Поверхностная волна

Ныряющая поганка создает поверхностные волны.

В физике поверхностная волна — это механическая волна , распространяющаяся вдоль границы раздела различных сред. Типичным примером являются гравитационные волны вдоль поверхности жидкостей, например океанские волны. Гравитационные волны могут возникать и внутри жидкостей, на границе раздела двух жидкостей с разной плотностью. Упругие поверхностные волны могут распространяться по поверхности твердых тел, например Рэлея или Лява волны . Электромагнитные волны также могут распространяться как «поверхностные волны», поскольку они могут направляться вместе с показателя преломления градиентом или вдоль границы раздела между двумя средами, имеющими разные диэлектрические проницаемости. В радиопередаче — это направленная волна , земная волна распространяющаяся вблизи поверхности Земли .

Механические волны

Дополнительная информация: Гравитационная волна.

В сейсмологии встречаются несколько типов поверхностных волн. Поверхностные волны в этом механическом смысле обычно известны как волны Лява (L-волны) или волны Рэлея . Сейсмическая волна — это волна, которая проходит через Землю, часто в результате землетрясения или взрыва. Волны Лява имеют поперечное движение (движение перпендикулярно направлению движения, как световые волны), тогда как волны Рэлея имеют как продольное (движение параллельно направлению движения, как звуковые волны), так и поперечное движение. Сейсмические волны изучаются сейсмологами и измеряются сейсмографом или сейсмометром. Поверхностные волны охватывают широкий диапазон частот, а период наиболее разрушительных волн обычно составляет 10 секунд или дольше. Поверхностные волны могут многократно путешествовать по земному шару от крупнейших землетрясений. Поверхностные волны возникают, когда волны P и S выходят на поверхность.

Примерами являются волны на поверхности воды и воздуха ( поверхностные волны океана ). Другой пример — внутренние волны , которые могут передаваться по границе раздела двух водных масс разной плотности.

В теории физиологии слуха бегущая волна (БВ) фон Бекеши возникает в результате акустической поверхностной волны базилярной мембраны, попадающей в улитковый канал . Его теория стремилась объяснить каждую особенность слухового ощущения благодаря этим пассивным механическим явлениям. Йозеф Цвислоцкий, а затем Дэвид Кемп показали, что это нереально и что необходима активная обратная связь.

Электромагнитные волны

Дополнительная информация: Земляная волна.

Земные волны — это радиоволны, распространяющиеся параллельно поверхности Земли и прилегающей к ней, следуя кривизне Земли . Эта радиационная земная волна известна как поверхностная волна Нортона или, точнее, земная волна Нортона , поскольку земные волны при распространении радиосигналов не ограничиваются поверхностью.

Другим типом поверхностных волн является безызлучательная поверхностная волна Ценнека связанной моды или поверхностная волна Ценнека – Зоммерфельда . Земля имеет один показатель преломления, а атмосфера — другой, образуя таким образом интерфейс , поддерживающий передачу направленной волны Ценнека. Другими типами поверхностных волн являются захваченные поверхностные волны , и скользящая волна поверхностные волны Дьяконова (ПВВ), распространяющиеся на границе раздела прозрачных материалов различной симметрии. Помимо этого, различные типы поверхностных волн были изучены на оптических длинах волн.

Теория микроволнового поля

В рамках теории микроволнового поля граница раздела диэлектрика и проводника поддерживает «передачу поверхностных волн». Поверхностные волны изучались как часть линий передачи , и некоторые из них можно рассматривать как однопроводные линии передачи .

Характеристики и применение явления электрических поверхностных волн включают:

• Полевые . компоненты волны уменьшаются по мере удаления от границы раздела
• Электромагнитная энергия не преобразуется из поля поверхностных волн в другую форму энергии (за исключением поверхностных волн с утечкой или с потерями). так что волна не передает мощность нормально к границе раздела, т. е. она мимолетна в этом измерении.
• В коаксиальном кабеле помимо режима ТЕМ существует еще поперечно-магнитный (ТМ) режим. которая распространяется как поверхностная волна в области вокруг центрального проводника. Для коаксиала с общим импедансом эта мода эффективно подавляется, но в коаксиале с высоким импедансом и на одном центральном проводнике без внешнего экрана поддерживается низкое затухание и очень широкополосное распространение. Работа линии передачи в этом режиме называется E-Line .

