Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПОВЕРХНОСТНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ

ПОВЕРХНОСТНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ

ПОВЕРХНОСТНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ (ПАВ)- упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхноститвёрдого тела или вдоль границы твёрдого тела с др. средами и затухающиепри удалении от границ. ПАВ бывают двух типов: с вертикальной поляризацией, <у к-рых вектор колебат. смещения частиц среды в волне расположен в плоскости, <перпендикулярной к граничной поверхности (вертикальная плоскость), и сгоризонтальной поляризацией, у к-рых вектор смещения частиц среды параллеленграничной поверхности и перпендикулярен направлению распространения волны.

Простейшими и наиб. часто встречающимисяна практике ПАВ с вертикальной поляризацией являются Рэлея волны, распространяющиесявдоль границы твёрдого тела с вакуумом или достаточно разреженной газовойсредой. Энергия их локализована в поверхностном слое толщиной от до где - длина волны. Частицы в волне движутся по эллипсам, большая полуось . к-рыхперпендикулярна границе, а малая и - параллельна направлению распространенияволны (рис., а). Фазовая скорость волн Рэлея c_k0,9c_t,где c_t - фазовая скорость плоской поперечной волны.

Схематическое изображение поверхностныхволн различного типа (сплошной штриховкой обозначены твёрдые среды, прерывистой- жидкость; х- направление распространения волны; и, v и w - компоненты смещения частиц в данной среде; кривые изображаютпримерный ход изменения амплитуды смещений с удалением от границы разделасред): а - волна Рэлея на свободной границе твёрдого тела; б- затухающая волна типа рэлеевской на границе твёрдое тело - жидкость (наклонныелинии в жидкой среде изображают волновые фронты отходящей волны, толщинаих пропорциональна амплитуде смещений); в- незатухающая поверхностнаяволна на границе твёрдое тело - жидкость; г- волна Стоунли на границераздела двух твёрдых сред; д- волна Лява на границе твёрдое полупространство- твёрдый слой.

Если твёрдое тело граничит с жидкостьюи скорость звука в жидкости с _ж меньше скорости c_k втвёрдом теле (это справедливо почти для всех реальных сред), то на границетвёрдого тела и жидкости возможно распространение затухающей волны рэлеевскоготипа. Эта волна при распространении непрерывно излучает энергию в жидкость, <образуя в ней отходящую от границы неоднородную волну (рис.,6). Фазоваяскорость данной ПАВ с точностью до процентов равна c_k, а коэф. затухания на длине волны ~ 0,1, т. е. на пути волна затухает примерно в е раз. Распределение по глубине смещенийи напряжений в такой волне в твёрдом теле подобно распределению в рэлеевскойволне.

Помимо затухающей ПАВ, на границе жидкостии твёрдого тела всегда существует незатухающая ПАВ, бегущая вдоль границыс фазовой скоростью, меньшей скорости с _ж волны в жидкости искоростей продольных c_l и поперечных c_t волнв твёрдом теле. Эта ПАВ, являясь волной с вертикальной поляризацией, имеетсовершенно другие структуру и скорость, чем рэлеевская волна. Она состоитиз слабо неоднородной волны в жидкости, амплитуда к-рой медленно убываетпри удалении от границы (рис., в), и двух сильно неоднородных волив твёрдом теле (продольной и поперечной). Благодаря этому энергия волныи движение частиц локализованы в основном в жидкости, а не в твёрдом теле. <В практике подобный тип волны используется редко.

Если две твёрдые среды граничат междусобой вдоль плоскости и их плотности и модули упругости не сильно различаются, <то вдоль границы может распространяться ПАВ Стоунли (рис., г). Эта волнасостоит как бы из двух рэлеевских волн (по одной в каждой среде). Вертикальнаяи горизонтальная компоненты смещений в каждой среде убывают при удаленииот границы так, что энергия волны оказывается сосредоточенной в двух граничныхслоях толщиной ~Фазовая скорость волн Стоунли меньше значений с _l и с _t вобеих граничных средах.

Волны с вертикальной поляризацией могутраспространяться на границе твёрдого полупространства с жидким или твёрдымслоем или даже с системой таких слоев. Если толщина слоев много меньшедлины волны, то движение в полупространстве примерно такое же, как в рэлеевскойволне, а фазовая скорость ПАВ близка к c_k . В общем случае движениеможет быть таким, что энергия волны будет перераспределяться между твёрдымполупространством и слоями, а фазовая скорость будет зависеть от частотыи толщи слоев (см. Дисперсия звука).

