Отражение волн. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Отражение волн - переизлучение волн препятствиями с изменением направления распространения (вплоть до смены на противоположное). Отражающими объектами могут служить неоднородности среды (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 преломление волн.
При падении плоской монохроматич. волны на плоскую границу раздела двух однородных сред с разными свойствами происходит зеркальное О. в. (рис.). Амплитуды, фазы и направления распространения отражённой и преломлённой (прошедшей) волн определяются на основе согласования волновых полей по разные стороны от границы в соответствии с граничными условиями. 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 неподвижных сред нормальные составляющие

и допустима след. лучевая трактовка закона О. в.: 1) падающий и отражённый лучи лежат в одной, нормальной к границе, плоскости, 2) угол отражения

(между лучом и нормалью) равен углу падения

(рис., а).

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

Интенсивность отражённой волны характеризуется коэф. отражения R (отношением интенсивностеи отражённой и падающей волн), к-рый существенно зависит от природы волн, свойств обеих сред, поляризации волн и угла

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 нормальные составляющие скорости частиц среды. В этом случае

где п = n₂/n_l = c₁/с₂ - относительный показатель преломления,

- отношение плотностей сред.

В спец. случаях возможно безотражат. прохождение волны через границу (Брюстера закон ).В (1) числитель обращается в нуль при

, где

= (т² - n²)/(n² - 1). В оптике явление Брюстера наблюдается для волн, поляризованных в плоскости падения.

При п < 1 и углах падения, больших критического

(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(абсолютно жёсткие стенки в акустике, идеально проводящие поверхности в электродинамике) или п0 (абсолютно податливые или идеальные магн. стенки соответственно). И в том и в другом случае R 1.
Как отражённая, так и преломлённая волны являются, вообще говоря, результатом интерференции волн, переизлучённых в толще обеих сред. Законы зеркального О. в. могут быть обобщены и приближённо сформулированы как локальные для участка границы, если: 1) размеры, радиусы кривизны поверхностей и масштабы неоднородностей сред много больше длины волны

(условия применимости геометрической оптики); 2)размеры неровностей границы

Если размеры неровностей сравнимы с

, то возможны два случая: при хаотич. расположении неровностей (шероховатая граница) 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 происходит со смещением частоты (Доплера эффект ),угол отражения при этом пе равен углу падения (т. н. угловая аберрация). В средах с непрерывно меняющимися свойствами О. в. наблюдается, если характерные масштабы неоднородностей LВ плавно-неоднородных средах L "истинное" О. в. экспоненциально мало, однако рефракция в плавно-неоднородных средах может привести к явлениям, сходным с О. в., напр. мираж в пустыне (см. Рефракция звука. Рефракция света). В нелинейных средах волны большой интенсивности сами индуцируют неоднородности, при рассеянии на которых (вынужденное рассеяние) может даже возникать, например, специфическое О. 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 некоторых случаях отражения волн приводит к вредным последствиям: повышению уровня шумов, гиперреверберации в залах, слепящим бликам, искажению телевизионных изображений. Для борьбы с паразитным тражением волн применяются поглощающие покрытия, согласующие элементы (в волноводной технике), четвертьволновые плёнки ("голубая" оптика), плавные в масштабе длины волны переходные слои и др.
В общем случае отражения волн не может рассматриваться изолированно от явлений прохождения волн (преломления, просачивания), поглощения, рассеяния, дифракции волн и трансформации волн (преобразования в волны др. физ. природы или в волны с другой пространственной структурой). Выделение отражённых волн из полного волнового поля в известной мере условно и традиционно связано с лучевой трактовкой процесса распространения и теорией переноса изображений; к отражению волн, как правило, относят только тот класс явлений, в к-рых восстанавливается изображение источника (правильное или искажённое).

Литература по отражению волн

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.