Поверхностные акустические волны. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Поверхностные акустические волны (ПАВ) - упругие волны ,распространяющиеся вдоль свободной поверхности твёрдого тела или вдоль границы твёрдого тела с др. средами и затухающие при 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 с горизонтальной поляризацией, у к-рых вектор смещения частиц среды параллелен граничной поверхности и перпендикулярен направлению распространения волны.
Простейшими и наиб. часто встречающимися на практике ПАВ с вертикальной поляризацией являются Рэлея волны ,распространяющиеся вдоль границы твёрдого тела с вакуумом или достаточно разреженной газовой средой. Энергия их локализована в поверхностном слое толщиной от

до

где

- длина волны. Частицы в волне движутся по эллипсам, большая полуось w к-рых перпендикулярна границе, а малая и - параллельна направлению распространения волны (рис., а). Фазовая скорость волн Рэлея c_k0,9c_t, где c_t - фазовая скорость плоской поперечной волны.

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

Если твёрдое тело граничит с жидкостью и скорость звука в жидкости с_ж меньше скорости c_kв твёрдом теле (это справедливо почти для всех реальных сред), то на границе твёрдого тела и жидкости возможно распространение затухающей волны рэлеевского типа. Эта волна при распространении непрерывно излучает энергию в жидкость, образуя в ней отходящую от границы неоднородную волну (рис., 6). Фазовая скорость 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 смещений и напряжений в такой волне в твёрдом теле подобно распределению в рэлеевской волне.
Помимо затухающей ПАВ, на границе жидкости и твёрдого тела всегда существует незатухающая ПАВ, бегущая вдоль границы с фазовой скоростью, меньшей скорости с_ж волны в жидкости и скоростей продольных c_l и поперечных c_tволн в твёрдом теле. Эта ПАВ, являясь волной с вертикальной поляризацией, имеет совершенно другие структуру и скорость, чем рэлеевская волна. Она состоит из слабо неоднородной волны в жидкости, амплитуда к-рой медленно убывает при удалении от границы (рис., в), и двух сильно неоднородных воли в твёрдом теле (продольной и поперечной). Благодаря этому энергия волны и движение частиц локализованы в основном в жидкости, а не в твёрдом теле. В практике подобный тип волны используется редко.
Если две твёрдые среды граничат между собой вдоль плоскости и их плотности и модули упругости не сильно различаются, то вдоль границы может распространяться ПАВ Стоунли (рис., г). Эта волна состоит как бы из двух рэлеевских волн (по одной в каждой среде). Вертикальная и горизонтальная компоненты смещений в каждой среде убывают при удалении от границы так, что энергия волны оказывается сосредоточенной в двух граничных слоях толщиной ~

Фазовая скорость волн Стоунли меньше значений с_l и с_tв обеих граничных средах.
Волны с вертикальной поляризацией могут распространяться на границе твёрдого полупространства с жидким или твёрдым слоем или даже с системой таких слоев. Если толщина слоев много меньше длины волны, то движение в полупространстве примерно такое же, как в рэлеевской волне, а фазовая скорость ПАВ близка к c_k . В общем случае движение может быть таким, что энергия волны будет перераспределяться между твёрдым полупространством и слоями, а фазовая скорость будет зависеть от частоты и толщи слоев (см. Дисперсия звука).
Кроме ПАВ с вертикальной поляризацией (в основном это волны рэлеевского типа) существуют волны с горизонтальной поляризацией (волны Лява), к-рые могут распространяться на границе твёрдого полупространства с твёрдым слоем (рис., д). Это волны чисто поперечные: в них имеется только одна компонента смещения v, а упругая деформация в волне представляет собой чистый сдвиг. Смещения в слое (индекс 1) и в полупространстве (индекс 2) описываются след. выражениями:

k - волновое число волны Лява, c_t1 c_t2 - волновые числа поперечных волн в слое и полупространстве соответственно, h - толщина слоя, А - произвольная постоянная. Из выражений для v₁ и v₂ видно, что смещения в слое распределены по косинусу, а в полупространстве - экспоненциально убывают с глубиной. Глубина проникновения волны в полупространство меняется от долей

до многих

в зависимости от толщины слоя h, частоты

и параметров сред. Само существование волны Лява как ПАВ связано с наличием слоя на полупространстве: при h0 глубина проникновения волны в полупространство стремится к бесконечности и волна переходит в объёмную. Фазовая скорость с волн Лява заключена в 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 фазовая скорость зависит от частоты. При малых толщинах слоя, когда

т. е. фазовая скорость волны Лява стремится к фазовой скорости объёмной поперечной волны в полупространстве. При

волны Лява существуют в виде неск. модификаций, каждая из к-рых соответствует нормальной волне определённого порядка.
На границах кристаллов могут существовать всё те же типы ПАВ, что и в изотропных твёрдых телах, только движение в волнах усложняется. Вместе с тем анизотропия твёрдого тела может вносить нек-рые качеств. изменения в структуру волн. Так, на нек-рых плоскостях кристаллов, обладающих пьезоэлектрич. свойствами, волны типа волн Лява, подобно волнам Рэлея, могут существовать иа свободной поверхности (без присутствия твёрдого слоя). Это т. п. электрозвуковые волны Гуляева - Блюштейна. Наряду с обычными волнами Рэлея в нек-рых образцах кристаллов вдоль свободной границы может распространяться затухающая волна, излучающая энергию в глубь кристалла (вытекающая волна). Наконец, если кристалл обладает пьезоэффектом и в нём есть поток электронов (пьезополупроводниковый кристалл), то возможно взаимодействие поверхностных волн с электронами, приводящее к усилению этих волн (см. Акустоэлектронное взаимодействие).
На свободной поверхности жидкости упругие ПАВ существовать не могут, но на частотах УЗ-диапазона и ниже там могут возникать поверхностные волны, в к-рых определяющими являются не упругие силы, а поверхностное натяжение - это т. н. капиллярные волны (см. Волны на поверхности жидкости).
Ультра- и гиперзвуковые ПАВ широко используются в технике для всестороннего неразрушающего контроля поверхности и поверхностного слоя образца (см. Дефектоскопия ),для создания микроэлектронных схем обработки электрич. сигналов и т. д. Если поверхность твёрдого образца свободная, то применяются рэлеевские волны. В тех случаях, когда образец находится в контакте с жидкостью, с др. твёрдым образцом или твёрдым слоем, рэлеевские волны заменяются другим соответствующим типом ПАВ.

Литература по поверхностным акустическим волнам

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.