальною поляризацією, у яких брало вектор зміщення частинок середовища паралельний граничної поверхні і перпендикулярний до напрямку поширення хвилі.
Найпростішими і наиб. часто зустрічаються на практиці ПАР з вертикальною поляризацією є Релея хвилі, що поширюються уздовж кордону твердого тіла з вакуумом або досить розрідженій газовим середовищем. Енергія їх локалізована в поверхневому шарі товщиною від до де - довжина хвилі. Частинки в хвилі рухаються по еліпсам, велика піввісь w яких брало перпендикулярна кордоні, а мала і - паралельна напрямку поширення хвилі (рис. А). Фазова швидкість хвиль Релея ck 0,9ct. де ct - фазова швидкість плоскої поперечної хвилі.
Схематичне зображення поверхневих хвиль різного типу (суцільний штрихуванням позначені тверді середовища, переривчастої - рідина; х - напрям поширення хвилі; і, v і w - компоненти зміщення частинок в даному середовищі; криві змальовують приблизний хід зміни амплітуди зміщень з видаленням від кордону розділу середовищ) : а - хвиля Релея на вільній кордоні твердого тіла; б - загасаюча хвиля типу релєєвськой на кордоні тверде тіло - рідина (похилі лінії в рідкому середовищі зображують хвильові фронти відходить хвилі, товщина їх пропорційна амплітуді зсувів); в - незатухаюче поверхнева хвиля на кордоні тверде тіло - рідина; г - хвиля Стоунлі на кордоні розділу двох твердих середовищ; д - хвиля Лява на кордоні тверде полупространство - твердий шар.
Якщо тверде тіло межує з рідиною і швидкість звуку в рідині сж менше швидкості ck в твердому тілі (це справедливо майже для всіх реальних середовищ), то на кордоні твердого тіла і рідини можливе поширення загасаючої хвилі релєєвського типу. Ця хвиля при поширенні безперервно випромінює енергію в рідину, утворюючи в ній відходить від кордону неоднорідну хвилю (рис. 6). Фазова швидкість даної ПАР з точністю до відсотків дорівнює ck. а коеф. загасання на довжині хвилі
0,1, т. Е. На шляху хвиля загасає приблизно в е раз. Розподіл по глибині зсувів і напруг в такій хвилі в твердому тілі подібно розподілу в релєєвськой хвилі.
Крім загасаючої ПАР, на кордоні рідини і твердого тіла завжди існує незатухаюче ПАР, що біжить уздовж кордону з фазової швидкістю, меншою швидкості сж хвилі в рідині і швидкостей поздовжніх cl і поперечних ct хвиль в твердому тілі. Ця ПАР, будучи хвилею з вертикальною поляризацією, має зовсім інші структуру і швидкість, ніж релєєвського хвиля. Вона складається з слабо неоднорідною хвилі в рідині, амплітуда к-рій повільно убуває при видаленні від кордону (рис. В), і двох сильно неоднорідних волі в твердому тілі (поздовжньої і поперечної). Завдяки цьому енергія хвилі і рух частинок локалізовані в основному в рідини, а не в твердому тілі. У практиці подібний тип хвилі використовується рідко.
Якщо дві тверді середовища межують між собою вздовж площини і їх щільності і модулі пружності не сильно розрізняються, то вздовж кордону може поширюватися ПАР Стоунлі (рис. Г). Ця хвиля складається ніби з двох релєєвського хвиль (по одній в кожному середовищі). Вертикальна і горизонтальна компоненти зсувів в кожному середовищі зменшуються при видаленні від кордону так, що енергія хвилі виявляється зосередженою в двох граничних шарах товщиною
Фазова швидкість хвиль Стоунлі менше значень Сl і сt в обох граничних середовищах.
Хвилі з вертикальною поляризацією можуть поширюватися на кордоні твердого півпростору з рідким або твердим шаром або навіть з системою таких шарів. Якщо товщина шарів багато менше довжини хвилі, то рух в півпросторі приблизно таке ж, як в релєєвськой хвилі, а фазова швидкість ПАР близька до ck. У загальному випадку рух може бути таким, що енергія хвилі буде перерозподілятися між твердим півпростором і шарами, а фазова швидкість буде залежати від частоти і товщі шарів (див. Дисперсія звуку).
