Определение 1
Эхо - физическое явление, которое заключается в принятии наблюдателем отражённой от препятствий волны (электромагнитной, звуковой и др.)
Эхо это то же самое отражение, только в зеркале отражается свет, а в случае эха -- звук. Любое препятствие может стать зеркалом для звука. Чем резче, отрывистее звук, тем эхо отчётливее. Лучше всего вызвать эхо хлопаньем в ладоши. Низкий мужской голос отражается плохо, а высокий голос дает отчетливое эхо.
Эхо можно услышать, если произвести звук на месте, в окружении холмов или больших зданий.
Акустическое явление
Акустические волны отражаются от стен и других твердых поверхностей, таких как горы. Когда звук движется через среду, которая не имеет постоянных физических свойств, он может быть преломлен.
Рисунок 1. Пояснение работы эхо
Человеческое ухо не может отличить эхо от первоначального звука, если задержка составляет менее $1/15$ секунды.
Сила эха часто измеряется в дБ уровнях звукового давления (SPL) по отношению непосредственно к передаваемой волне. Эхо - сигналы могут быть желательными (как в сонаре) или нежелательными (например, в телефонных системах).
Отражение звуковых волн от поверхностей также зависит от формы поверхности. Плоские поверхности отражают звуковые волны , таким образом, что угол, при котором волна приближается к поверхности, равен углу, при котором волна покидает поверхность.
Отражение звуковых волн от криволинейных поверхностей приводит к более интересным явлением. Изогнутые поверхности с параболической формой имеют привычку фокусирования звуковых волн в точке. Звуковые волны, отраженные от параболических поверхностей концентрируют всю свою энергию в одной точке пространства; в этот момент, звук усиливается. Ученые долгое время считали, что совы имеют сферические диски на лице, которые могут быть применены с целью сбора и отражения звука.
Использование отражения звука
В воде скорость звука иная, чем в воздухе. Рассмотрим работу эхолота. Он издает резкий звук, которой проходя через толщу воды, достигает дна моря, отражается и бежит обратно в виде эха. Эхолот ловит его и вычисляет расстояние до дна моря.
Рисунок 2. Работа эхолота
Отражение звука используется во многих устройствах. Например, громкоговоритель, звуковой сигнал, стетоскоп, слуховой аппарат, и т.д.
Стетоскоп используется, чтобы услышать звуки внутренних органов пациента; для диагностических целей. Он работает по законам отражения звука.
Летучие мыши используют высокую частоту (малая длина волны) ультразвуковых волн для того, чтобы повысить их способность охотиться. Типичной жертвой летучей мыши является моль - объект не намного больше, чем сама летучая мышь. Летучие мыши используют ультразвуковые методы эхолокации, чтобы обнаружить своих сородичей в воздухе. Но почему ультразвук? Ответ на этот вопрос лежит в физике дифракции. Так как длина волны становится меньше, чем препятствие, с которым она сталкивается, волна уже не в состоянии рассеиваться вокруг него, и вследствие чего отражается. Летучие мыши используют ультразвуковые волны с длинами волн, меньшими, чем размеры их добычи. Эти звуковые волны будут сталкиваться с добычей, и вместо того, чтобы дифрагироваться вокруг добычи, они будут отражаться от добычи, что позволить мыши охотиться с помощью эхолокации.
В ходе урока все желающие смогут получить представление о теме «Отражение волн. Звуковой резонанс». На этом уроке мы исследуем такое интересное явление отражения волн, как эхо, и рассчитаем необходимые для его возникновения условия. Также мы проведем увлекательный опыт с музыкальным камертоном, чтобы лучше понять, что такое звуковой резонанс.
Итак, завершаем 7 главу - «Колебания и волны» - интересными явлениями. Это отражение волн и звуковой резонанс. Вы знаете, что в пустом помещении, в горах или под сводами здания какой-нибудь арки можно замечательное явление наблюдать - эхо. Что такое эхо? Эхо - это явление отражения звуковых волн от плотных объектов. Когда человек может услышать эхо? Оказывается, чтобы человек смог различить (его слуховой аппарат смог различить два сигнала), необходимо, чтобы запаздывание во времени было 0,06 с. Давайте посчитаем: скорость распространения волны 340 м/с в воздухе, поэтому можно рассчитать расстояние до объекта, от которого будет отражаться волна. Должно быть понятно: при перемножении скорости на эту величину, запаздывания мы получаем 20,4 м. L=V . ∆t = 340 м/с 0,06 м/с = 20,4 м.
