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 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 разные диэлектрические проницаемости. В радиопередаче земная волна — это направленная волна , распространяющаяся вблизи поверхности Земли . [1]
Механические волны
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.
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 позже Дэвид Кемп показали, что это нереально и что необходима активная обратная связь.
Электромагнитные волны
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 радиоволн не ограничиваются поверхностью.
Другим типом поверхностных волн является безызлучательная поверхностная волна Ценнека связанной моды или поверхностная волна Ценнека – Зоммерфельда . [2] [3] [4] [5] [6] Земля имеет один показатель преломления, а атмосфера — другой, образуя таким образом интерфейс , который поддерживает передачу направленной волны Ценнека. Другими типами поверхностных волн являются захваченная поверхностная волна , [7] скользящая волна и поверхностные волны Дьяконова (ПВВ), распространяющиеся на границе раздела прозрачных материалов различной симметрии. [8] [9] [10] [11] Помимо этого, различные типы поверхностных волн были изучены для оптических длин волн. [12]
Теория микроволнового поля
В рамках теории микроволнового поля интерфейс 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 поверхностной волны в другую форму энергии (за исключением поверхностных волн с утечкой или с потерями) [13] , так что волна не передает мощность нормально к границе раздела, т.е. она затухает в этом измерении. [14]
В коаксиальном кабеле помимо ТЕМ-моды существует также поперечно-магнитная (ТМ) мода [15] , которая распространяется в виде поверхностной волны в области центрального проводника. Для коаксиального кабеля с общим импедансом эта мода эффективно подавляется, но в коаксиальном кабеле с высоким импедансом и на одном центральном проводнике без какого-либо 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. Она существует при условии, что диэлектрическая проницаемость одного из материалов [6] , образующих интерфейс, отрицательна, а другого положительна, как и в случае границы раздела воздух — проводящая среда 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. [16]
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 между воздухом и проводящей средой с потерями, такой как наземная линия передачи, ниже плазменной частоты . Напряженность его электрического поля падает со скоростью e -αd /√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 рассеивание наземной линии передачи, где α зависит от проводимости среды. Возникшая в результате оригинального анализа Арнольдом Зоммерфельдом и Джонатаном Зеннеком проблемы распространения волн по земле с потерями, она существует как точное решение уравнений Максвелла . [17] 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. [6] Поверхностные волны Зоммерфельда-Ценнека предсказывают, что энергия затухает как R -1 , поскольку энергия распределяется по окружности круга, а не по поверхности сферы. Факты 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.
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.
^ Физическая реальность поверхностной волны Ценнека.
^ Хилл, Д.А. 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: Издательство Оксфордского университета. стр. 10–12.
^ abc Корум, К.Л., М.В. Миллер, Дж. Ф. Корум, «Поверхностные волны и решающий эксперимент по распространению», Труды Техасского симпозиума 2016 г. по беспроводным и микроволновым схемам и системам (WMCS 2016), Университет Бэйлора, Уэйко, Техас, 31 марта. 1 апреля 2016 г., IEEE, MTT-S, ISBN 9781509027569 .
^ Подождите, Джеймс, «Возбуждение поверхностных волн на проводящих, стратифицированных, диэлектрических и гофрированных поверхностях», Журнал исследований Национального бюро стандартов, том. 59, № 6, декабрь 1957 г.
↑ Дьяконов М.И. (апрель 1988 г.). «Новый тип электромагнитной волны, распространяющейся на границе раздела». Советский физический ЖЭТФ . 67 (4): 714. Бибкод : 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». Письма о физических отзывах . 102 (4): 043903. Бибкод : 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 проведение света без потерь в диэлектрических нанолистах с использованием поверхностных волн Дьяконова». Природные нанотехнологии . 9 (6): 419–424. Бибкод : 2014NatNa...9..419T. дои : 10.1038/nnano.2014.90. ПМИД 24859812.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Такаяма, О.; Богданов А.А., Лавриненко А.В. (2017). «Фотонные поверхностные волны на границах раздела метаматериалов». Физический журнал: конденсированное вещество . 29 (46): 463001. Бибкод : 2017JPCM...29T3001T. дои : 10.1088/1361-648X/aa8bdd. ПМИД 29053474.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Лю, Сюань-Хао; Чанг, Хун-Чун (2013). «Вытекающие поверхностные плазмон-поляритонные моды на границе раздела металла и одноосно анизотропных материалов». Журнал IEEE Photonics . 5 (6): 4800806. Бибкод : 2013IPhoJ...500806L. дои : 10.1109/JPHOT.2013.2288298 .
^ Коллин, Р.Э., Полевая теория направленных волн , Глава 11 «Поверхностные волноводы». Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press, 1990.
^ «Режим (TM)» (PDF) . коридор.биз . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 4 апреля 2018 г.
^ С. Цзэн; Байарже, Доминик; Хо, Хо-Пуй; Йонг, Кен-Тай (2014). «Наноматериалы усиливают поверхностный плазмонный резонанс для приложений биологического и химического зондирования». Обзоры химического общества . 43 (10): 3426–3452. дои : 10.1039/C3CS60479A. hdl : 10220/18851 . ПМИД 24549396.
^ Барлоу, Х.; Браун, Дж. (1962). Радиоповерхностные волны . Лондон: Издательство Оксфордского университета. стр. v, vii.
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.
« 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 г. <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. 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), « 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».)
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.)
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».)
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 , Тр. 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.
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, 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 земных 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 неровной 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.
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 стоячие волны, Приложение II . 1994.
М. Дж. Кинг и Дж. К. Уилтсе, « Распространение поверхностных волн на металлических проволоках с покрытием или без покрытия на миллиметровых длинах волн ». 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 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 ». Чистый прогресс физики: специальные отчеты, № 1
Гэри Петерсон, « Открытие волны Ценнека заново ». Линия подачи № 4. ( ред . репродукция доступна в Интернете в 21st Century Books)
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.
Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).