Поверхностный плазмон поляритон

Электронное поле поверхностного плазмон-поляритона на границе раздела серебро-воздух на частоте, соответствующей длине волны в свободном пространстве 10 мкм. На этой частоте серебро ведет себя примерно как идеальный электрический проводник , а SPP называется волной Зоммерфельда-Ценнека с почти той же длиной волны, что и длина волны в свободном пространстве.

Поверхностный плазмон-поляритон (ППП) представляет собой электромагнитную поверхностную волну , которая может распространяться вдоль границы раздела двух сред с разными диэлектрическими проницаемостями. Оно существует при условии, что диэлектрическая проницаемость одного из материалов образующая границу раздела отрицательна, а другая положительна, как в случае границы между воздухом и проводящей средой с потерями ниже плазменной частоты . Волна распространяется параллельно границе раздела и затухает экспоненциально вертикально к ней (свойство, называемое затуханием). Поскольку волна находится на границе проводника с потерями и второй среды, эти колебания могут быть чувствительны к изменениям границы, например, к адсорбции молекул проводящей поверхностью.

Поверхностная волна Зоммерфельда – Ценнека.

Волна Зоммерфельда -Ценнека или волна Ценнека представляет собой безызлучательную направленную электромагнитную волну , которая поддерживается плоской или сферической границей раздела между двумя однородными средами, имеющими разные диэлектрические проницаемости. Эта поверхностная волна распространяется параллельно границе раздела и затухает экспоненциально вертикально к ней (свойство, известное как затухание). Он существует при условии, что диэлектрическая проницаемость одного из материалов, образующих интерфейс, отрицательна, а другого положительна, как, например, граница раздела между воздухом и проводящей средой с потерями, такой как наземная линия передачи, ниже плазменной частоты . Напряженность его электрического поля падает со скоростью e ^-αд /√d в направлении распространения вдоль границы раздела из-за двумерного геометрического расширения поля со скоростью 1/√d в сочетании с частотно-зависимым экспоненциальным затуханием (α), которое представляет собой диссипацию наземной линии передачи, где α зависит от проводимости среды. Возникшая в результате оригинального анализа Арнольдом Зоммерфельдом и Джонатаном Ценнеком проблемы распространения волн по земле с потерями, она существует как точное решение уравнений Максвелла . Поверхностная волна Ценнека, которая представляет собой неизлучающую моду направленной волны, может быть получена с помощью преобразования Ханкеля радиального земного тока, связанного с реалистичным наземным источником поверхностных волн Ценнека. Поверхностные волны Зоммерфельда-Ценнека предсказывают, что энергия убывает по мере того, как R ⁻¹ потому что энергия распределяется по окружности круга, а не по поверхности сферы. Данные не показывают, что при распространении радиокосмических волн поверхностные волны Зоммерфельда-Ценнека являются одним из способов распространения, поскольку показатель потерь на трассе обычно составляет от 20 дБ/декабрь до 40 дБ/декабрь.