Но, вы понимаете, что отражение - это движение волны в одну сторону, в другую потом претерпевает отражение, поэтому расстояние, которое мы получили, можно спокойно разделить пополам и поставить человека на расстояние от преграды, от которой будет отражаться звук, и тогда можно эхо услышать. Нужно еще хорошо отражающую поверхность, потому что, если, например, комната достаточно большая, она заставлена большим количеством мебели (мягкой мебели) и людьми, то все эти объекты поглощают звуковую волну, поэтому эхо неразличимо. Просто энергии не хватает для звуковой волны, чтобы было это явление. Где это явление используют? Конечно, занимательно слушать эхо в горах, здорово петь под музыкальными арками, которые в архитектуре XIX века часто используются, но есть реальные устройства, которые используют это свойство. Например, рупор. Если я сейчас сложу вот так ладошки, вы сразу услышали, что мой звук стал мощнее, хотя люди, которые стояли бы у меня сбоку, звук от моих голосовых связок был бы намного тише. Поэтому происходит интересное явление: стенки рупора усиливают звуковую волну, увеличивая мощность сигнала. Что такое эхолот? Это сложное слово, полученное из двух слов: «эхо» - «отражение», «лот» - прибор, который мерит глубину водоема. Лот - это простой камень на веревке у рыбаков. Эхолот у людей, которые плавают на больших суднах, устроен следующим образом. Под бортом корабля располагается приемник и источник звуковых волн. От источника звуковых волна идет звуковая волна, доходит до дна, отражается и попадает в приемник звуковых волн. Время фиксируется, которое проходит между подачей сигнала и приходом его обратно. ∆ t = 0,06 с. И расстояние, которое получается вот таким расчетом, делится пополам, и мы находим глубину водоема. Используются эхолоты не только на звуковых частотах, но и на инфразвуке или на ультразвуке. Мы в прошлом параграфе говорили, как это используется. Принцип один и тот же. Используется явление отражения звуковых волн. Давайте рассмотрим еще одно интересное звуковое явление - это звуковой резонанс . Напоминаю: это явление увеличения амплитуды вынужденных колебаний при соблюдении частоты собственных колебаний системы и вынужденных. Напоминаю: любая система, которая может колебаться, имеет собственную частоту. Эта частота сформирована самой конструкцией прибора, который умеет колебаться. Если мы этот прибор заставим колебаться с внешней силой, которая имеет вот такую частоту вынужденных колебаний n 0 = n ВЫН, произойдет усиление звуковых колебаний, потому что увеличение амплитуды влечет за собой усиление звука, мощности энергетической. Чтобы объяснить это явление подробно, чтобы вы поняли, что значит резонанс , мы будем работать с таким специальным прибором, который используется в музыке. Этот прибор называется камертон. Вилочка сделана из стали, имеет собственную частоту, соответствующую в данном опыте ноте ля. К этому камертону подобран специальный, путем проб и ошибок, путем вычислений математических, резонаторный ящик. Что это за ящик такой? Что он делает со звуком, мы сейчас с вами увидим на опыте. Перед нами камертон. У меня есть резиновый молоточек, которым мы будем вызывать колебания. У этого камертона колебания будут вынужденные. Вот сначала, чтобы понять, для чего нужен резонаторный ящик, я попробую прикрывать простым листом бумаги резонаторный ящик вот так. Слушайте внимательно, что будет происходить с самим звуком. Если вы что-то заметили, давайте повторим еще раз опыт. Я попробую вызвать более серьезное колебание, увеличив энергию в системе. Итак, резонаторный ящик увеличивает амплитуду результирующих колебаний. Как он это делает? Он перераспределяет энергию, которую я сообщила в систему. Значит, камертон вызывает в резонаторном ящике колебание самой деки ящика и воздуха, который находится внутри этого ящика. Колебания складываются и усиливают звук. При этом у нас закон сохранения энергии выполняется, т.е. с резонаторным ящиком камертон звучит меньше по времени, но зато сильнее. Продолжим эксперимент. Давайте посмотрим, как можно колебание это звуковое прекратить. Я коснулась ножек камертона, и коэффициент затухания у данной системы очень большой стал, колебание прекратилось практически мгновенно. Повторим, колебаний нет. Теперь мы посмотрим явление резонанса, что произойдет, если я возьму точно такой, имеющий точно такую звуковую частоту, другой камертон. Посмотрите, резонаторные ящики будут направлены друг на друга, чтобы зазор воздушный был незначительный и чтобы не затухали колебания, и эффект был максимальный. Итак, вызываю колебания вот в этом камертоне. Звуковая волна распространяется, в пространство уходит, и если частота точно такая же у камертона, то должен возникнуть резонанс. Посмотрим, мне слышно, как звучит второй камертон. Давайте повторим еще раз: камертон звучит, прекратил звучание. Давайте проверим, может быть, у меня специальный такой слева камертон стоит. Попробуем вызвать колебание во втором камертоне и послушаем, что будет происходить с первым. Колебание налицо. Итак, выполняется условие резонанса: частоты совпадают, увеличение амплитуды происходит. Откликается система на колебание внешнее избирательно. Выбирает только ту частоту, на которую сам настроен. Давайте это проверим, если я сейчас изменю частоту колебаний одного из камертонов (просто муфточку прикручу вот сюда), у меня изменится по массе то тело, которое колеблется, и у него изменится частота. Поэтому резонанса не будет. Я в этом уверена, давайте проверим на опыте, действительно ли это так. Резонанса нет, и поэтому звучания тоже не было. Давайте посмотрим, если я в обратном порядке выполню, если зазвучит этот камертон, то, возможно, я вас обманываю, посмотрим. Явление резонанса не было.
