레일리파

Rayleigh wave

레일리파는 고체 표면을 따라 이동하는 표면 음향파의 일종이다. 국부적인 충격이나 압전 전도에 의한 등 여러 가지 방법으로 재료로 생산될 수 있으며, 결함을 검출하기 위한 비파괴시험에 자주 사용된다. 레일리파는 지진에 의해 지구상에서 생성되는 지진파의 일부분이다. 겹겹이 안내될 때, 그것들은 양파, 레일리-램브파 또는 일반화된 레일리파라고 불린다.

특성.

Rayleigh 파동의 입자 운동.
등방성 탄성 소재에 대한 Rayleigh 파속도와 전단파 및 종파속도의 비교 속도는 무차원 단위로 표시된다.

레일리파는 고체 표면 근처에서 이동하는 표면파의 일종이다. 레일리 파동에는 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라 진폭에서 기하급수적으로 감소하는 세로 및 가로 운동이 모두 포함된다. 이러한 요소 동작 사이에는 위상 차이가 있다.[1]

레일리 파동의 존재는 1885년 레일리 경에 의해 예측되었고, 그 이름을 따서 레일리 파동의 이름이 지어졌다.[2] 등방성 고형분에서 이러한 파동은 표면과 정상적인 평면에서 표면 입자들이 타원 안에서 움직이게 하고 전파 방향에 평행하게 한다 – 타원의 주요 축은 수직이다. 표면과 얕은 깊이에서 이 운동은 역행한다. 즉, 파동이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동할 때 입자의 평면 내 운동은 시계 반대방향이다. 더 깊은 곳에서 입자 운동은 프로그램이 된다. 또한, 운동 진폭은 감소하고 편심도는 재료의 깊이가 증가함에 따라 변한다. 고체의 상당한 변위 깊이는 대략 음향 파장과 같다. 레일리파는 사랑파나 양파와 같은 다른 종류의 표면이나 유도 음향파와는 구별되는데, 둘 다 대량으로 이동하는 층에 의해 지지되는 유도파 또는 종단파와 전단파의 일종이다.

레일리파는 재료의 탄성 상수에 의존하는 인자에 의해 전단파보다 약간 적은 속도를 가진다.[1] 금속의 레일리 파동의 전형적인 속도는 2~5km/s이고, 지상의 일반적인 레일리 속도는 100m 미만의 얕은 파도의 경우 50~300m/s, 1km 이상의 깊이의 1.5~4km/s이다. Rayleigh 파형은 표면 근처에 있으므로 점 소스에 의해 생성될 때 평면 내 진폭은 / 로만 디코딩되며서 r r은(는) 방사상 거리다. 그러므로 표면파는 대량파보다 거리에 따라 더 느리게 붕괴되는데, 이는 점원으로부터 3차원으로 퍼져나간다. 이러한 느린 붕괴는 지진학자들이 특히 관심을 갖는 한 가지 이유다. 레일리 파도는 대지진 후 지구 주위를 여러 번 돌 수 있고 여전히 측정 가능한 크기일 수 있다. 양과 음의 포아송 비율을 가진 레일리 표면파의 거동(레이리파 속도, 변위, 입자 운동 궤적, 응력) 차이가 있다.[3]

지진학에서 레일리파("지진 롤"이라 불림)는 표면파의 가장 중요한 유형이며, 예를 들어 바다의 파동, 폭발, 철도 열차와 지상 차량 또는 썰매 충돌에 의해 (지진으로부터 떨어져) 생성될 수 있다.[1][4]

속도 및 분산

유리 위의 얇은 금 필름에 레일리 파장의 분산[2]

등방성, Lamé 매개변수 및 {\}에 의해 설명되는 선형 탄성 물질에서 레일리 파형은 방정식에 대한 해법에 의해 주어진 속도를 가진다.

