瑞利波

界面弹性波

现象介绍

瑞利波，一种常见的界面弹性波，是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波。由 L.瑞利于 1887 年首先指出其存在而得名。地震学中称其为R波或L波。在震中附近，不出现瑞利波。从震源射出的纵波在离震源距离为cR*h*sqrt(c1*c1-cR*cR)后才形成瑞利波。由震源射出的横波在离震源距离为cR*h*sqrt(c2*c2-cR*cR)后才形成瑞利波。其中 cR 为瑞利波波速；h 为震源深度；c1、c2 分别为纵波和横波波速。瑞利波沿二维自由表面扩展，在距波源较远处，其摧毁力比沿空间各方向扩展的纵波和横波大得多，因而它是地震学中的主要研究对象。它们可以通过多种方式在材料中生产，例如通过局部冲击或通过压电转换，并且经常用于非破坏性测试以检测缺陷。它们是地球上由地震产生的地震波的一部分。当被引导层时，它们被称为兰姆波，瑞利兰姆波或广义瑞利波。

运动轨迹

在表层附近，质点的运动轨迹为椭圆；在离表面为 0.2 个波长的深度以下，其运动轨迹仍为椭圆，但运动方向与表层相反。在自由表面上，质点沿表面法向的位移约为切向的 1.5 倍。

波速

在成层的弹性体空间中，瑞利波的波速与频率无关，只与介质的弹性常数有关；在均匀弹性体空间中，瑞利波的波速与频率无关。为同介质中横波波速的 0.862～0.955 倍。

特征

各向同性弹性材料的瑞利波速与剪切和纵波速度的比较。速度显示为无量纲单位。

瑞利波是在固体表面附近行进的一种表面波。瑞利波包括纵向和横向运动，随着距表面距离的增加，幅度呈指数减小。这些组成运动之间存在相位差。

1825年Rayleigh爵士预言了瑞利波的存在，之后他们被命名。在各向同性固体中，这些波使得表面颗粒在垂直于表面并平行于传播方向的平面中以椭圆移动 - 椭圆的长轴是垂直的。在表面和浅深度，这个运动是逆行的，即当波从左向右行进时，一个粒子的面内运动是逆时针方向的。在更深的深度，粒子运动变得前进。另外，当材料的深度增加时，运动幅度衰减和偏心度发生变化。固体中显着位移的深度近似等于声波长。瑞利波与其他类型的表面或引导声波（例如爱波浪或兰姆波）是不同的，两者都是由层支撑的导波类型，或者是沿散块行进的纵波和剪切波。

瑞利波的速度略低于剪切波，取决于材料的弹性常数。金属中瑞利波的典型速度约为2-5公里/秒，地面典型瑞利速度约为50-300米/秒。对于正泊松比μ>0的线性弹性材料，瑞利波速可以近似为

由于瑞利波被限制在表面附近，所以当由点源产生时，它们的平面内振幅仅以，其中r是径向距离。因此，表面波的衰减比距离点波浪三维扩散的波浪慢。这种缓慢衰退是地震学家特别感兴趣的原因之一瑞利波浪可以在大地震后多次遍及地球，仍然可测量。

在地震学中，瑞利波（称为“地面卷”）是最重要的表面波类型，可以通过海浪，爆炸，铁路列车和地面车辆，或由大锤的影响。

瑞利波分散

在由Lame系数γ和μ描述的各向同性线性弹性材料中，瑞利波具有由方程式给出的速度

其中，，，。由于该方程没有固有的尺度，所以产生瑞利波的边界值问题是无差异的。一个有趣的特殊情况是泊松固体，γ=μ，因为这给出了等于。

由于材料性质的变化，弹性常数随深度而变化。这意味着瑞利波的速度实际上取决于波长（因此频率），这被称为色散。受分散波影响波浪形状不同[1]如上所述，在理想的，均匀的和平坦的弹性固体上的瑞利波表示没有分散。然而，如果固体或结构具有随深度变化的密度或声速，则瑞利波变成色散的。一个例子是瑞利波浪在地球表面上：那些频率较高的波浪比较低频率的波浪慢。这是因为较低频率的瑞利波具有较长的波长。长波波的位移比短波波更深入地球。由于地球中的波浪速度随着深度的增加而增加，所以较长的波长（低频）波可以比较短的波长（高频）波快。瑞利波浪经常出现在遥远地震记录站记录的地震记录上。也可以观察薄膜或多层结构中的瑞利波分散。

测试表现

瑞利波在非破坏性测试中

瑞利波被广泛用于材料表征，以发现被测物体的机械和结构性质，如裂纹的存在和相关的剪切模量。这与其他类型的表面波一样。用于此目的的瑞利波在超声波频率范围内。

它们以不同的长度尺度使用，因为它们易于在固体物体的自由表面上产生和检测。由于它们被限制在与波的频率相关的深度（波长）内的自由表面附近，所以可以使用不同的频率来表征不同的长度尺度。

电子设备表现

瑞利波在电子设备

在高超声波频率（10-1000MHz）下传播的瑞利波在不同的电子设备中广泛使用。除了瑞利波之外，还有一些其它类型的表面声波（SAW），也用于这个目的。使用瑞利波的电子设备的示例是滤波器，谐振器，振荡器，压力传感器，温度，湿度等。SAW器件的操作基于将初始电信号转换成表面波，在实现所需的改变之后由于其与不同类型的表面不均匀性的相互作用，初始电信号的频谱被转换回修改的电信号。初始电能转换为机械能（以SAW形式）和反向通常通过使用用于产生和接收瑞利波及其传播的压电材料来实现。

物理学中标签

因为瑞利波是表面波，所以由地震产生的这种波的振幅一般会随着震源的深度而指数地减小（焦点）。然而，大的地震可能会在耗散之前产生绕地球几次的瑞利波。

在地震学中，纵波和剪切波分别称为P波和S波，称为体波。瑞利波由地球表面的P-波和S-波的相互作用产生，并以低于P-，S-和爱波速度的速度行进。雷声波从地震的震中向外发出，距离地球表面约为空气声速（0.340 km / s）的10倍，即3 km / s。

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