Итак, мы сегодня изучили важные звуковые явления. Это отражение звуковых волн и явление звукового резонанса. Спасибо за внимание.
Поставим на пути волн в водяной ванне плоскую пластинку, длина которой велика по сравнению с длиной волны . Мы увидим следующее. Позади пластинки получается область, в которой поверхность воды остается почти в покое (рис. 83). Другими словами, пластинка создает тень - пространство, куда волны не проникают. Перед пластинкой отчетливо видно, как волны отражаются от нее, т. е. волны, падающие на пластинку, создают волны, идущие от пластинки. Эти отраженные волны имеют форму концентрических дуг, разбегающихся как бы из центра, лежащего позади пластинки. Перед пластинкой возникает своеобразная сетка из первичных волн, падающих на пластинку, и отраженных волн, идущих от нее навстречу падающим.
Как меняется направление распространения волны при ее отражении?
Посмотрим, как отражается плоская волна. Обозначим угол, образуемый перпендикуляром к плоскости нашего «зеркала» (пластинки) и направлением распространения падающей волны, через (рис, 84), а угол, образуемый тем же перпендикуляром и направлением распространения отраженной волны,- через . Опыт показывает, что при всяком положении «зеркала» , т. е. угол отражения волны от отражающей плоскости равен углу падения.
Рис. 83. Тень, отбрасываемая большой пластинкой
Рис. 84. Угол отражения равен углу падения
Этот закон отражения является общим волновым законом, т. е. он справедлив для любых волн, в том числе и для звуковых, и для световых. Закон остается в силе и для сферических (или кольцевых) волн, как это видно из рис. 85. Здесь угол отражения в разных точках отражающей плоскости различен, но в каждой точке равен углу .
Рис. 85. Закон отражения выполнен в каждой точке отражающей плоскости
Отражение волн от препятствий относится к числу очень распространенных явлений. Хорошо всем известное эхо обусловлено отражением звуковых волн от зданий, холмов, леса и т. п. Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от ряда препятствий, то получается многократное эхо. Раскаты грома имеют такое же происхождение. Это - многократное повторение очень сильного «треска» огромной электрической искры - молнии. Методы локации, упомянутые в § 35, основали на отражении электромагнитных волн и упругих волн от препятствий. Особенно часто мы наблюдаем явление отражения на световых волнах.
Отраженная волна всегда в той или иной степени ослаблена по сравнению с падающей. Часть энергии падающей волны поглощается тем телом, от поверхности которого происходит отражение. Звуковые волны хорошо отражаются твердыми поверхностями (штукатурка, паркет) и значительно хуже мягкими поверхностями (ковры, занавеси и т. п.).
Всякий звук прекращается не сразу после того, как замолк его источник, а замирает постепенно. Отражением звука в помещениях обусловлено явление послезвучания, называемое реверберацией. В пустых помещениях реверберация велика, т.е. мы наблюдаем своеобразную гулкость. Если же в помещении много поглощающих поверхностей, в особенности мягких (мягкая мебель, одежда людей, занавеси и т. п.), то гулкость не наблюдается. В первом случае получается большое число отражений звука, прежде чем энергия звуковой волны практически полностью поглотится, во втором - поглощение происходит значительно быстрее.
Реверберация существенным образом определяет звуковые качества помещения и играет большую роль в архитектурной акустике. Для данного помещения (аудитории, зала и т. п.) и данного рода звука (речь, музыка) поглощение должно подбираться специально. Оно должно быть не слишком большим, чтобы не получался глухой, «мертвый», звук, но и не слишком малым, чтобы длительная реверберация не нарушала разборчивости речи или звучания музыки.
Как во всяком волновом процессе, при падении звуковых волн на препят-ствие ограниченных размеров помимо интерференции наблюдается их отраже-ние (рис.1.10). При этом углы падения и отражения равны друг другу. Следова-тельно, плоские и выпуклые поверхности рассеивают звук (рис.1.10 а, б и в.), а вогнутые – фокусируя, концентрируют его в некоторой точке (рис.1.10 г) .
Рис.1.10 Отражение звуковых волн от поверхностей различной формы
При падении волн на границу двух сред (рис.1.11) часть звуковой энергии отражается, а часть проходит во вторую среду.
Рис. 1.11 Отражение и прохождение волн на границе двух сред
Согласно закону сохранения энергии сумма прошедшей Е прош. и отражен-ной Е отр. энергий равна энергии падающей волны Е пад, , т.е.
| Епад = Еотр. + Епрош. | (1.59) |
Разделим правую и левую части формулы на Е пад .
1 = (Е отр./ Епад) +(Епрош/ Епад)
Слагаемые в вышеприведенном соотношении показывают, какая доля па-дающей энергии отразилась, и какая доля прошла дальше. Они представляют собой коэффициенты отражения и прохождения. Вводя для них обозначения η и τ соответственно, получим
На рис.1.12 показано изменение коэффициентов отражения и прохожде-ния в зависимости от соотношения акустических сопротивлений граничащих сред. Из графика видно, что величина коэффициентов зависит только от абсо-
лютного значения отношений акустических сопротивлений сред, но не зависит от того, какое из этих сопротивлений больше. Этим можно объяснить тот факт, что звук, распространяющийся в какой-либо массивной стенке, претерпевает такое же отражение от границы раздела с воздушной средой, что и звук, рас-пространяющийся в воздухе, при отражении от этой стены.
