В физике поверхностная волна — это механическая волна , которая распространяется вдоль границы раздела между различными средами. Типичным примером являются гравитационные волны вдоль поверхности жидкостей, такие как океанские волны. Гравитационные волны также могут возникать внутри жидкостей, на границе раздела между двумя жидкостями с различной плотностью. Упругие поверхностные волны могут распространяться вдоль поверхности твердых тел, такие как волны Рэлея или Лява . Электромагнитные волны также могут распространяться как «поверхностные волны», поскольку они могут направляться вместе с градиентом показателя преломления или вдоль границы раздела между двумя средами, имеющими различные диэлектрические постоянные. В радиопередаче земная волна — это направленная волна, которая распространяется близко к поверхности Земли . [ 1]
Механические волны
В сейсмологии встречается 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 распространяется по Земле, 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 волн, которые наносят наибольший ущерб, обычно составляет 10 секунд или дольше. Поверхностные волны могут много раз перемещаться вокруг земного шара от самых крупных землетрясений. Поверхностные волны возникают, когда волны P и S выходят на поверхность.
В теории физиологии слуха бегущая волна (TW) фон Бекеши возникла в результате акустической поверхностной волны базилярной мембраны в улитковом канале . Его теория претендовала на объяснение каждой особенности слухового ощущения, обусловленного этими пассивными механическими явлениями. Юзеф Цвислоцкий, а позднее Дэвид Кемп , показали, что это нереально и что необходима активная обратная связь.
Электромагнитные волны
Земные волны — это радиоволны, распространяющиеся параллельно и вплотную к поверхности Земли, следуя кривизне Земли . Эта лучистая земная волна известна как поверхностная волна Нортона или, точнее, земная волна Нортона , потому что земные волны при распространении радиосигналов не ограничиваются поверхностью.
Другой тип поверхностной волны — это нерадиационная, связанная мода поверхностной волны Ценнека или поверхностная волна Ценнека–Зоммерфельда . [2] [3] [4] [5] [6] Земля имеет один показатель преломления, а атмосфера — другой, таким образом, представляя собой интерфейс , который поддерживает передачу направленной волны Ценнека. Другие типы поверхностной волны — это захваченная поверхностная волна , [7] скользящая волна и поверхностные волны Дьяконова (DSW), распространяющиеся на границе прозрачных материалов с различной симметрией. [8] [9] [10] [11] Помимо этого, были изучены различные типы поверхностных волн для оптических длин волн. [12]
Теория микроволнового поля
В теории микроволнового поля интерфейс диэлектрика и проводника поддерживает «поверхностную передачу волн». Поверхностные волны изучались как часть линий передачи , и некоторые из них можно рассматривать как однопроводные линии передачи .
Характеристики и области применения явления поверхностной электрической волны включают в себя:
Компоненты поля волны уменьшаются по мере удаления от интерфейса.
Электромагнитная энергия не преобразуется из поля поверхностной волны в другую форму энергии (за исключением поверхностных волн с утечкой или потерями) [13], так что волна не передает мощность нормально к границе раздела, т.е. она является мимолетной вдоль этого измерения. [14]
В коаксиальном кабеле в дополнение к TEM-моде существует также поперечно-магнитная (TM) мода [15] , которая распространяется как поверхностная волна в области вокруг центрального проводника. Для коаксиала с общим импедансом эта мода эффективно подавляется, но в высокоомном коаксиале 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 плазмонного 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 такой же длиной волны, как и длина волны в свободном пространстве.
Поверхностный плазмон-поляритон (SPP) — это электромагнитная поверхностная волна , которая может распространяться вдоль границы раздела между двумя средами с различными диэлектрическими постоянными. Она существует при условии, что диэлектрическая проницаемость одного из материалов [6], образующих границу, отрицательна, а другого — положительна, как в случае границы раздела между воздухом и проводящей средой с потерями ниже плазменной частоты . Волна распространяется параллельно границе раздела и экспоненциально затухает вертикально к ней, свойство, называемое исчезновением. Поскольку волна находится на границе проводника с потерями и второй среды, эти колебания могут быть чувствительны к изменениям границы, таким как адсорбция молекул проводящей поверхностью. [16]
Поверхностная волна Зоммерфельда – Ценнека.