어디 ζ)ω 2/k2β 2{\displaystyle\zeta=\omega ^{2}{2}\beta ^{2}},η)β 2/α 2{\displaystyle \eta=\beta ^{2}/\alpha ^{2}},ρ α 2)λ+2μ{\displaystyle\rho \alpha ^{2}=\lambda +2\mu}, ρ β 2)μ{\displaystyle \rho\beta ^{2}=\mu}.[5]이 방정식은 없i.nhe렌트 규모, 레일리 파동을 일으키는 경계 값 문제는 분산되지 않는다. 이래로 이러한frequency-independent 위상 속도 ω/k에 동등한 것을 준다 재미 있는 특별한 사건은 푸아송, λ)μ{\displaystyle \lambda =\mu},)β 0.8453{\displaystyle\omega /k=\beta{\sqrt{0.8453}}}. 긍정적인 푸아송 비로 선형 탄성 재료(ν<>를 사용하여 0.3{\displaystyle \nu>0은 고체이다.앞으로 0.3}), 파속은 c = 0+ + 여기서 는 전단파속도로 근사할 수 있다.[6]

탄성 상수는 재료의 특성 변화로 인해 깊이와 함께 변화하는 경우가 많다. 이것은 실제로 레일리 파동의 속도가 분산이라고 하는 현상인 파장(따라서 주파수)에 의존하게 된다는 것을 의미한다. 산포의 영향을 받는 파도는 파동열차 모양이 다르다.[1] 이상적이고 균질하며 평평한 탄성 고형물 위의 레일리 파장은 위에서 설명한 대로 산포를 보이지 않는다. 그러나 고체나 구조물이 깊이에 따라 달라지는 밀도나 음속을 가지면 레일리파는 분산된다. 한 예는 지구 표면의 레일리 파동이다: 주파수가 높은 파동은 주파수가 낮은 파동보다 더 느리게 이동한다. 주파수가 낮은 레일리 파장은 상대적으로 파장이 길기 때문에 발생한다. 긴 파장의 변위는 짧은 파장 파장보다 더 깊이 지구로 침투한다. 지구 내 파장의 속도는 깊이가 높아질수록 증가하기 때문에 긴 파장(저주파)은 짧은 파장(고주파)보다 더 빨리 이동할 수 있다. 그러므로 레일리 파도는 종종 먼 지진 기록소에서 기록된 지진그램에 퍼져 나타난다. 박막이나 다층 구조에서 레일리 파장 분산도 관찰할 수 있다.

비파괴시험시

레일리파는 재료 특성화, 균열의 유무, 관련 전단 계수 등 시험 대상 물체의 기계적 및 구조적 특성을 발견하는 데 널리 사용된다. 이것은 다른 종류의 표면파와 공통적이다.[7] 이를 위해 사용되는 Rayleigh 파형은 초음파 주파수 범위에 있다.

그것들은 고체 물체의 자유 표면에서 쉽게 생성되고 검출되기 때문에 다른 길이 눈금으로 사용된다. 파장의 주파수와 연결된 깊이(~파장) 내에서 자유표면 부근에 국한되기 때문에 길이 척도마다 다른 주파수를 사용해 특성화를 할 수 있다.

전자 기기에서는

높은 초음파 주파수(10–1000 MHz)에서 전파되는 레일리파는 서로 다른 전자기기에서 광범위하게 사용된다.[8] 이러한 목적을 위해 레이리파 외에도, 일부 다른 종류의 표면 음향파(SW), 예를 들어 사랑파(Love Wave)가 사용된다. Rayleigh 파동을 사용하는 전자 장치의 예로는 필터, 공명기, 오실레이터, 압력 센서, 온도, 습도 등이 있다. SAW 기기의 작동은 초기 전기 신호를 표면 파형으로 변환하여 다른 유형의 표면 비균질성과의 상호작용에 의해 초기 전기 신호의 스펙트럼에 필요한 변화를 달성한 후 수정된 전기 신호로 다시 변환하는 것이다.[9] 초기 전기 에너지를 기계적 에너지(SOW 형태)와 후방으로 변환하는 것은 보통 레일리 파동의 발생과 수신을 위한 피에조 재료의 사용을 통해서뿐만 아니라 그 전파를 위해 이루어진다.

