Undele Rayleigh

Undele Rayleigh sunt un tip de unde elastice de suprafață care se deplasează în solide. Acestea sunt produse pe pământ de cutremure , caz în care sunt cunoscute și sub numele de tunete de la sol ( „pământ”) sau alte surse de energie seismică, cum ar fi o explozie sau chiar un impact puternic. De asemenea, sunt produse în materiale de către traductoare acustice și sunt utilizate în testarea nedistructivă pentru a detecta defectele. Când sunt direcționate în straturi, acestea sunt denumite unde Rayleigh-Lamb , unde Lamb sau unde Rayleigh în general.

Caracteristici

Reprezentarea undelor Rayleigh.

Undele Rayleigh călătoresc pe suprafețe. În mediile izotrope solide, particulele de suprafață se mișcă în elipse în planuri normale față de suprafață și paralele cu direcția de propagare. La suprafață și la adâncimi mici această mișcare este retrogradă . Particulele mai adânci din material se mișcă în elipse mai mici cu o excentricitate care se schimbă odată cu adâncimea. La adâncimi mai mari mișcarea particulei devine anterogradă (prograde). Adâncimea deplasărilor majore în solid este aproximativ egală cu lungimea undei acustice . Undele Rayleigh sunt distincte de alte tipuri de unde acustice precum undele Love sau undele Lamb , ambele fiind tipuri de unde direcționate într-un strat sau unde longitudinale și de forfecare , care se deplasează în masă mare (în vrac ).

Deoarece undele Rayleigh sunt limitate aproape de suprafață, amplitudinea lor în plan atunci când este generată de o sursă punctuală se descompune doar ca ${1}/{\sqrt {r}}$ ${\ displaystyle {1} / {\ sqrt {r}}}$ ${1} / {{\ sqrt {r}}}$ , unde este $r$ ${\ displaystyle r}$ $r$ este distanța radială. Undele de suprafață se descompun mult mai lent cu distanța decât undele de masă (în vrac), care sunt dispersate în trei dimensiuni de la o sursă punctuală. Viteza undelor Rayleigh în solide mari, de ordinul a 2-5 km / s, este puțin mai mică decât viteza de tăiere (forfecare).

Existența undelor Rayleigh a fost prezisă în 1885 de Lord Rayleigh , de la care își derivă numele.

Dispersia undei Rayleigh

Dispersia undelor Rayleigh într-o peliculă subțire de aur pe sticlă. [1]

Undele Rayleigh pe solide ideale plane, elastice, omogene nu prezintă dispersie. Cu toate acestea, dacă un solid sau o structură are o densitate sau o viteză a sunetului care variază în funcție de adâncime, undele Rayleigh devin dispersive . Un exemplu este undele Rayleigh de pe suprafața Pământului: acele unde cu o frecvență mai mare călătoresc mult mai lent decât cele cu o frecvență mai mică . Acest lucru se datorează faptului că o undă Rayleigh cu frecvență mai mică are o lungime de undă relativ mare. Schimbarea lungimii de undă lungă pătrunde mult mai adânc în pământ decât undele care au o lungime de undă mai mică. Deoarece viteza undelor pe pământ crește odată cu creșterea adâncimii, undele care au o lungime de undă mai mare (frecvență joasă) pot călători mai repede decât cele cu o lungime de undă mai mică (frecvență înaltă). Astfel undele Rayleigh apar adesea împrăștiate în înregistrările făcute de seismogramele stațiilor care înregistrează cutremure îndepărtate. De asemenea, este posibil să se observe împrăștierea undelor Rayleigh în filme subțiri sau structuri multistrat.

Undele Rayleigh în testele nedistructive

Undele Rayleigh sunt utilizate pe scară largă pentru caracterizarea materialelor la diferite scări de lungime, deoarece sunt ușor generate și detectate pe suprafața liberă a obiectelor solide. Deoarece sunt limitate în apropierea suprafeței libere într-o adâncime (~ lungime de undă) legată de frecvența undei, pot fi utilizate frecvențe diferite pentru caracterizare la diferite scale de lungime.

Undele Rayleigh din gama de frecvențe cu ultrasunete sunt utilizate în aplicații de testare nedistructive pentru a ajuta la căutarea fisurilor și a altor imperfecțiuni din materiale.

Undele Rayleigh în geofizică

Undele Rayleigh de la cutremure

Deoarece undele Rayleigh sunt unde de suprafață, amplitudinea acestor unde generate de un cutremur scade în general exponențial la adâncimea hipocentrului . Cu toate acestea, cutremurele mari pot genera unde Rayleigh care călătoresc în jurul pământului de mai multe ori înainte de disipare.