Волна Зоммерфельда –Ценнека или волна Ценнека — это неизлучающая направленная электромагнитная волна , которая поддерживается плоским или сферическим интерфейсом между двумя однородными средами с различными диэлектрическими постоянными. Эта поверхностная волна распространяется параллельно интерфейсу и экспоненциально затухает вертикально к нему, свойство, известное как эванесцентность. Она существует при условии, что диэлектрическая проницаемость одного из материалов, образующих интерфейс, отрицательна, а другого — положительна, как, например, интерфейс между воздухом и проводящей средой с потерями, такой как наземная линия передачи, ниже плазменной частоты . Ее напряженность электрического поля падает со скоростью e -αd /√d в направлении распространения вдоль интерфейса из-за двумерного геометрического распространения поля со скоростью 1/√d в сочетании с зависящим от частоты экспоненциальным затуханием (α), которое является рассеянием наземной линии передачи, где α зависит от проводимости среды. Возникнув из оригинального анализа Арнольда Зоммерфельда и Джонатана Ценнека проблемы распространения волн над землей с потерями, он существует как точное решение уравнений Максвелла . [17] Поверхностная волна Ценнека, которая является неизлучающей направленной волновой модой, может быть получена с помощью преобразования Ханкеля радиального тока земли, связанного с реалистичным наземным источником поверхностной волны Ценнека. [6] Поверхностные волны Зоммерфельда-Ценнека предсказывают, что энергия затухает как R −1 , поскольку энергия распределяется по окружности круга, а не по поверхности сферы. Данные не показывают, что при распространении радиоволн в пространстве поверхностные волны Зоммерфельда-Ценнека являются модой распространения, поскольку показатель потерь на пути распространения обычно составляет от 20 дБ/дек до 40 дБ/дек.
Ближнее и дальнее поле — излучаемое поле, которое находится в пределах одной четверти длины волны дифрагирующего края антенны и за его пределами.
Скин-эффект — тенденция переменного электрического тока распределяться внутри проводника таким образом, что плотность тока вблизи поверхности проводника больше, чем в его сердцевине.
^ Физическая реальность поверхностной волны Ценнека.
^ Хилл, ДА и Дж. Р. Уэйт (1978), Возбуждение поверхностной волны Ценнека вертикальной апертурой, Radio Sci., 13(6), 969–977, doi :10.1029/RS013i006p00969.
^ Губау, Г., "Über die Zennecksche Bodenwelle", (О поверхностной волне Ценнека), Zeitschrift für Angewandte Physik , Vol. 3, 1951 г., нр. 3/4, стр. 103–107.
^ Барлоу, Х.; Браун, Дж. (1962). "II". Радиоповерхностные волны . Лондон: Oxford University Press. С. 10–12.
^ abc Corum, KL, MW Miller, JF Corum, «Поверхностные волны и решающий эксперимент по распространению», Труды Техасского симпозиума 2016 года по беспроводным и микроволновым схемам и системам (WMCS 2016), Университет Бейлора, Уэйко, Техас, 31 марта — 1 апреля 2016 г., IEEE, MTT-S, ISBN 9781509027569 .
↑ Уэйт, Джеймс, «Возбуждение поверхностных волн на проводящих, слоистых, диэлектрически покрытых и гофрированных поверхностях», Журнал исследований Национального бюро стандартов, том 59, № 6, декабрь 1957 г.
^ Дьяконов, М.И. (апрель 1988). «Новый тип электромагнитной волны, распространяющейся на границе раздела». Советская физика ЖЭТФ . 67 (4): 714. Bibcode : 1988JETP...67..714D.
^ Такаяма, О.; Красован, Л.К., Йохансен, СК; Михалаче Д., Артигас Д.; Торнер, Л. (2008). «Поверхностные волны Дьяконова: обзор». Электромагнетизм . 28 (3): 126–145. дои : 10.1080/02726340801921403. S2CID 121726611.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Такаяма, О.; Красован, Л. К., Артигас, Д.; Торнер, Л. (2009). «Наблюдение поверхностных волн Дьяконова». Physical Review Letters . 102 (4): 043903. Bibcode : 2009PhRvL.102d3903T. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.043903. PMID 19257419. S2CID 14540394.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Такаяма, О.; Артигас, Д., Торнер, Л. (2014). «Направленное направление света без потерь в диэлектрических нанолистах с использованием поверхностных волн Дьяконова». Nature Nanotechnology . 9 (6): 419–424. Bibcode : 2014NatNa...9..419T. doi : 10.1038/nnano.2014.90. PMID 24859812.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Такаяма, О.; Богданов, А.А., Лавриненко, А.В. (2017). «Фотонные поверхностные волны на интерфейсах метаматериалов». Journal of Physics: Condensed Matter . 29 (46): 463001. Bibcode : 2017JPCM...29T3001T. doi : 10.1088/1361-648X/aa8bdd. PMID 29053474.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Лю, Сюань-Хао; Чан, Хун-Чун (2013). «Утечка поверхностных плазмон-поляритонных мод на границе раздела между металлом и одноосно анизотропными материалами». IEEE Photonics Journal . 5 (6): 4800806. Bibcode : 2013IPhoJ...500806L. doi : 10.1109/JPHOT.2013.2288298 .