Рис. 1.12. Коэффициенты η и τ в зависимости от соотношения акустических сопротивлей граничаших сред (Z 1 /Z 2)
В ряде случаев представляет интерес знать, как изменится звуковое дав-ление или колебательная скорость частиц при прохождении через границу двух сред. Поскольку интенсивность звуковой энергии пропорциональна квадратам звукового давления и виброскорости, то очевидно коэффициент отражения для давления и скорости можно найти по формуле
Вышеприведенные формулы для коэффициентов отражения и прохождения можно использовать в расчетах одномерных звуководов при изменении их се-чения (рис.1.13), если площади сечения S 1 и S 2 не слишком отличаются. При
Рис.1.13. Изменение сечений звуковода
Звукопоглощение
Поглощение звука (демпфирование, диссипация) - превращение звуко-вой энергии в тепло. Оно вызывается как теплопроводностью и вязкостью (классическое поглощение), так и внутримолекулярным отражением. При очень больших амплитудах, которые встречаются лишь вблизи очень мощных источ-ников звука или при сверхзвуковом ударе, возникают нелинейные процессы, приводящие к искажению формы волны и к усиленному поглощению.
Для звука в газах и жидкостях поглощение имеет практически важное значение только тогда, когда звук распространяется на большие расстояния (как минимум несколько сотен значений длины волны) или если на пути звука встречаются тела с очень большой поверхностью.
Рассмотрим процесс прохождения звука через препятствие (рис.1.14). Энергия падающего звука Е пад . разделяется на энергию отраженную от пре-пятствия Е отр , поглощенную в нем Е погл и энергию прошедшую через препят-
Согласно закону сохранения энергии
Рис.1.14. Распределение энергии при падении звука на препятствие.
Этот процесс можно оценить отношениями энергий прошедшей, погло-щенной и отраженной к энергии, падающей на препятствие:
τ = Е прош. / Е пад; η = Е отр. / Е пад; α = Е погл. / Е пад; (1.67)
Как уже было сказано выше, первые два отношения называют коэффици-ентами прохождения τ и отражения η . Третий коэффициент характеризует долю поглощенной энергии и называется коэффициентом поглощения α. Оче-видно, что из (1.66) следует
| α + η + τ = 1 | (1.68) |
Поглощение звука обусловлено переходом колебательной энергии в теп-ло вследствие потерь на трение в материале. Потери на трение велики в порис-тых и рыхлых волокнистых материалах. Конструкции из таких материалов уменьшают интенсивность отраженных от поверхности звуковых волн. Звуко-поглотители, расположенные внутри помещения, могут уменьшать также ин-тенсивность прямого звука, если они располагаются на пути распространения звуковых волн.
Резонаторы.
Эффективным поглотителем звуковых волн, а в некоторых случаях их усилителем может служить так называемый резонатор. Под резонатором пони-
мается система типа "масса-пружина", в которой роль колеблющейся массы играет масса воздуха в узком отверстии или в щели пластины, а роль пружины
– упругий объем воздуха в полости за пластиной. Схематическое изображение резонатора Гельмгольца приведено на рис.1.15
Рис. 1.15. Резонатор Гельмгольца
Рассмотрим простейший воздушный резонатор, т.е. сосуд с жесткими стенками и узким горлом. При падении на него звуковой волны определенной частоты воздушная "пробка" в горле сосуда приходит в интенсивное колеба-тельное движение. Колебательная скорость частиц в горле в несколько раз пре-вышает колебательную скорость в свободном звуковом поле ξ . Во внутреннем объеме резонатора в это время соответственно увеличивается давление р . Если подвести к внутренней полости резонатора трубку, то воспринимаемый звук будет громче.
В тоже время, при достаточно больших потерях на трение резонатор мо-жет выполнять функции не усилителя, а поглотителя звуковой энергии. Если в горло резонатора ввести слой звукопоглощающего материала, то поглощение заметно возрастет.
Собственная круговая частота ω о с массой m на пружине с жесткостью s можно найти по известной формуле
правки, величина которых зависит от формы горлышка и площади его попе-речного сечения. Таким образом, собственная частота резонатора определится как
| fo = | с о | S | (1.72) | ||||
| 2π | V (l + l i + l α ) | ||||||
В таких резонансных системах в присутствии внешнего источника звука заключенный в полости воздух колеблется с ним в унисон с амплитудой, зави-сящей от соотношения между величинами периодов собственного и вынужден-ного колебаний. При отключении источника резонатор отдает назад накоплен-ные внутри него колебания, становясь на короткое время вторичным источни-ком.
В зависимости от характеристик, резонатор может либо усиливать, либо поглощать звуковые колебания на той или иной частоте.
