目前,对层状介质中瑞利面波频散特性的研究主要集中在数值模拟以及现场试验方面,而进行物理模拟的很少。对面波在层状介质下的波场特性进行物理模拟研究,将为面波在工程无损检测中的应用提供更完备的理论支持。本论文采用物理模拟研究手段,针对层状介质模型,展开了地震波场的传播特征和瑞利面波的系统的研究。主要内容有以下几个方面:(1)认识了解瑞利面波的基础理论。详细介绍瑞利面波的速度频散与椭圆极化率频散特性、速度频散曲线的提取方法、椭圆极化率频散的计算和提取方法。(2)物理模型实验系统和二维物理模型的设计。该部分内容主要是通过介绍超声波的产生及其特点,来说明超声波可以模拟弹性波,介绍了物理模拟需要遵从的相似法则和物理模拟实验系统、实验模型材料,再根据第一菲涅耳半径理论以及观测条件的限制,对模型的厚度进行研究,从而确定二维实验模型的厚度,为物理模拟实验提供了理论基础。(3)均匀介质中瑞利面波速度频散和椭圆极化率频散的物理模拟研究。对均匀半无限空间介质的二维模型进行物理模拟实验,通过观察和分析均匀介质中瑞利面波的传播特征,和理论分析结果对比,从而验证实验结果和理论分析结果是否相符,说明实验系统和实验方法是否可行。(4)水平层状介质中瑞利面波速度频散特性的研究。选取低速覆盖和高速覆盖两种不同情况下的两层水平层状介质,以及不同覆盖层层厚与面波主波长比值的实验模拟,研究折射波、反射波对频散特性的影响。通过以上研究,主要取得了以下研究成果:(1)均匀半无限空间和不同厚度的两层层状介质模型的物理模拟结果表明,在瑞利面波物理模拟实验中,以厚度小于第一菲涅耳带半径的薄板模型为二维物理模型是可信和可行的。相较于常规模拟走向无限延伸的,但具有三维尺度的拟二维模型,薄板二维模型具有远为更高的建模效率和更低的建模成本。(2)物理模拟实验表明,对于低速覆盖的层状介质,折射横波的能量较强,在依据最大能量拾取速度频散曲线时,模型的约束是非常重要的。此外,折射横波与瑞利面波的干涉效应,可导致面波能量频散分布出现局部不连续特征。对于高速覆盖的层状介质,反射横波对瑞利面波速度频散特征影响不大,主要表现为对瑞利面波频散曲线的光滑性或连续性的影响。(3)研究瑞利面波椭圆极化率频散时,为了避免体波的干扰,应该在远场区或者是面波占优区进行数据采集和观测。