Отражение звука (стр. 1 из 5)
ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА
ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА - явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в ту же среду, из к-рой пришла падающая волна. Как правило, О. з. сопровождается образованием преломлённых волн во второй среде. Частный случай О. з. - отражение от свободной поверхности. Обычно рассматривается отражение на плоских границах раздела, однако можно говорить об О. з. от препятствий произвольной формы, если размеры препятствия значительно больше длины звуковой волны. В противном случае имеет место рассеяние звука или дифракция звука.
Падающая волна вызывает движение границы раздела сред, в результате к-рого и возникают отражённые и преломлённые волны. Их структура и интенсивность должны быть таковы, чтобы по обе стороны от границы раздела скорости частиц и упругие напряжения, действующие на границу раздела, были равны. Граничные условия на свободной поверхности состоят в равенстве нулю упругих напряжений, действующих на эту поверхность.
Отражённые волны могут совпадать по типу поляризации с падающей волной, а могут иметь и др. поляризацию. В последнем случае говорят о преобразовании, или конверсии, мод при отражении или преломлении. Конверсия отсутствует только при отражении звуковой волны, распространяющейся в жидкости, поскольку в жидкой среде существуют лишь продольные волны. При прохождении звуковой волной границы раздела твердых тел образуются, как правило, и продольные и поперечные отражённые и преломлённые волны. Сложный характер О. з. имеет место на границе кристаллич. сред, где в общем случае возникают отражённые и преломлённые волны трёх разл. поляризаций.
Отражение плоских волн [1 - 6]. Особую роль играет отражение плоских волн, поскольку плоские волны, отражаясь и преломляясь, остаются плоскими, а отражение волн произвольной формы можно рассматривать как отражение совокупности плоских волн. Кол-во возникающих отражённых и преломлённых волн определяется характером упругих свойств сред и числом акустич. ветвей, существующих в них. В силу граничных условий проекции на плоскость раздела волновых векторов падающей, отражённых и преломлённых волн равны между собой (рис. 1).
Рис. 1. Схема отражения и преломления плоеной звуковой волны на плоской границе раздела.
Отсюда следуют законы отражения и преломления, согласно к-рым: 1) волновые векторы падающей ki, отражённых kr и преломлённых kt волн и нормаль NN' к границе раздела лежат в одной плоскости (плоскости падения); 2) отношения синусов углов падения
отражения 
и преломления 
к фазовым скоростям ci, 
и 
соответствующих волн равны между собой: 
(индексы
и 
обозначают поляризации отражённых и преломлённых волн). В изотропных средах, где направления волновых векторов совпадают с направлениями звуковых лучей, законы отражения и преломления принимают привычную форму закона Снелля. В анизотропных средах законы отражения определяют только направления волновых нормалей; как будут распространяться преломлённые или отражённые лучи, зависит от направления лучевых скоростей, соответствующих этим нормалям. При достаточно малых углах падения все отражённые и преломлённые волны представляют собой плоские волны, уносящие энергию падающего излучения от границы раздела. Однако, если скорость
для к.-л. преломлённой волны 
больше скорости ci падающей волны, то для углов падения, больших т. н. критич. угла 
= arcsin 
, нормальная компонента 
волнового вектора соответствующей преломлённой волны становится мнимой, а сама прошедшая волна превращается в неоднородную волну, бегущую вдоль поверхности раздела и экспоненциально убывающую в глубь среды 2. Однако падение волны на границу раздела под углом, большим критического 
, может и не приводить к полному отражению, поскольку энергия падающего излучения может проникать во 2-ю среду в виде волн другой поляризации. Критич. угол существует и для отражённых волн, если при О. з. происходит конверсия мод и фазовая скорость волны
, возникающей в результате конверсии, больше скорости ciпадающей волны. Для углов падения, меньших критич. угла 
часть падающей энергии уносится от границы в виде отражённой волны с поляризацией 
; при 
такая волна оказывается неоднородной, затухающей в глубь среды 1, и не принимает участия в переносе энергии от границы раздела. Напр., критич. угол 
= arcsin(cт/cL) возникает при отражении поперечной акустич. волны Т от границы изотропного твёрдого тела и конверсии её в продольную волну L (ст и CL - скорости поперечной и продольной звуковой волны соответственно). Амплитуды отражённых
и преломлённых 
волн в соответствии с граничными условиями линейным образом выражаются через амплитуду Аiпадающей волны, подобно тому, как эти величины в оптике выражаются через амплитуду падающей эл.-магн. волны с помощью Френеля формул. Отражение плоской волны количественно характеризуется амплитудными коэф. отражения, представляющими собой отношения амплитуд отражённых волн к амплитуде падающей: 
= 
Амплитудные коэф. отражения в общем случае комплексны: их модули определяют отношения абс. значении амплитуд, а фазы задают фазовые сдвиги отражённых волн. Аналогично определяются и амплитудные коэф. прохождения 
Перераспределение энергии падающего излучения между отражёнными и преломлёнными волнами характеризуется коэф. отражения 
и прохождения 
по интенсивности, представляющими собой отношения нормальных к границе раздела компонент средних по времени плотностей потоков энергии в отражённой (преломлённой) и в падающей волнах: 
где
- интенсивности звука в соответствующих волнах, 
и 
- плотности соприкасающихся сред. Баланс энергии, подводимой к границе раздела и уносимой от неё, сводится к балансу нормальных компонент потоков энергии: 
Коэф. отражения зависят как от акустич. свойств соприкасающихся сред, так и от угла падения
. Характер угл. зависимости определяется наличием критич. углов, а также углов нулевого отражения 
, при падении под к-рыми отражённая волна с поляризацией 
не образуется.О. з. на границе двух жидкостей [1 - 3]. Наиб. простая картина О. з. возникает на границе раздела двух жидкостей. Конверсия волн при этом отсутствует, и отражение происходит по зеркальному закону, а коэф. отражения равен
где
и c1,2 - плотности и скорости звука в граничащих средах 1 и 2. Если скорость звука для падающей волны больше скорости звука для преломлённой (с1>c2), то критич. угол отсутствует. Коэф. отражения действителен и плавно меняется от значения 