지구물리학에서

지진 발생 시 생성

Rayleigh 파도는 표면파이기 때문에, 지진에 의해 발생하는 파동의 진폭은 일반적으로 하이포케터의 깊이(초점)에 따라 기하급수적으로 감소한다. 하지만, 큰 지진은 소멸하기 전에 지구 주위를 몇 번 돌아다니는 레일리 파동을 일으킬 수 있다.

지진학에서는 종파(P-wave)와 전단파(shear wave)를 각각 P-파와 S-파(S-wave)라고 하며, 체파(body wave)라고 부른다. 레일리파는 지구 표면에서 P파와 S파의 상호작용에 의해 생성되며, P-, S-, Love 파동 속도보다 낮은 속도로 이동한다. 지진 진앙에서 바깥으로 뿜어져 나오는 레일리 파도는 공기 중 음속(0.340km/s)의 약 10배인 3km/s로 지표면을 따라 이동한다.

그들의 더 빠른 속도 때문에, 지진에 의해 생성되는 P-파와 S-파는 표면파보다 먼저 도착한다. 그러나 표면파의 입자운동은 체파보다 크기 때문에 표면파가 더 큰 피해를 주는 경향이 있다. 레일리 파동의 경우, 그 움직임은 바다 표면 파도와 유사하게 구르는 성질의 것이다. 특정 위치에서 Rayleigh 파동이 흔들리는 강도는 다음과 같은 몇 가지 요인에 따라 달라진다.

레일리파 방향
  • 지진의 크기.
  • 지진까지의 거리.
  • 지진의 깊이.
  • 지각의 지질 구조.
  • 지진의 초점 메커니즘.
  • 지진의 파열 방향성.

국부 지질 구조는 Rayleigh 파도에 초점을 맞추거나 탈구축하는 역할을 할 수 있으며, 단거리에서 흔들림에서 상당한 차이를 가져올 수 있다.

지진학에서

지진 중 발생하는 저주파 레일리 파동은 지진학에서 지구 내부를 특징 짓기 위해 사용된다. 중간 범위에서, Rayleigh 파동은 석유 퇴적물의 특성화를 위해 지구물리학 및 지질공학과에 사용된다. 이러한 애플리케이션은 레일리 파형의 기하학적 분산과 능동원(예를 들어 낙하 중량, 망치 또는 소형 폭발)을 사용하거나 마이크로트레머를 기록함으로써 지표면에 수집된 지진 데이터를 기반으로 역문제의 해법에 기초한다. 레일리 지상파는 교통에 의해 유발되는 지면 진동과 건물 내 관련 구조 기반 소음에 큰 기여를 하기 때문에 환경 소음 및 진동 제어에도 중요하다.

동물반응 가능성

추가 정보: 인프라하운드 § 동물반응과 쓰나미 § 가능한 동물반응

낮은 주파수 (< 20 Hz) Rayleigh 파도는 들리지 않지만, 많은 포유류, 새, 곤충, 거미들에 의해 감지될 수 있다. 인간은 비록 사람들이 그 신호에 의식적으로 반응하는 것 같지는 않지만 관절에 있는 파치니아 말뭉치를 통해 그러한 레일리 파동을 감지할 수 있어야 한다. 어떤 동물들은 의사소통을 위해 레일리 파도를 사용하는 것 같다. 특히, 일부 생물학자들은 코끼리가 레일리 파동을 일으키기 위해 발성을 사용할 수도 있다고 이론화한다. 레일리 파도는 천천히 부패하기 때문에 먼 거리에서도 감지할 수 있어야 한다.[10] 이러한 Rayleigh 파형은 지진에 의해 발생하는 Rayleigh 파동보다 훨씬 높은 주파수를 가지고 있다는 점에 유의한다.