Звукопоглощение резонатора описывается с помощью условной характе-ристики звукопоглощающего сечения А . Под ним понимается условная пло-щадь сечения, перпендикулярного направлению распространения падающей волны, через которую свободной волной (при отсутствии резонатора) передает-ся мощность, равная поглощаемой резонатором.
Положим, что размеры резонатора малы по сравнению с длиной падаю-щей волны. Тогда, в первом приближении, можно пренебречь рассеянием зву-ковой энергии на корпусе резонатора. Если принять отверстие резонатора за-крытым акустически жестко, то звуковое давление в горлышке p h = p l , а ко-лебательная скорость υ = p h / Z h (если резонатор находится на экране, то в приведенных формулах добавится множитель 2 ).
Импеданс горлышка резонатора складывается из внутреннего потерь R i , активного сопротивления излучения R r и реактивных сопротивлений массы и упругости.
2 . П Р О М Ы Ш Л Е Н Н А Я А К У С Т И К А
ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА
ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА
Явление, возникающеепри падении звуковой на границу раздела двух упругих сред и состоящеев образовании волн, распространяющихся от границы раздела в ту же среду, рассеяние звука или дифракциязвука.
Падающая волна вызывает границыраздела сред, в результате к-рого и возникают отражённые и преломлённыеволны. Их структура и интенсивность должны быть таковы, чтобы по обе стороиыот границы раздела скорости частиц и упругие напряжения, действующие награницу раздела, были равны. Граничные условия на свободной поверхностисостоят в равенстве нулю упругих напряжений, действующих на эту .
Отражённые волны могут совпадать по типуполяризации с падающей волной, а могут иметь и др. поляризацию. В последнемслучае говорят о преобразовании, или конверсии, мод при отражении или преломлении. Отражение плоских волн
.Особую роль играет отражение плоских волн, поскольку плоские волны, отражаясьи преломляясь, остаются плоскими, а произвольной формы можнорассматривать как отражение совокупности плоских волн. Кол-во возникающихотражённых и преломлённых волн определяется характером упругих свойствсред и числом акустич. ветвей, существующих в них. В силу граничных условийпроекции на плоскость раздела волновых векторов падающей, отражённых ипреломлённых волн равны между собой (рис. 1).
Рис. 1. Схема отражения и преломления плоенойзвуковой волны на плоской границе раздела.
Отсюда следуют законы отражения и преломления, i , отражённыхk r
и преломлённых k t
волн и нормаль NN"
кгранице раздела лежат в одной плоскости (плоскости падения); 2) отношениясинусов углов падения отражения ипреломления кфазовым скоростям c i
,и соответствующихволн равны между собой:
(индексы и обозначаютполяризации отражённых и преломлённых волн). В изотропных средах, где направленияволновых векторов совпадают с направлениями звуковых лучей, законы отраженияи преломления принимают привычную форму закона Снелля. В анизотропных средахзаконы отражения определяют только направления волновых нормалей; как будутраспространяться преломлённые или отражённые лучи, зависит от направлениялучевых скоростей, соответствующих этим нормалям.
При достаточно малых углах падения всеотражённые и преломлённые волны представляют собой плоские волны, уносящиеэнергию падающего излучения от границы раздела. Однако, если для к.-л. преломлённой волны большескорости c i
падающей волны, то для углов падения, большихт. н. критич. угла =arcsin, нормальнаякомпонента волнового вектора соответствующей преломлённой волны становится мнимой, 2. Однакопадение волны на границу раздела под углом, большим критического ,может и не приводить к полному отражению, поскольку падающего излученияможет проникать во 2-ю среду в виде волн другой поляризации.
Критич. угол существует и для отражённыхволн, если при О. з. происходит конверсия мод и волны ,возникающей в результате конверсии, больше скорости c i
падающейволны. Для углов падения, меньших критич. угла часть падающей энергии уносится от границы в виде отражённой волны с поляризацией ;при такая волнаоказывается неоднородной, затухающей в глубь среды 1, и не принимает участияв переносе энергии от границы раздела. Напр., критич. угол = arcsin(c
т /c L) возникает при отражении поперечнойакустич. волны Т
от границы изотропного твёрдого тела и конверсииеё в продольную волну L (с
т и C L -
скорости поперечной и продольной звуковой волны соответственно).
Амплитуды отражённых и преломлённых волн в соответствии с граничными условиями линейным образом выражаютсячерез амплитуду А i
падающей волны, подобно тому, какэти величины в оптике выражаются через амплитуду падающей эл.-магн. волныс помощью Френеля формул.
Отражение плоской волны количественнохарактеризуется амплитудными коэф. отражения, представляющими собой отношенияамплитуд отражённых волн к амплитуде падающей:=Амплитудные коэф. отражения в общем случае комплексны: их модули определяютотношения абс. значении амплитуд, а фазы задают фазовые сдвиги отражённыхволн. Аналогично определяются и амплитудные коэф. прохождения 
Перераспределение энергии падающего излучения между отражёнными и преломлённымиволнами характеризуется коэф. отражения и прохождения по интенсивности, представляющими собой отношения нормальных к границераздела 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 разделаи уносимой от неё, сводится к балансу нормальных компонент потоков энергии:
Коэф. отражения зависят как от акустич. .Характер угл. зависимости определяется наличием критич. углов, а такжеуглов нулевого отражения ,при падении под к-рыми отражённая волна с поляризацией не образуется.
