ОТРАЖЕНИЕ ВОЛН

ОТРАЖЕНИЕ ВОЛН

       

переизлучение волн препятствиями с изменением направления их распространения (вплоть до смены на противоположное). Отражающими объектами могут быть непрозрачные тела, в к-рых волны данной природы распространяться не могут, неоднородности среды (как резкие, так и плавные). Обычно на границе раздела сред одновременно с О. в. происходит преломление волн. При падении плоской монохроматич. волны на плоскую границу раздела двух однородных сред с разными св-вами происходит зеркальное О. в. Амплитуды, фазы и направления распространения отражённой и преломлённой (прошедшей) волн определяются на основе согласования волн. полей по разные стороны от границы в соответствии с граничными условиями.

Отражение и преломление волны на плоской границе раздела двух сред с разл. показателями преломления (n2>n1): а — лучевая картина; б — проекции волн. векторов падающей, отражённой и преломлённой волн на границу.

Требование непрерывности фазы приводит к универсальному закону — тангенциальные (параллельные границе) составляющие волновых векторов падающей, отражённой и преломлённой волн k?п =k?отр=k?пр=k? должны быть равны (рис., б). В случае изотропных неподвижных сред норм. составляющие k(^)отр=-k(^)п и допустима лучевая трактовка закона О. в.: 1) падающий и отражённый лучи лежат в одной нормальной к границе плоскости, 2) угол отражения qотр (между лучом и нормалью) равен углу падения qп (рис., а).

Интенсивность отражённой волны характеризуется отражения коэффициентом R, к-рый существенно зависит от природы волн, св-в обеих сред, поляризации волн и угла qп. Для расчёта R необходимо удовлетворить специфическим для волн данной природы граничным условиям. Напр., в случае эл.-магн. волн граничные условия требуют, чтобы на границе тангенциальные составляющие напряжённостей электрич. и магн. полей были равны (см. ФРЕНЕЛЯ ФОРМУЛЫ). В акустике граничные условия требуют, чтобы на границе раздела были равны давления в обеих средах и норм. составляющие скорости ч-ц среды. В этом случае

где n=n2/n1=с1/с2 — относит. показатель преломления, m=r2/r1 — отношение плотностей сред.

При n<1 и углах падения, больших критического q*(sinq*=n), имеет место полное внутреннее отражение волн.

Идеальными отражающими экранами явл. зеркала — предельный случай границы раздела сред, когда n®? (абсолютно жёсткие стенки в акустике, идеально проводящие поверхности в электродинамике) или n®0 (абсолютно податливые или идеальные магн. стенки). И в том и в другом случае R®1.

Как отражённая, так и преломлённая волны явл., вообще говоря, результатом интерференции переизлучённых в толще обеих сред волн. Законы зеркального О. в. могут быть обобщены и приближённо сформулированы для участка границы, если выполняются условия применимости геометрической оптики и размеры неровностей границы много меньше длины волны l. Если размеры неровностей сравнимы с l, то при хаотич. расположении неровностей (шероховатая граница) имеет место диффузное рассеяние волн, а при периодическом, кроме отражённой в зеркальном направлении волны, возникают побочные волны, направление распространения к-рых зависит от l.

О. в. движущихся объектов происходит со смещением частоты (см. ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ), угол отражения при этом не равен углу падения. В средах с непрерывно меняющимися св-вами О. в. наблюдается, если характерные масштабы неоднородностей L?l. В плавно неоднородных средах L->l О. в. мало, однако рефракция в них может привести к явлениям, сходным с О. в., напр. зеркальный мираж в пустыне (см. РЕФРАКЦИЯ ЗВУКА, РЕФРАКЦИЯ СВЕТА). В нелинейных средах волны большой интенсивности сами индуцируют неоднородности, при рассеянии на к-рых (вынужденное рассеяние) может возникать, напр., специфич. О. в. с обращением волнового фронта (см. ОБРАЩЁННЫЙ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ).

О. в. лежит в основе многих природных явлений (эхо, миражи, звук. каналы в океане, радиоканалы в ионосфере и др.), техн. устройств и систем (волноводы, резонаторы, гидролокация и радиолокация). В нек-рых случаях О. в. приводит к вредным последствиям: повышению уровня шумов, гиперреверберации в залах, слепящим бликам, искажению телевизионных изображений. 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 рассматриваться изолированно от явлений прохождения волн: преломления, поглощения, рассеяния, дифракции волн и преобразования в волны другой физ. природы или в волны с др. пространственной структурой. (см. ОТРАЖЕНИЕ) света.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.