2004년 인도양 지진 이후, 일부 사람들은 레일리 파도가 더 느리게 이동하는 쓰나미를 피할 수 있도록 동물들에게 더 높은 지대를 찾으라는 경고의 역할을 했다고 추측했다. 이 때, 이것에 대한 증거는 대부분 일화적인 것이다. 다른 동물 조기 경보 시스템은 공기를 통해 이동하는 초저파파를 감지하는 능력에 의존할 수 있다.[11]

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d Telford, William Murray; Geldart, L. P.; Robert E. Sheriff (1990). Applied geophysics. Cambridge University Press. p. 149. ISBN 978-0-521-33938-4. Retrieved 8 June 2011.
  2. ^ [1][dead link] "탄성고체의 평면 표면을 따라 전파된 파도", 1885년 레이리 경,
  3. ^ Goldstein, R.V.; Gorodtsov, V.A.; Lisovenko, D.S. (2014). "Rayleigh and Love surface waves in isotropic media with negative Poisson's ratio". Mechanics of Solids. 49 (4): 422–434. Bibcode:2014MeSol..49..422G. doi:10.3103/S0025654414040074. S2CID 121607244.
  4. ^ Longuet-Higgins, M. S. (27 September 1950). "A Theory of the Origin of Microseisms". Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. The Royal Society. 243 (857): 1–35. Bibcode:1950RSPTA.243....1L. doi:10.1098/rsta.1950.0012. ISSN 1364-503X. S2CID 31828394.
  5. ^ Landau, L.D.; Lifshitz, E. M. (1986). Theory of Elasticity (3rd ed.). Oxford, England: Butterworth Heinemann. ISBN 978-0-7506-2633-0.
  6. ^ L. B. Freund (1998). Dynamic Fracture Mechanics. Cambridge University Press. p. 83. ISBN 978-0521629225.
  7. ^ Thompson, Donald O.; Chimenti, Dale E. (1 June 1997). Review of progress in quantitative nondestructive evaluation. Springer. p. 161. ISBN 978-0-306-45597-1. Retrieved 8 June 2011.
  8. ^ Oliner, A.A.(ed) (1978). Acoustic Surface Waves. Springer. ISBN 978-3540085751. {{cite book}}: first= 일반 이름 포함(도움말)
  9. ^ Biryukov, S.V.; Gulyaev, Y.V.; Krylov, V.V.; Plessky, V.P. (1995). Surface Acoustic Waves in Inhomogeneous Media. Springer. ISBN 978-3-642-57767-3.
  10. ^ O’Connell-Rodwell, C.E.; Arnason, B.T.; Hart, L.A. (14 September 2000). "Seismic properties of Asian elephant (Elephas maximus) vocalizations and locomotion". J. Acoust. Soc. Am. 108 (6): 3066–3072. Bibcode:2000ASAJ..108.3066O. doi:10.1121/1.1323460. PMID 11144599.
  11. ^ Kenneally, Christine (30 December 2004). "Surviving the Tsunami". www.slate.com. Retrieved 26 November 2013.

추가 읽기

  • 빅토로프, I.A. (2013) "레이레이레이와 양파: 물리 이론과 응용" 스프링거; 뉴욕 플레넘 프레스(Plenum Press)의 1967년 1월호 원본 재인쇄. ISBN 978-1489956835.
  • 아키, 케이, 리차드, P. G. (2002) 정량적 지진학 (제2판) 대학 과학 서적. ISBN 0-935702-96-2.
  • 파울러, C. M. R. (1990) 고체 지구. 영국 케임브리지: 케임브리지 대학 출판부. ISBN 0-521-38590-3.
  • Lai, C.G., Wilmanski, K. (Eds.) (2005) 지오메차닉스의 표면파: 토양 및 암석 시리즈에 대한 직접 및 역방향 모델링: CISM 국제기계과학센터, 481, 스프링어, 빈, ISBN 978-3-211-27740-9
  • Sugawara, Y.; Wright, O. B.; Matsuda, O.; Takigahira, M.; Tanaka, Y.; Tamura, S.; Gusev, V. E. (18 April 2002). "Watching Ripples on Crystals". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 88 (18): 185504. Bibcode:2002PhRvL..88r5504S. doi:10.1103/physrevlett.88.185504. hdl:2115/5791. ISSN 0031-9007. PMID 12005696.

외부 링크