О. з. на границе двух жидкостей . Наиб. простая картина О. з. возникает на границе раздела двухжидкостей. Конверсия волн при этом отсутствует, и отражение происходитпо зеркальному закону, а коэф. отражения равен
где и c 1,2 - плотности и скорости звука в граничащих средах . и 2. Еслискорость звука для падающей волны больше скорости звука для преломлённой( с 1 c 2), то критич. угол отсутствует.
при нормальном падении волны на границураздела до значения R = - 1 при скользящем падении Если акустич. r 2 с 2 среды 2 больше импеданса среды 1 , то при угле падения
коэф. отражения обращается в нуль и всёпадающее полностью проходит в среду 2.
Когда с 1 <с 2 ,возникает критический угол =arcsin(c
1 /c
2). При <коэф. отражения - действительная величина; фазовый между падающейи отражённой волнами отсутствует. Величина коэф. отражения меняется отзначения R 0
при нормальном падении до R =
1 приугле падения, равном критическому. Нулевое отражение и в этом случае можетиметь место, если для акустич. импедансов сред выполняется обратное неравенство 
угол нулевого отражения по-прежнему определяется выражением (6). Для угловпадения, больших критического, имеет место полное внутр. отражение:
и падающее излучение в глубь среды 2
не проникает. В среде 2,
однако, поле отражённой волны формируетсяв результате интерференции двух полей: зеркально отражённой волны и волны, 1 неоднородной волной, возникшей в среде 2.
Приотражении неплоских (напр., сферических) волн такая переизлучённая волнанаблюдается реально в эксперименте в виде т. н. боковой волны (см. Волны,
разделОтражение и ).
О. з. от границы твёрдого тела . Характер отражения усложняется, если отражателем являетсятвёрдое тело. Когда с в жидкости меньше скоростейпродольного с L и поперечного с т звукав твёрдом теле, при отражении на границе жидкости с твёрдым телом возникаютдва критич. угла: продольный =arcsin ( с/с L )и поперечный =arcsin ( с/с т ). При этом , поскольку всегда с L > с т . При углахпадения коэф. отражения действителен (рис. 2). Падающее излучение проникает в твёрдоетело в виде как продольной, так и поперечной преломлённых волн. При нормальномпадении звука в твёрдом теле возникает только и значение R 0 определяется отношением продольных акустич. импедансов жидкости и твёрдого тела аналогично ф-ле (5) (- плотности жидкости и твёрдого тела).
Рис. 2. Зависимость модуля коэффициентаотражения звука | R | (сплошная линия) и его фазы (штрих-пунктирная линия) на границе жидкости и твёрдого тела от угла падения .
При коэф. и частьпадающего излученпя проникает в глубь твёрдого тела в виде преломлённойпоперечной волны. Поэтому для <<величина лишь при поперечная волна не образуется и |R|
= 1. Участие неоднородной продольнойволны в формировании отражённого излучения обусловливает, как и на границедвух жидкостей, фазовый сдвиг у отражённой волны. При имеет местополное внутр. отражение:1. В твёрдом теле вблизи границы образуются лишь экспоненциально спадающиев глубь тела неоднородные волны. Фазовый сдвиг у отражённой волны для углов связан в основном с возбуждением на границе раздела вытекающей Рэлеяволны.
Такая волна возникает на границе твёрдого тела с жидкостью приуглах падения, близких к углу Рэлея = arcsin ( с/с R),
где C R -
скоростьволны Рэлея на поверхности твёрдого тела. Распространяясь вдоль поверхностираздела, вытекающая волна полностью переизлучается в .
Если с
с
т .
тополное внутр. отражение на границе жидкости с твёрдым телом отсутствует:падающее излучение проникает в при любом угле падения, покрайней мере в виде поперечной волны. Полное отражение возникает при падениизвуковой волны под критич. углом или при скользящем падении. При c>c L коэф. отражения действительный, О. з., распространяющегося в твёрдом теле. При распространении звука в изотропном твёрдом теле наиб. простойхарактер носит отражение сдвиговых волн, направление колебаний в к-рыхпараллельно плоскости раздела. Конверсия мод при отражении или преломлениитаких волн отсутствует. При падении на свободную границу или границу разделас жидкостью такая волна отражается полностью (R =
1) по закону зеркальногоотражения. На границе раздела двух изотропных твёрдых тел наряду с зеркальноотражённой волной в среде 2
образуется преломлённая волна с поляризацией, При падении поперечной волны, поляризованнойв плоскости падения, на свободную поверхность тела, на границе возникаеткак отражённая той же поляризации, так и продольная волна. ,меньших критического угла = = arcsin (c T /c L),
коэф. отражения R
T и R L -
чисто действительные: отражённые волны уходят от границы точно вфазе (или в противофазе) с падающей волной. При отграницы уходит только зеркально отражённая поперечная волна; вблизи свободнойповерхности образуется неоднородная продольная волна.
Коэф. отражения становится комплексным, Если граница твёрдого тела находится вконтакте с жидкостью, то при отражении волн (продольной или поперечной, 2. Её также лежит в плоскостипадения.
О . з. на границе раздела анизотропныхсред
. О. з. на границе раздела кристаллич. сред носит сложный характер. и отражённыхи преломлённых волн в этом случае сами являются ф-циями углов отражения и преломления (см. Кристаллоакустика);
поэтому даже определение углов и по заданному углу падения сталкивается с серьёзными матем. трудностями. Если известны сечения поверхностейволновых векторов плоскостью падения, то используется графич. метод определенияуглов и концыволновых векторов k r
и k t
лежат наперпендикуляре NN",
проведённом к границе раздела через конец волновоговектора k i
падающей волны, в точках, где этот перпендикулярпересекает разл. полости поверхностей волновых векторов (рис. 3). Кол-воотражённых (или преломлённых) волн, реально распространяющихся от границыраздела в глубь соответствующей среды, определяется тем, со сколькими полостямипересекается перпендикуляр NN"
. Если пересечение с к.-л. полостьюотсутствует, то это означает, что волна соответствующей поляризации оказываетсянеоднородной и энергию от границы не переносит. Перпендикуляр NN"
можетпересекать одну и ту же полость в неск. точках (точки a
1 и а 2
на рис. 3). Из возможных положений волнового вектора k r
(или k t
)реальнонаблюдаемым волнам соответствуют лишь те, для к-рых вектор лучевой скорости, 
Рис. 3. Графический метод определения угловотражения и преломления на границе раздела кристаллических сред 1
и 2.L, FT
и ST
- поверхности волновых векторов для квазипродольных, Как правило, отражённые (преломлённые)волны принадлежат разл. ветвям акустич. колебании. Однако в кристаллахсо значит. анизотропией, когда поверхность волновых векторов имеет вогнутыеучастки (рис. 4), возможно отражение с образованием двух отражённых илипреломлённых волн, принадлежащих одной и той же ветви колебаний.
На опыте наблюдаются конечные пучки звуковыхволн, направления распространения к-рых определяются лучевыми скоростями. NN" кгранице раздела. В частности, отражённый может лежать в плоскости паденияпо ту же сторону от нормали N,
что и падающий луч. Предельным случаемтакой возможности является наложение отражённого пучка на падающий принаклонном падении последнего.
Рис. 4. Отражение акустической волны, падающейна свободную поверхность кристалла с образованием двух отраженных волнтой же поляризации: а - определение волновых векторов отражённыхволн (с g - векторы лучевой скорости); б - схемаотражения звуковых пучков конечного сечения.
Влияние затухания на характер О. з. .Коэф. отражения и прохождения не зависят от частоты звука, если затуханиезвука в обеих граничных средах пренебрежимо мало. Заметное затухание приводитне только к частотной зависимости коэф. отражения R, но и искажаетего зависимость от угла падения, в особенности вблизи критич. углов (рис.5, а ). При отражении от границы раздела жидкости с твёрдым теломэффекты затухания существенно меняют угловую зависимость R при углахпадения, близких к рэлеевскому углу (рис. 5,б). На границе сред с пренебрежимо малым затуханием притаких углах падения имеет место и |R |= 1 (кривая 1 на рис. 5, б). Наличие затухания приводит ктому, что |R |становится меньше 1, а вблизи образуется минимум |R |(кривые 2 - 4). По мере увеличениячастоты и соответствующего роста коэф. затухания глубина минимума увеличивается, f 0 , наз. частотой нулевогоотражения, мин. значение |R |не обратится в нуль (кривая 3, рис.5, б ). Дальнейший рост частоты приводит к уширенпю минимума (кривая 4 )ивлиянию эффектов затухания на О. з. практически для любых углов падения(кривая 5). Уменьшение амплитуды отражённой волны по сравнению самплитудой падающей не означает, что падающее излучение проникает в твёрдоетело. Оно связано с поглощением вытекающей волны Рэлея, к-рая возбуждаетсяпадающим излучением и участвует в формировании отражённой волны. Когдазвуковая частота f равна частоте f 0 , вся энергияпадающей волны диссипируется на границе раздела.
Рис. 5. Угловая зависимость |R |на границе вода - сталь с учётом затухания: а - общий характер угловойзависимости |R |; сплошная линия - без учёта потерь, штриховая линия- то же с учётом затухания; б - угловая зависимость | R вблизирэлеевского угла при различных значениях поглощения поперечных волн в стали на длине волны. Кривые 1 - 5 соответствуютувеличению этого параметра от значения 3 x 10 -4 (кривая 1 )до значения = 1 (кривая 5) за счёт соответствующего возрастания частоты падающего УЗ-излучения.
