Введение

Физическое явление

В физике поверхностная волна — это механическая волна, распространяющаяся вдоль границы раздела между различными средами. Типичным примером являются гравитационные волны на поверхности жидкостей, такие как океанские волны. Гравитационные волны могут возникать также внутри жидкостей, на границе между двумя жидкостями с разной плотностью. Упругие поверхностные волны могут распространяться по поверхности твердых тел, например, волны Рэлея или волны Лав. Электромагнитные волны также могут распространяться как "поверхностные волны", поскольку они могут направляться вдоль градиента показателя преломления или вдоль границы раздела между двумя средами с различными диэлектрическими проницаемостями. В радиосвязи наземная волна — это направляемая волна, распространяющаяся вблизи поверхности Земли.

Механические волны

В сейсмологии встречается несколько типов поверхностных волн. Поверхностные волны, в этом механическом смысле, обычно называют волнами любви (волнами L) или волнами Рэлея. Сейсмическая волна – это волна, распространяющаяся через Землю, часто возникающая в результате землетрясения или взрыва. Волны любви характеризуются поперечным движением (движение перпендикулярно направлению распространения, как у световых волн), в то время как волны Рэлея имеют как продольное (движение параллельно направлению распространения, как у звуковых волн), так и поперечное движение. Сейсмологи изучают сейсмические волны и измеряют их с помощью сейсмографа или сейсмометра. Поверхностные волны охватывают широкий диапазон частот, и период наиболее разрушительных волн обычно составляет 10 секунд и более. Поверхностные волны могут многократно обходить земной шар после самых сильных землетрясений. Поверхностные волны возникают, когда P-волны и S-волны достигают поверхности. Примерами служат волны на поверхности воды и воздуха (океанские поверхностные волны). Другой пример – внутренние волны, которые могут распространяться вдоль границы раздела двух водных масс различной плотности. В теории физиологии слуха, путешествующая волна (TW) фон Бекеши возникает как результат акустической поверхностной волны базилярной мембраны в кохлеарном протоке. Его теория претендовала на объяснение всех особенностей слухового восприятия благодаря этим пассивным механическим явлениям. Йозеф Звислоцкий, а позднее Дэвид Кемп, показали, что это нереалистично и что необходима активная обратная связь.

Электромагнитные волны

Наземные волны — это радиоволны, распространяющиеся параллельно и вблизи поверхности Земли, повторяя её кривизну. Эта излучающая наземная волна известна как поверхностная волна Нортона, или, точнее, наземная волна Нортона, поскольку наземные волны в радиосвязи не ограничены поверхностью. Другим типом поверхностной волны является не излучающая, связанная мода — поверхностная волна Зеннека или поверхностная волна Зеннека — Зоммерфельда. Земля и атмосфера имеют разные показатели преломления, образуя таким образом интерфейс, поддерживающий распространение направленной волны Зеннека. К другим типам поверхностных волн относятся захваченные поверхностные волны, скользящие волны и поверхностные волны Дьяконова (DSW), распространяющиеся на границе раздела прозрачных материалов с различной симметрией. Помимо этих волн, для оптических длин волн изучались различные типы поверхностных волн.

Поляртон плазмона поверхности

Поверхностный плазмон-поляритон (SPP) — это электромагнитная поверхностная волна, которая может распространяться вдоль границы раздела между двумя средами с различными диэлектрическими проницаемостями. Она возникает при условии, что диэлектрическая проницаемость одного из материалов…

Поверхностная волна SommerfeldZenneck

Волна Зеннека (Sommerfeld–Zenneck wave) – нерадиационная направляемая электромагнитная волна, поддерживаемая плоским или сферическим интерфейсом между двумя однородными средами с различными диэлектрическими проницаемостями. Эта поверхностная волна распространяется параллельно интерфейсу и экспоненциально затухает в направлении, перпендикулярном ему, что известно как эффект затухания (evanescence). Она возникает при условии, что диэлектрическая проницаемость одного из материалов, формирующих интерфейс, отрицательна, а другого – положительна, например, на границе между воздухом и сильно поглощающей проводящей средой, такой как наземная линия передачи, ниже плазменной частоты. Напряженность электрического поля уменьшается со скоростью e<sup>αd</sup>/√d в направлении распространения вдоль интерфейса из-за двумерного геометрического распространения поля со скоростью 1/√d в сочетании с частотно-зависимым экспоненциальным затуханием (α), которое соответствует диссипации в наземной линии передачи, где α зависит от проводимости среды. Возникшая в результате первоначального анализа Арнольда Зоммерфельда и Джонатана Зеннека проблемы распространения волн над поглощающей землей, она представляет собой точное решение уравнений Максвелла. Поверхностная волна Зеннека, являющаяся не излучающим направляемым волновым режимом, может быть получена с использованием преобразования Ханкеля радиального тока в земле, связанного с реалистичным источником наземной волны Зеннека. Поверхностные волны Зоммерфельда–Зеннека предсказывают, что энергия затухает как R<sup>-1</sup>, поскольку энергия распределяется по окружности, а не по поверхности сферы. Однако, экспериментальные данные не подтверждают, что в радиопространственном распространении волн поверхностные волны Зоммерфельда–Зеннека являются основным механизмом распространения, поскольку показатель затухания сигнала обычно находится в диапазоне от 20 до 40 дБ/дец.