См. также

• Сейсмические волны
• Сейсмическая связь
• P-волны
• S-волны
• Поверхностная акустическая волна
• Небесные волны , основное средство передачи ВЧ.
• Поверхностный плазмон — продольная волна зарядовой плотности вдоль границы раздела проводящей и диэлектрической сред.
• Режим поверхностных волн — распространение поверхностных электромагнитных волн.
• Затухающие волны и связь затухающих волн
• Поверхностные волны океана , внутренние волны и гребни , дисперсия и волны-убийцы.
• Волна Любви и волна Рэлея – Лэмба
• Гравитационные волны возникают на определенных естественных границах раздела (например, атмосфера и океан).
• Волна Стоунли
• Волна Шольте
• Поверхностная волна Дьяконова

Люди

• Арнольд Зоммерфельд - опубликовал математический трактат о волне Ценнека.
• Джонатан Ценнек – ученик Зоммерфельда; Пионер беспроводной связи; разработал волну Ценнека
• Джон Стоун Стоун – пионер беспроводной связи; создал теории распространения радиоволн

Другой

• Постоянные Земли , электрические параметры Земли
• Ближнее и дальнее поле — излучаемое поле, находящееся в пределах четверти длины волны от дифрагирующей кромки или антенны и за ее пределами.
• Скин-эффект — тенденция переменного электрического тока распространяться внутри проводника так, что плотность тока вблизи поверхности проводника превышает плотность тока в его сердцевине.
• Инверсия поверхностных волн
• Функция Грина — функция, используемая для решения неоднородных дифференциальных уравнений с учетом граничных условий.

Дальнейшее чтение

Стандарты и доктрины

• « Поверхностная волна. Архивировано 3 сентября 2017 г. в Wayback Machine ». Глоссарий телекоммуникаций 2000, Комитет ATIS T1A1, Производительность и обработка сигналов, T1.523–2001.
• « Поверхностная волна », Федеральный стандарт 1037С .
• « Поверхностная волна », MIL-STD-188
• « Мультисервисная тактика, методы и процедуры для высокочастотного автоматического установления соединения (HF-ALE) : FM 6-02.74; MCRP 3–40.3E; NTTP 6-02.6; AFTTP(I) 3-2.48; COMDTINST M2000 .7 » сентябрь 2003 г.

Книги

• Барлоу, Х.М., и Браун, Дж., «Поверхностные радиоволны», Oxford University Press, 1962.
• Бадден, К.Г., « Радиоволны в ионосфере; математическая теория отражения радиоволн от стратифицированных ионизированных слоев ». Кембридж, Англия, University Press, 1961. LCCN 61016040 /L/r85.
• Бадден, К.Г., « Теория волноводного режима распространения волн ». Лондон, Логос Пресс; Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, Прентис-Холл, 1961 год. LCCN 62002870 /Л
• Бадден, К.Г., « Распространение радиоволн: теория радиоволн малой мощности в ионосфере и магнитосфере ». Кембридж (Кембриджшир); Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета, 1985. ISBN   0-521-25461-2 LCCN 84028498
• Коллин, Р.Э., « Теория поля направленных волн ». Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press, 1990.
• Фоти С., Лай К.Г., Рикс Г.Дж. и Строббия К., «Методы поверхностных волн для определения характеристик приповерхностных участков», CRC Press, Бока-Ратон, Флорида (США), 487 стр., ISBN   9780415678766 , 2014 г. < https://www.crcpress.com/product/isbn/9780415678766 >
• Зоммерфельд А., «Уравнения с частными производными в физике» (английская версия), Academic Press Inc., Нью-Йорк, 1949, глава 6 – «Проблемы радио».
• Поло-младший Дж.А., Маккей Т.Г. и Лахтакия А. « Электромагнитные поверхностные волны: современная перспектива ». Уолтем, Массачусетс, США: Elsevier, 2013 < https://www.elsevier.com/books/electroMagnetic-surface-waves/polo/978-0-12-397024-4 >.
• Рауэр, К., « Распространение волн в ионосфере », Дордрехт, Kluwer Acad.Publ. 1993.
• Зоммерфельд А., «Уравнения с частными производными в физике» (английская версия), Academic Press Inc., Нью-Йорк, 1949, глава 6 – «Проблемы радио».
• Вайнер, Мелвин М., « Монопольные антенны », Нью-Йорк, Марсель Деккер, 2003. ISBN   0-8247-0496-7
• Уэйт, младший, « Теория электромагнитных волн », Нью-Йорк, Харпер и Роу, 1985.
• Подождите, младший, « Волны в стратифицированных медиа ». Нью-Йорк: Пергамон, 1962.
• Уолдрон, Ричард Артур, « Теория направленных электромагнитных волн ». Лондон, Нью-Йорк, Ван Ностранд Рейнхольд, 1970 год. ISBN   0-442-09167-2 LCCN 69019848 //r86
• Вайнер, Мелвин М., « Монопольные антенны », Нью-Йорк, Марсель Деккер, 2003. ISBN   0-8247-0496-7