În seismologie, undele longitudinale și de forfecare sunt cunoscute sub numele de unde P și respectiv unde S și sunt denumite unde volumice . Undele Rayleigh sunt generate de interacțiunea undelor P și a undelor S de pe suprafața pământului și se deplasează cu o viteză mai mică decât viteza undelor P , S și Love . Undele Rayleigh emanate spre exterior din epicentrul unui cutremur se deplasează de-a lungul suprafeței pământului cu aproximativ 10 ori viteza sunetului , în aer, care este de ~ 0,3 km / s.

Datorită vitezei lor cele mai mari, undele P și S generate de un cutremur ajung mai devreme decât valurile de la suprafață . Cu toate acestea, mișcarea particulelor undelor de suprafață este mai mare decât cea a undelor de volum , astfel încât undele de suprafață tind să provoace mai multe daune. În cazul undelor Rayleigh, mișcarea are o natură ondulantă, similară cu o undă de suprafață oceanică . Intensitatea undei Rayleigh la o anumită locație depinde de mai mulți factori:

Magnitudinea unui cutremur
Distanța de la cutremur.
Adâncimea cutremurului.
Structura geologică a scoarței.
Mecanismul epicentral al cutremurului.

Structura geologică locală poate servi la focalizarea sau defocalizarea undelor Rayleigh, ceea ce duce la diferențe importante în tremurul pe distanțe scurte.

Undele Rayleigh în sismologie

Undele Rayleigh de joasă frecvență generate în timpul cutremurelor sunt utilizate în seismologie pentru a caracteriza interiorul pământului. În intervalele intermediare de acțiune, undele Rayleigh sunt utilizate în geofizică și inginerie geotehnică pentru caracterizarea sedimentelor solului . Aceste aplicații se bazează pe dispersia geometrică a undelor Rayleigh și pe soluționarea unei probleme inverse pe baza datelor seismice colectate la sol la suprafață folosind surse active (căderea greutăților, ciocanele sau explozii mici, de exemplu) sau prin înregistrarea micro-șocurilor.

Alte manifestări

Ființă

Frecvența joasă (<20 Hz) Undele Rayleigh sunt inaudibile, deși pot fi detectate de multe mamifere , păsări , insecte și păianjeni . Oamenii ar fi capabili să detecteze astfel de unde Rayleigh prin corpusculii lor pacinieni , care se găsesc în articulații, deși oamenii nu par să răspundă în mod conștient la semnale. Unele animale par să folosească undele Rayleigh pentru a comunica. În special, unii biologi teoretizează că elefanții pot utiliza vocalizări pentru a genera unde Rayleigh. Deoarece undele Rayleigh se descompun lent, acestea ar fi detectabile pe distanțe mari. [2] Rețineți că aceste unde Rayleigh au o frecvență mai mare decât undele Rayleigh generate în cutremure.

După cutremurul din Oceanul Indian din 2004 , unii oameni au considerat valurile Rayleigh folosite de animale ca un avertisment pentru a căuta un loc mai înalt, determinându-i să fugă de venirea mai lentă a tsunami - ului . De data aceasta, dovezile pentru acest lucru sunt mai anecdotice. Un alt animal cu sisteme de avertizare timpurie se poate baza pe capacitatea sa de a simți unde infrasonice care călătoresc prin aer. [3]

Bibliografie

( EN ) Viktorov, IA (1967) „Rayleigh și Lamb Waves: teoria fizică și aplicații”, Plenum Press, New York
( EN ) Aki, K. și Richards, PG (2002). Sismologia cantitativă (ed. A II-a). Cărți științifice universitare. ISBN 0-935702-96-2 .
( EN ) Fowler, CMR (1990). Pământul solid . Cambridge, Marea Britanie: Cambridge University Press. ISBN 0-521-38590-3 .
( EN ) Lai, CG, Wilmanski, K. (Eds.) (2005). Undele de suprafață în Geomecanică: Modelare directă și inversă pentru soluri și roci Seria: Centrul internațional pentru științe mecanice CISM , numărul 481, Springer, Wien, ISBN 978-3-211-27740-9
(EN) Dilbag Singh și SK Tomar, „Undele Rayleigh-Lamb într-o placă elastică Microstretch placată cu straturi lichide” Journal of Sound and Vibration, Volumul 302, Numerele 1-2, 17 aprilie 2007, paginile 313-331
( EN ) Y. Sugawara, OB Wright, O. Matsuda, M. Takigahira, Y. Tanaka, S. Tamura și VE Gusev, „Watching ripples on cristals”, Phys. Rev. Lett.88, 185504 (2002)

Elemente conexe

linkuri externe

(RO) Pagina unde Rayleigh pe uwm.edu.
( EN ) Undele Rayleigh și caracterizarea solului , pe www2.polito.it . Adus la 25 aprilie 2009 (arhivat din original la 5 octombrie 2009) .
( EN ) Imagistica în timp real a undelor Rayleigh , la kino-ap.eng.hokudai.ac.jp .

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica