表面波

沿不同介质之间的界面传播的机械波

在物理学中，表面波是沿不同介质之间的界面传播的机械波。一个常见的例子是沿着液体表面的重力波，如海浪。在具有不同密度的两种流体之间的界面处，重力波也可能发生在液体内。弹性表面波可以沿固体表面行进，如瑞利或爱波浪。电磁波也可以作为“表面波”传播，因为它们可以沿着折射率梯度或沿着具有不同介电常数的两种介质之间的界面被引导。在无线电传输中，地面波是靠近地球表面传播的导波。

基本介绍

机械波

在地震学中，遇到几种类型的表面波。在这种机械意义上的表面波通常被称为L波或瑞利波。地震波是通过地球的波浪，通常是地震或爆炸的结果。爱波具有横向运动（运动垂直于行进方向，如光波），而瑞利波具有纵向（运动方向平行于行进方向，如声波）和横向运动。地震波由地震学家研究，并由地震仪或地震仪测量。表面波跨越宽的频率范围，最有害的波浪周期通常为10秒以上。表面波可以从最大的地震多次绕地球旅行。当P波和S波到达表面时，会产生表面波。

例子是在水和空气（海洋表面波）的表面上的波浪，或与水或空气接触的沙子中的波纹。另一个例子是内波，可以沿着两个不同密度的水质的界面传播。

在听觉生理理论中，Von Bekesy的行波（TW）是由基底膜进入耳蜗管的声表面波而产生的。他的理论假装解释了由于这些被动机械现象而引起的听觉的每一个特征。但是Jozef Zwislocki和后来的David Kemp表明，这是不现实的，积极的反馈是必要的。

电磁波

地面波是指随着地球曲率的平行于和邻近地球表面的无线电波的传播。这种辐射地面波被称为诺顿表面波。其他类型的表面波是非辐射Zenneck表面波或Zenneck-Sommerfeld表面波，被捕获的表面波和滑翔波。

无线电传播

低于3 MHz的低频无线电空间波作为地面波有效运行。在国际电联的命名中，这包括：中频（MF），低频（LF），极低频（VLF），超低频（ULF），超低频（SLF），极低频（ELF）波浪。

地面传播的作用是因为低频波由于波长长而在障碍物周围更强烈地衍射，从而使它们能够跟随地球的曲率。地球具有一个折射率，大气有另一个折射率，从而构成支持导波传播的界面。地面波在垂直极化中传播，其磁场水平和电场（接近）垂直。使用VLF波，电离层和地球表面作为波导。

表面的电导率影响地面波的传播，更多的导电表面如海水提供更好的传播。增加表面电导率会减少耗散[9]折射率受时空变化的影响。由于地面不是完美的电导体，地面波随着地球表面而衰减。波前最初是垂直的，但作为有损电介质的地面会使波浪在行进时向前倾斜。这将一些能量引导到地球，在那里它被消散，使信号指数下降。

大多数长距离LF“长波”无线电通信（30 kHz至300 kHz）是地面波传播的结果。中波无线电传输（300 kHz至3000 kHz之间的频率），包括AM广播频段，作为地面波，并且在夜间更长的距离作为天空。地面损耗在较低频率下变低，大大增加了使用低频带的AM电台的覆盖范围。 VLF和LF频率主要用于军事通信，特别是船舶和潜艇。频率越低，波浪穿越海水越好。 ELF波（3 kHz以下）甚至被用来与深潜潜艇进行通信。

地面波已被用于超视距雷达，其主要在海上的频率范围为2到20MHz之间，具有足够高的导电性，可以将它们传输到合理的距离（距离达100公里或更远）超视距雷达还以更大的距离使用天波传播）。在无线电的发展中，地面波被广泛使用。早期商业和专业无线电业务完全依赖于长波，低频和地波传播。为了防止对这些业务的干扰，业余和实验发射机被限制在高频（HF），因为它们的地波范围有限，感觉到没有用。在发现中波和短波频率的其他传播模式时，商业和军事目的的HF的优点变得明显。业余实验仅限于范围内的授权频率。

中波和短波在夜间反射出电离层，这被称为天波。在白天，电离层的较低D层形成并吸收较低的频率能量。这样可以防止天波传播在白天在中波频率上非常有效。在晚上，当D层消散时，中波传输通过天波更好地传播。地面波不包括电离层和对流层波。

利用地球能力更有效地传输低频的声波传播通过地面被称为音频地面波（AGW）。

微波场理论

在微波场理论中，电介质和导体的界面支持“表面波传播”。已经研究了表面波作为传输线的一部分，并且一些可以被认为是单线传输线。

电气表面波现象的特点和用途包括：

随着与界面的距离，波的场分量减小。

电磁能不会从表面波场转换成另一形式的能量（除了泄漏或有损的表面波），使得波不传播垂直于界面的功率，即沿着该尺寸消逝。

在光纤传输中，ev逝波是表面波。

在同轴电缆中，除了TEM模式之外，还存在横向磁（TM）模式，其在中心导体周围的区域中作为表面波传播。对于共同阻抗的同轴电缆，该模式被有效地抑制，但是在高阻抗同轴电缆和单个中心导体上，没有任何外部屏蔽，支持低衰减和非常宽带传播。在这种模式下的传输线操作称为E线。

SPP

表面等离子体激元（SPP）是沿着具有不同介电常数的介质之间的界面传播的电磁表面波。在形成界面的材料之一的介电常数为负，而另一个为正的情况下存在，如空气和低于等离子体频率的有损传导介质之间的界面的情况。波平行于界面传播，并以指数方式垂直衰减，称为消逝。由于波在有损导体和第二介质的边界上，所以这些振荡可能对边界的变化敏感，例如导电表面吸附分子。

索末菲

- Zenneck表面波

索末菲 - Zenneck表面波或Zenneck波是一种非辐射导向电磁波，由两个具有不同介电常数的均匀介质之间的平面或球形界面支撑。这个表面波平行于界面传播，并以指数方式垂直衰减，称为消逝。它存在于形成界面的材料之一的介电常数为负，而另一个为正的条件下，例如低于等离子体频率的空气和诸如地面传输线的有损耗的导电介质之间的界面。由Arnold Sommerfeld和Jonathan Zenneck从有损地球的波浪传播问题的原始分析出发，它作为麦克斯韦方程的确切解决方案存在。

分类

根据传播介质厚度与波长的比值大小及质点振动方式和传播速度的不同，表面波又分为：瑞利波、乐甫波。

瑞利波

它是当传播介质的厚度大于波长时在一定条件下在半无限大固体介质上与气体介质的交界面上产生的表面波，用R表示。瑞利波使固体表面质点产生的复合振动轨迹是绕其平衡位置的椭圆，椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于传播方向。

质点振幅的大小（即椭圆长轴轴径的大小）与材料的弹性及瑞利波的传播深度有关，其振动能量随深度增加而迅速减弱。当瑞利波传播的深度在接近一个波长时，质点的振幅已经很小了。

当瑞利波在传播途中碰到棱边时，若棱边曲率半径R大于5倍波长，表面波可不受阻拦的完全通过。当R逐渐变小时，部分表面波能量被棱边反射；当R小于等于波长时，反射能量很大。在超声波探伤中利用这种反射特性来检测工件表面和近表面的缺陷，以及用来测定表面裂纹深度等。

乐甫波

是当传播介质厚度小于波长时，在一定条件下产生的表面波，乐甫波发生在介质表面非常薄的一层内。质点平行于表面方向振动，波动传播方向与质点振动方向相垂直，相当于固体介质表面传播的横波。

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