Журналы и статьи

Ценнек, Зоммерфельд, Нортон и Губо

• Ж. Зеннек, (переводчики: П. Бланшен, Ж. Герар, Э. Пико), « Точность беспроволочной телеграфии: дополнение к работе: Электромагнитные колебания и беспроволочная телеграфия », Париж: Готье-Виллар, 1911 viii, 385 с. : больной.; 26 см. ( Тр . «Точности беспроволочной телеграфии: дополнение к работе: Электромагнитные колебания и беспроволочная телеграфия».)
• Дж. Зеннек, « О распространении плоских электромагнитных волн вдоль плоской поверхности проводника и его связи с беспроводной телеграфией », Annals of Physics, vol. 23, стр. 846–866, сентябрь 1907 г. ( Тр . «О распространении плоских электромагнитных волн вдоль плоскости проводника и их связи с беспроволочной телеграфией».)
• Дж. Ценнек, « Электромагнитные колебания и беспроводная телеграфия », Гарт, Ф. Энке, 1905. xxvii, 1019 стр. : больной.; 24см. (Тр . «Электромагнитные колебания и беспроволочная телеграфия».)
• Дж. Зеннек, (переводчик: А. Э. Силиг) « Беспроводная телеграфия », Нью-Йорк [и др.] McGraw-Hill Book Company, Inc., 1-е изд. 1915. хх, 443 с. илл., диагр. 24 см. LCCN 15024534 ( изд . «Библиография и заметки по теории», стр. 408–428.)
• Зоммерфельд А., « О распространении электродинамических волн по проводу », Анн. физики и химии, вып. 67, стр. 233–290, декабрь 1899 г. ( Тр . «Распространение электродинамических волн вдоль цилиндрического проводника».)
• А. Зоммерфельд, « О распространении волн в беспроводной телеграфии », Annals of Physics, Vol. 28, стр. 665–736, март 1909 г. ( Тр . «О распространении волн в беспроволочном телеграфе».)
• Зоммерфельд А. Распространение волн в беспроволочной телеграфии . Анн. Физика, вып. 81, стр. 1367–1153, 1926.
• К. А. Нортон, Распространение радиоволн над поверхностью Земли и в верхних слоях атмосферы , Тез. ИРЭ, том. 24, стр. 1367–1387, 1936.
• Нортон К. А. Расчеты напряженности поля земных волн над сферической землей с конечной проводимостью // Тр. ИРЭ, том. 29, стр. 623–639, 1941.
• Г. Губо, « Поверхностные волны и их применение в линиях передачи », J. Appl. Физика, вып. 21, стр. 1119–1128; Ноябрь 1950 года.
• Губау Г., «О поверхностной волне Ценнека», ( Тр . «О поверхностной волне Ценнека» ). Журнал прикладной физики, т. 3, 1951, Nos. 3/4, стр. 103–107.