^ Коллин, Р. Э., Полевая теория направленных волн , Глава 11 «Поверхностные волноводы». Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press, 1990.
^ "(TM) mode" (PDF) . corner.biz . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09 . Получено 4 апреля 2018 .
^ S. Zeng; Baillargeat, Dominique; Ho, Ho-Pui; Yong, Ken-Tye (2014). «Наноматериалы усиливают поверхностный плазмонный резонанс для биологических и химических сенсорных приложений». Chemical Society Reviews . 43 (10): 3426–3452. doi : 10.1039/C3CS60479A. hdl : 10220/18851 . PMID 24549396.
^ Барлоу, Х.; Браун, Дж. (1962). Радиоволны поверхностного распространения . Лондон: Oxford University Press. С. v, vii.
Дальнейшее чтение
Стандарты и доктрины
" Поверхностная волна Архивировано 03.09.2017 в Wayback Machine ". Телекоммуникационный глоссарий 2000, Комитет ATIS T1A1, Производительность и обработка сигналов, T1.523–2001.
« Мультисервисная тактика, методы и процедуры для высокочастотной автоматической установки связи (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 ». Cambridge, Eng., University Press, 1961. LCCN 61016040 /L/r85
Бадден, К. Г., « Теория волноводного режима распространения волн ». Лондон, Logos Press; Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, Прентис-Холл, около 1961 г. LCCN 62002870 /L
Бадден, К.Г., « Распространение радиоволн: теория радиоволн малой мощности в ионосфере и магнитосфере ». Кембридж (Кембриджшир); Нью-Йорк: Cambridge University Press, 1985. ISBN 0-521-25461-2 LCCN 84028498
Коллин, Р. Э., « Полевая теория направленных волн ». Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press, 1990.
Фоти, С., Лай, К. Г., Рикс, Г. Дж. и Строббиа, К., «Методы поверхностных волн для характеристики приповерхностных участков», CRC Press, Бока-Ратон, Флорида (США), 487 стр., ISBN 9780415678766 , 2014 <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».
Равер, 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., « Однополюсные антенны » Нью-Йорк, Марсель Деккер, 2003. ISBN 0-8247-0496-7
Уэйт, Дж. Р., « Теория электромагнитных волн », Нью-Йорк, Harper and Row, 1985.
Уэйт, Дж. Р., « Волны в стратифицированных средах ». Нью-Йорк: Pergamon, 1962.
Уолдрон, Ричард Артур, « Теория направленных электромагнитных волн ». Лондон, Нью-Йорк, Van Nostrand Reinhold, 1970. ISBN 0-442-09167-2 LCCN 69019848 //r86
Вайнер, Мелвин М., « Однополюсные антенны » Нью-Йорк, Марсель Деккер, 2003. ISBN 0-8247-0496-7
Журналы и статьи
Ценнек, Зоммерфельд, Нортон и Губо
Ж. Ценнек, (переводчики: П. Бланшен, Ж. Герар, Э. Пико), « Précis de télégraphie sans fil: complément de l'ouvrage: Les колебания électromagnétiques et la télégraphie sans fil », Париж: Готье-Виллар, 1911 г. . VIII, 385 с. : больной.; 26 см. ( Тр . «Точности беспроволочной телеграфии: дополнение к работе: Электромагнитные колебания и беспроволочная телеграфия».)
Дж. Ценнек, « Über die Fortpflanzung ebener elektromagnetischer Wellen längs einer ebenen Leiterfläche und ihre Beziehung zur drahtlosen Telegraphie », Annalen der Physik, vol. 23, стр. 846–866, сентябрь 1907 г. ( Тр . «О распространении плоских электромагнитных волн вдоль плоскости проводника и их отношении к беспроволочной телеграфии».)
Дж. Ценнек, « Elektromagnetische Schwingungen und Drahtlose Telegraphie », Гарт, Ф. Энке, 1905. xxvii, 1019 стр. : больной.; 24 см. (Тр . «Электромагнитные колебания и беспроволочная телеграфия».)
J. Zenneck, (переводчик: AE Seelig) « Беспроводная телеграфия », Нью-Йорк [и т. д.] McGraw-Hill Book Company, inc., 1-е изд. 1915. xx, 443 стр. илл., диаграммы 24 см. LCCN 15024534 ( ред . «Библиография и заметки по теории», стр. 408–428.)
А. Зоммерфельд, « Über die Fortpflanzung elektrodynamischer Wellen längs eines Drahtes », Ann. der Physik und Chemie, vol. 67, стр. 233–290, декабрь 1899 г. ( Тр . «Распространение электродинамических волн вдоль цилиндрического проводника».)