Кроме ПАВ с вертикальной поляризацией(в основном это волны рэлеевского типа) существуют волны с горизонтальнойполяризацией (волны Лява), к-рые могут распространяться на границе твёрдогополупространства с твёрдым слоем (рис., д). Это волны чисто поперечные:в них имеется только одна компонента смещения v, а упругая деформацияв волне представляет собой чистый сдвиг. Смещения в слое (индекс 1) и вполупространстве (индекс 2) описываются след. выражениями:

где t - время,- круговая частота,

k - волновое число волны Лява, c_t1c_t2 - волновые числа поперечных волн в слое и полупространствесоответственно,h - толщина слоя, А - произвольная постоянная. <Из выражений для v₁ и v₂ видно, чтосмещения в слое распределены по косинусу, а в полупространстве - экспоненциальноубывают с глубиной. Глубина проникновения волны в полупространство меняетсяот долей до многих в зависимости от толщины слоя h, частоты и параметров сред. Само существование волны Лява как ПАВ связано с наличиемслоя на полупространстве: при h0глубина проникновения волны в полупространство стремится к бесконечностии волна переходит в объёмную. Фазовая скорость с волн Лява заключенав пределах между фазовыми скоростями поперечных волн в слое и полупространстве c_tl< с< c_t2 и определяется из ур-ния

где - плотности слоя и полупространства соответственно,Из ур-ния видно, что волны Лява распространяются с дисперсией: их фазоваяскорость зависит от частоты. При малых толщинах слоя, когда т. <е. фазовая скорость волны Лява стремится к фазовой скорости объёмной поперечнойволны в полупространстве. При волны Лява существуют в виде неск. модификаций, каждая из к-рых соответствует нормальнойволне определённого порядка.

На границах кристаллов могут существоватьвсё те же типы ПАВ, что и в изотропных твёрдых телах, только движение вволнах усложняется. Вместе с тем анизотропия твёрдого тела может вноситьнек-рые качеств. изменения в структуру волн. Так, на нек-рых плоскостяхкристаллов, обладающих пьезоэлектрич. свойствами, волны типа волн Лява, <подобно волнам Рэлея, могут существовать иа свободной поверхности (безприсутствия твёрдого слоя). Это т. п. электрозвуковые волны Гуляева - Блюштейна. <Наряду с обычными волнами Рэлея в нек-рых образцах кристаллов вдоль свободнойграницы может распространяться затухающая волна, излучающая энергию в глубькристалла (вытекающая волна). Наконец, если кристалл обладает пьезоэффектоми в нём есть поток электронов (пьезополупроводниковый кристалл), то возможновзаимодействие поверхностных волн с электронами, приводящее к усилениюэтих волн (см. Акустоэлектронное взаимодействие).

На свободной поверхности жидкости упругиеПАВ существовать не могут, но на частотах УЗ-диапазона и ниже там могутвозникать поверхностные волны, в к-рых определяющими являются не упругиесилы, а поверхностное натяжение - это т. н. капиллярные волны (см. Волнына поверхности жидкости).

Ультра- и гиперзвуковые ПАВ широко используютсяв технике для всестороннего неразрушающего контроля поверхности и поверхностногослоя образца (см. Дефектоскопия), для создания микроэлектронныхсхем обработки электрич. сигналов и т. д. Если поверхность твёрдого образцасвободная, то применяются рэлеевские волны. В тех случаях, когда образецнаходится в контакте с жидкостью, с др. твёрдым образцом или твёрдым слоем, <рэлеевские волны заменяются другим соответствующим типом ПАВ.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.,Теория упругости, 4 изд., М., 1987; Викторов И. А., Физические основы примененияультразвуковых волн Рэлея и Лзмба в технике, М., 1966, гл. 1; его же, Звуковыеповерхностные волны в твёрдых телах, М., 1981; Физическая акустика, подред. У. Мэзона, Р. Терстона, пер. с англ., т. 6, М., 1973, гл. 3; Поверхностныеакустические волны, под ред. А. Олинера, пер. с англ., М., 1981.

И. А. Викторов.