Ждать

• Уэйт, младший, « Боковые волны и новаторские исследования покойного Кеннета А. Нортона ».
• Уэйт, Дж. Р. и Д. А. Хилл, « Возбуждение ВЧ поверхностной волны вертикальными и горизонтальными апертурами ». Radio Science, 14, 1979, стр. 767–780.
• Уэйт, Дж. Р. и Д. А. Хилл, « Возбуждение поверхностной волны Ценнека вертикальной апертурой », Radio Science, Vol. 13, № 6, ноябрь – декабрь 1978 г., стр. 969–977.
• Подождите, Дж. Р., « Заметки о поверхностных и наземных волнах », IEEE Transactions on Antennas and Propagation, ноябрь 1965 г. Vol. 13, выпуск 6, стр. 996–997. ISSN   0096-1973
• Подождите, Дж. Р., « Древняя и современная история распространения электромагнитных земных волн ». Распространение антенн IEEE. Маг., вып. 40, стр. 7–24, октябрь 1998 г.
• Подождите, Дж. Р., « Приложение C: К теории распространения земных волн по слегка шероховатой изогнутой земле », «Электромагнитное зондирование в геофизике ». Боулдер, Колорадо, Голем, 1971, стр. 37–381.
• Уэйт, Дж. Р., « Электромагнитные поверхностные волны », «Достижения в области радиоисследований» , 1, Нью-Йорк, Academic Press, 1964, стр. 157–219.

Другие

• Р.Э. Коллин, « Диполь Герца, излучающий над потерянной Землей или морем: некоторые споры начала и конца 20-го века », журнал Antennas and Propagation Magazine, 46, 2004, стр. 64–79.
• Ф. Дж. Цукер, « Антенны на поверхностных волнах и возбуждающие решетки на поверхностных волнах », Справочник по проектированию антенн, 2-е изд., Р. К. Джонсон и Х. Джасик, ред. Нью-Йорк: МакГроу-Хилл, 1984.
• Ю. Кистович В., " Возможность наблюдения поверхностных волн Ценнека в излучении источника с малой вертикальной апертурой ", Советская физико-техническая физика, Том. 34, № 4, апрель 1989 г., стр. 391–394.
• V. I. Baĭbakov, V. N. Datsko, Yu. V. Kistovich, " Experimental discovery of Zenneck's surface electromagnetic waves ", Sov Phys Uspekhi, 1989, 32 (4), 378–379.
• Корум, К.Л. и Дж.Ф. Корум, « Поверхностная волна Ценнека », Никола Тесла, наблюдения за молниями и стационарные волны, Приложение II . 1994.
• М. Дж. Кинг и Дж. К. Уилтс, « Распространение поверхностных волн на металлических проволоках с покрытием или без покрытия на миллиметровых волнах ». Дж. Прил. Физика, вып. 21, стр. 1119–1128; ноябрь,
• MJ King и JC Wiltse, « Распространение поверхностных волн на диэлектрическом стержне электрического поперечного сечения ». Electronic Communications, Inc., Tirnonium: kld. наук. Ответ.'Нет. 1, Контракт AFCKL № AF 19(601)-5475; Август 1960 года.
• Т. Кахан и Г. Эккарт, « Об электромагнитной поверхностной волне Зоммерфельда », Phys. Откровение 76, 406–410 (1949).

Другие СМИ

• Л.А. Островский (ред.), " Лабораторное моделирование и теоретические исследования модуляции поверхностных волн движущейся сферой ", м., Лаборатории исследований океана и атмосферы, 2002. ОСЛК   50325097

Внешние ссылки

• Фейнмановские лекции по физике: Поверхностные волны
• Эрик В. Вайсштейн и др., « Поверхностная волна », «Мир физики Эрика Вайсштейна», 2006.
• Дэвид Рейсс, « Электромагнитные поверхностные волны ». Чистый прогресс физики: специальные отчеты, № 1
• Гэри Петерсон, « Открытие волны Ценнека заново ». Линия подачи № 4. ( ред . репродукция доступна в Интернете в 21st Century Books)
• 3D Waves от Джесси Ночеллы на основе программы Стивена Вольфрама , Wolfram Demonstrations Project .
• Хендри, Дженис (2009). «ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ: ЧТО ОНИ? ПОЧЕМУ ОНИ ИНТЕРЕСНЫ?» (PDF) . ОБЩЕСТВО ВООРУЖЕНИЯ РФ И СВЧ . Roke Manor Research Ltd. Проверено 24 декабря 2023 г.