А. Зоммерфельд, « Über die Ausbreitung der Wellen in der Drahtlosen Telegraphie », Annalen der Physik, Vol. 28, стр. 665–736, март 1909 г. ( Тр . «О распространении волн в беспроволочном телеграфе».)
А. Зоммерфельд, « Распространение волн в беспроволочной телеграфии », Ann. Phys., т. 81, стр. 1367–1153, 1926.
KA Norton, « Распространение радиоволн над поверхностью Земли и в верхних слоях атмосферы », Proc. IRE, т. 24, стр. 1367–1387, 1936.
KA Norton, « Расчеты интенсивности поля земной волны над сферической землей с конечной проводимостью », Труды IRE, т. 29, стр. 623–639, 1941.
G. Goubau, « Поверхностные волны и их применение в линиях передачи », J. Appl. Phys., т. 21, стр. 1119–1128; ноябрь 1950 г.
Г. Губау, «Über die Zennecksche Bodenwelle» ( Tr «О поверхностной волне Ценнека»), Zeitschrift für Angewandte Physik, Vol. 3, 1951 г., нр. 3/4, стр. 103–107.
Ждать
Уэйт, Дж. Р., « Боковые волны и новаторские исследования покойного Кеннета А. Нортона ».
Уэйт, Дж. Р. и Д. А. Хилл, « Возбуждение поверхностной волны ВЧ 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, т. 13, № 6, ноябрь–декабрь, 1978 г., стр. 969–977.
Уэйт, Дж. Р., « Заметка о поверхностных волнах и земных волнах », Труды IEEE по антеннам и распространению радиоволн, ноябрь 1965 г. Том 13, выпуск 6, стр. 996–997 ISSN 0096-1973
Уэйт, Дж. Р., « Древняя и современная история распространения электромагнитных волн на поверхности Земли ». IEEE Antennas Propagat. Mag., т. 40, стр. 7–24, октябрь 1998 г.
Уэйт, Дж. Р., « Приложение C: К теории распространения земной волны по слегка шероховатой изогнутой поверхности Земли », Электромагнитное зондирование в геофизике . Боулдер, Колорадо, Голем, 1971, стр. 37–381.
Уэйт, Дж. Р., « Электромагнитные поверхностные волны », Успехи в исследованиях радио , 1, Нью-Йорк, Academic Press, 1964, стр. 157–219.
Другие
RE Collin, « Диполь Герца, излучающий над потерями на Земле или в море: некоторые споры начала и конца XX века », Antennas and Propagation Magazine, 46, 2004, стр. 64–79.
FJ Zucker, " Антенны на поверхностных волнах и решетки с возбуждением поверхностных волн ", Справочник по антенной технике, 2-е изд., под ред. RC Johnson и H. Jasik. Нью-Йорк: McGraw-Hill, 1984.
Ю. В. Кистович, « О возможности наблюдения поверхностных волн Ценнека в излучении источника с малой вертикальной апертурой », Советская физика. Техническая физика, т. 34, № 4, апрель 1989, с. 391–394.
В.И. Байбаков, В.Н. Дацко, Ю.В. В. Кистович, " Экспериментальное открытие поверхностных электромагнитных волн Ценнека ", Успехи физ. наук, 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.
MJ King и JC Wiltse, « Распространение поверхностных волн на покрытых или непокрытых металлических проводах на длинах волн миллиметрового диапазона ». J. Appl. Phys., т. 21, стр. 1119–1128; ноябрь,
MJ King и JC Wiltse, « Распространение поверхностных волн на диэлектрическом стержне с электрическим поперечным сечением ». Electronic Communications, Inc., Tirnonium: kld. Sci. Rept.'No. 1, AFCKL Contract No. AF 19(601)-5475; август 1960 г.
Т. Кахан и Г. Эккарт, « Об электромагнитной поверхностной волне Зоммерфельда », Phys. Rev. 76, 406–410 (1949).
Другие медиа
Л.А. Островский (ред.), " Лабораторное моделирование и теоретические исследования модуляции поверхностных волн движущейся сферой ", М., Лаборатории океанических и атмосферных исследований, 2002. OCLC 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 ". The Net Advance of Physics: Special Reports, № 1
Гэри Петерсон, " Повторное открытие волны Ценнека ". Feed Line No. 4. ( ред . воспроизведение доступно онлайн на 21st Century Books)
Хендри, Дженис (2009). «ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ: ЧТО ОНИ? ПОЧЕМУ ОНИ ИНТЕРЕСНЫ?» (PDF) . ARMMS RF & MICROWAVE SOCIETY . Roke Manor Research Ltd . Получено 24 декабря 2023 г. .
В этой статье использованы материалы из федерального стандарта 1037C, являющиеся общественным достоянием . Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 22.01.2022. (в поддержку MIL-STD-188 ).