Крім ПАР з вертикальною поляризацією (в основному це хвилі релєєвського типу) існують хвилі з горизонтальною поляризацією (хвилі Лява), к-які можуть поширюватися на кордоні твердого півпростору з твердим шаром (рис. Д). Це хвилі чисто поперечні: в них є тільки одна компонента зсуву v. а пружна деформація в хвилі являє собою чистий зсув. Зміщення в шарі (індекс 1) і в півпросторі (індекс 2) описуються слід. виразами:
де t - час, - кругова частота,
k- хвильове число хвилі Лява, ct 1 ct 2 - хвильові числа поперечних хвиль в шарі і напівпросторі відповідно, h - товщина шару, А - довільна постійна. З виразів для v1 і v2 видно, що зміщення в шарі розподілені по косинусу, а в півпросторі - експоненціально зменшуються з глибиною. Глибина проникнення хвилі в полупространство змінюється від часток до багатьох залежно від товщини шару h. частоти і параметрів середовищ. Саме існування хвилі Лява як ПАР пов'язано з наявністю шару на півпросторі: при h 0 глибина проникнення хвилі в полупространство прагне до нескінченності і хвиля переходить в об'ємну. Фазова швидкість з хвиль Лява укладена в межах між фазовими швидкостями поперечних хвиль в шарі і напівпросторі ct l <с де - щільності шару і півпростору відповідно, З ур-ня видно, що хвилі Лява розповсюджуються з дисперсією: їх фазова швидкість залежить від частоти. При малих товщинах шару, колись. е. фазова швидкість хвилі Лява прагне до фазової швидкості об'ємної поперечної хвилі в півпросторі. При хвилі Лява існують у вигляді дек. модифікацій, кожна з яких брало відповідає нормальній хвилі певного порядку. Чи знаєте Ви, низькочастотні електромагнітні хвилі частотою менше 100 КГц докорінно відрізняються від більш високих частот падінням швидкості електромагнітних хвиль пропорційно кореню квадратному їх частоти від 300 тис. Км / с при 100 кГц до приблизно 7 тис км / с при 50 Гц.
На кордонах кристалів можуть існувати все ті ж типи ПАР, що і в ізотропних твердих тілах, тільки рух в хвилях ускладнюється. Разом з тим анізотропія твердого тіла може вносити нек-риє якостей. зміни в структуру хвиль. Так, на деяких площинах кристалів, що володіють пьезоелектріч. властивостями, хвилі типу хвиль Лява, як хвиля Релея, можуть існувати иа вільної поверхні (без присутності твердого шару). Це т. П. Електрозвуковие хвилі Гуляєва - Блюштейн. Поряд зі звичайними хвилями Релея в деяких зразках кристалів уздовж вільної кордону може поширюватися загасаюча хвиля, яка випромінює енергію в глиб кристала (що випливає хвиля). Нарешті, якщо кристал має п'єзоефектом і в ньому є потік електронів (пьезополупроводніковий кристал), то можлива взаємодія поверхневих хвиль з електронами, що приводить до посилення цих хвиль (див. Акустоелектронні взаємодія).
На вільній поверхні рідини пружні ПАР існувати не можуть, але на частотах УЗ-діапазону і нижче там можуть виникати поверхневі хвилі, в яких брало визначальними не є пружні сили, а поверхневий натяг - це т. Зв. капілярні хвилі (див. Хвилі на поверхні рідини).
Ультра-і гіперзвукові ПАР широко використовуються в техніці для всебічного неруйнівного контролю поверхні і поверхневого шару зразка (див. Дефектоскопія), для створення мікроелектронних схем обробки елект. сигналів і т. д. Якщо поверхня твердого зразка вільна, то застосовуються релєєвського хвилі. У тих випадках, коли зразок знаходиться в контакті з рідиною, з ін. Твердим зразком або твердим шаром, релєєвського хвилі замінюються іншим відповідним типом ПАР.Література по поверхневим акустичним хвилям
Схожі статті