Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ОТРАЖЕНИЕ ВОЛН

ОТРАЖЕНИЕ ВОЛН

ОТРАЖЕНИЕ ВОЛН - переизлучение волнпрепятствиями с изменением направления распространения (вплоть до сменына противоположное). Отражающими объектами могут служить неоднородностисреды (как резкие в масштабе длины волны ,так и плавные), сочленения волноводных систем и изменения их геометрии, <непрозрачные тела, в к-рых волны данной природы распространяться не могут. <Обычно на границе раздела сред одновременно с О. в. происходит преломлениеволн.

При падении плоской монохроматич. волнына плоскую границу раздела двух однородных сред с разными свойствами происходитзеркальное О. в. (рис.). Амплитуды, фазы и направления распространенияотражённой и преломлённой (прошедшей) волн определяются на основе согласованияволновых полей по разные стороны от границы в соответствии с граничнымиусловиями. Требование непрерывности фазы приводит к универсальному закону:тангенциальные (параллельные границе) составляющие волновых векторов падающей, <отражённой и преломлённой волн должны быть равны между собой (рис., б). В случае изотропных неподвижныхсред нормальные составляющие идопустима след. лучевая трактовка закона О. в.: 1) падающий и отражённыйлучи лежат в одной, нормальной к границе, плоскости, 2) угол отражения (между лучом и нормалью) равен углу падения (рис., а).

Отражение и преломление волны на плоскойгранице раздела двух сред с различными показателями преломления (n₂n₁):. -лучевая картина; б -проекции волновых векторов падающей, отражённойи преломлённой волн на границу одинаковы.

Интенсивность отражённой волны характеризуетсякоэф. отражения R (отношением интенсивностеи отражённой и падающейволн), к-рый существенно зависит от природы волн, свойств обеих сред, поляризацииволн и угла Для расчёта R необходимо удовлетворить специфическим для волн даннойприроды граничным условиям. Напр., в случае эл.-магн. волн граничные условиятребуют, чтобы на границе тангенциальные составляющие напряжённостей электрич. <и магн. полей были равны (см. Френеля формулы). В акустике граничныеусловия требуют, чтобы на границе раздела были равны давления в обеих средахи нормальные составляющие скорости частиц среды. В этом случае

где п = n₂/n_l= c₁/с ₂ - относительный показатель преломления,- отношение плотностей сред.

В спец. случаях возможно безотражат. прохождениеволны через границу (Брюстера закон). В (1) числитель обращаетсяв нуль при , где = ( т ² - n²)/(n²-1). В оптике явление Брюстера наблюдается для волн, поляризованных в плоскостипадения.

При п< 1 и углах падения, большихкритического (sin = n),имеет место полное внутреннее О. в. Числитель и знаменатель в (1) при становятся комплексно сопряжёнными и, следовательно, R_s=Г x Г*1. Преломлённая волна при полном внутр. О. в. имеет вид поверхностной волны, <экспоненциально прижатой к границе.

Идеальные отражающие экраны (зеркала)- предельный случаи границы раздела сред, когда п (абсолютножёсткие стенки в акустике, идеально проводящие поверхности в электродинамике)или п 0(абсолютно податливые или идеальные магн. стенки соответственно). И в томи в другом случае R1.

Как отражённая, так и преломлённая волныявляются, вообще говоря, результатом интерференции волн, переизлучённыхв толще обеих сред. Законы зеркального О. в. могут быть обобщены и приближённосформулированы как локальные для участка границы, если: 1) размеры, радиусыкривизны поверхностей и масштабы неоднородностей сред много больше длиныволны (условия применимости геометрической оптики); 2 )размеры неровностейграницы Если размеры неровностей сравнимы с ,то возможны два случая: при хаотич. расположении неровностей (шероховатаяграница) имеет место стохастич. рассеяние волн (наз. также диффузным О. <в.); при периодич. расположении неровностей (отражат. дифракционные решётки)кроме отражённой в зеркальном направлении волны возникает дискретный набор"побочных" волн, направления распространения к-рых зависят от ,что используется в анализаторах спектра.

О. в. от движущихся объектов происходитсо смещением частоты ( Доплера эффект), угол отражения при этом перавен углу падения (т. н. угловая аберрация). В средах с непрерывно меняющимисясвойствами О. в. наблюдается, если характерные масштабы неоднородностей L Вплавно-неоднородных средах L"истинное" О. в. экспоненциально мало, однако рефракция в плавно-неоднородныхсредах может привести к явлениям, сходным с О. в., напр. мираж в пустыне(см. Рефракция звука. Рефракция света). В нелинейных средах волныбольшой интенсивности сами индуцируют неоднородности, при рассеянии накоторых (вынужденное рассеяние) может даже возникать, например, специфическоеО. в. с обращением волнового фронта.

О. в. лежит в основе мн. природных явлений(эхо, миражи, подводные звуковые каналы в океане, радиоканалы в ионосфере),техн. устройств и систем (волноводы, резонаторы, гидролокация, радиолокация).В нек-рых случаях О. в. приводит к вредным последствиям: повышению уровняшумов, гиперреверберации в залах, слепящим бликам, искажению телевизионныхизображений. Для борьбы с паразитным О. в. применяются поглощающие покрытия, <согласующие элементы (в волноводной технике), четвертьволновые плёнки ("голубая"оптика), плавные в масштабе длины волны переходные слои и др.

В общем случае О. в. не может рассматриватьсяизолированно от явлений прохождения волн (преломления, просачивания), поглощения, <рассеяния, дифракции волн и трансформации волн (преобразования в волныдр. физ. природы или в волны с другой пространственной структурой). Выделениеотражённых волн из полного волнового поля в известной мере условно и традиционносвязано с лучевой трактовкой процесса распространения и теорией переносаизображений; кО. в., как правило, относят только тот класс явлений, <в к-рых восстанавливается изображение источника (правильное или искажённое).

Лит.: Горелик Г. С., Колебания иволны, 2 изд., М., 1059; Крауфорд Ф., Волны, пер. с англ., 3 изд., М.,198i; Пирс Дж., Почти все о волнах, пер. с англ., М., 1976.

М. А. Миллер, Г. В. Пермитин.