О. з. от слоев и пластин
.О. з. от слоя или пластины носит резонансный характер. Отражённая и прошедшаяволны формируются в результате многократных переотражений волн на границахслоя. В случае жидкого слоя падающая волна проникает в слой под углом преломления определяемым из закона Снелля. За счёт переотражений в самом слое возникаютпродольные волны, распространяющиеся в прямом и обратном направлениях подуглом к нормали, проведённой к границам слоя (рис. 6, а
). Угол представляетсобой угол преломления, отвечающий углу падения на границу слоя. Если скорость звука в слое с
2 большескорости звука с
1 в окружающей жидкости, то системапереотражённых волн возникает лишь тогда, когда меньше угла полного внутр. отражения = arcsin (c 1 /c 2). Однако для достаточно тонких слоевпрошедшая волна образуется и при углах падения, больших критического. Вэтом случае коэф. отражения от слоя оказывается по абс. величине меньше1. Это связано с тем, что при в слое вблизи той его границы, на к-рую падает извне волна, возникает неоднороднаяволна, экспоненциально спадающая в глубь слоя. Если толщина слоя d
меньшеили сравнима с глубиной проникновения неоднородной волны, то последняявозмущает противоположную границу слоя, в результате чего с неё излучаетсяв окружающую жидкость прошедшая волна. Это явление просачивания волны аналогичнопросачиванию частицы через в квантовой механике.
Коэф. отражения от слоя
где - нормальная компонента волнового вектора в слое, ось z - перпендикулярнаграницам слоя, R 1 и R 2 - коэф. О. з. представляет собой периодич. ф-цию звуковой частоты f и толщиныслоя d. При когда имеет место просачивание волны через слой, | R | при увеличении f или d монотонно стремится к 1.
Рис. 6. Отражение звуковой волны от жидкогослоя: а - схема отражения; 1 - окружающая жидкость; 2- слой; б - зависимость модуля коэффициента отражения |R| отугла падения .
Как ф-ция угла падения значение| R | имеет систему максимумов и минимумов (рис. 6, б). Еслипо обе стороны слоя находится одна и та же жидкость, то в точках минимума R= 0. Нулевое отражение возникает, когда набег фазы на толщине слояравен целому числу полупериодов
и волны, выходящие в верхнюю среду последвух последовательных переотражений, будут находиться в противофазе и взаимногасить друг друга. Наоборот, в нижнюю среду все переотражённые волны выходятс одной и той же фазой, и амплитуда прошедшей волны оказывается максимальной. пропускание имеет место, когдана толщине слоя укладывается целое число полуволн: d =
где .
=1,2,3,...,- длина звуковой волны в материале слоя; поэтому слои, для к-рых выполненоусловие (8), наз. полуволновымн. Соотношение (8) совпадает с условием существованиянормальной волны в свободном жидком слое. В силу этого полное пропусканиечерез слои возникает, когда падающее излучение возбуждает в слое ту илииную нормальную волну. За счёт контакта слоя с окружающей жидкостью нормальнаяволна является вытекающей: при своём распространении она полностью переизлучаетэнергию падающего излучения в нижнюю среду.
Когда жидкости по разные стороны от слояразличны, наличие полуволнового слоя никак не сказывается на падающей волне:коэф. отражения от слоя равен коэф. отражения от границы этих жидкостейпри их непо-средств. контакте. Помимо полуволновых слоев в акустике, каки в оптике, большое значение имеют т. н. четвертьволновые слои, толщинык-рых удовлетворяют условию ( п=
1,2,...).Подбирая соответствующим образом акустич. импеданс слоя, можно получитьнулевое отражение от слоя волны с заданной частотой f
при определённомугле падения её на слой. Такие слои используются в качестве просветляющихакустических слоев.
Для отражения звуковой волны от бесконечнойтвёрдой пластины, погружённой в жидкость, характер отражения, описанныйвыше для жидкого слоя, в общих чертах сохранится. При переотражениях впластине дополнительно к продольным будут также возбуждаться сдвиговыеволны. Углы и ,под к-рыми распространяются соответственно продольные и поперечные волныв пластине, связаны с углом падения законом Снелля. Угл. и частотная зависимости|R
| будут представлять собой, как и в случае отражения от жидкогослоя, системы чередующихся максимумов и минимумов. Полное пропускание черезпластину возникает в том случае, когда падающее излучение возбуждает вней одну из нормальных волн, представляющих собой вытекающие Лэмба волны.
Резонансныйхарактер О. з. от слоя или пластины стирается по мере того, как уменьшаетсяотличие их акустич. свойств от свойств окружающей среды. Увеличение акустич. и |R(fd
)|.
Отражение неплоских волн
. Реально существуют только неплоские волны; их отражение может бытьсведено к отражению набора плоских волн. Монохроматич. волну с волновымфронтом произвольной формы можно представить в виде совокупности плоскихволн с одной и той же круговой частотой ,но с разл. направлениями волнового вектора k. Осн. характеристикой падающегоизлучения является его пространственный - набор амплитуд A
(k)плоских волн, образующих в совокупности падающую волну. Абс. величина kопределяется частотой ,поэтому его не являются независимыми. При отражении от плоскости z=
0 нормальная компонента k z
задаётся тангенциальнымикомпонентами k x , k y: k z
=
Каждая , входящая в состав падающего излучения, падает награницу раздела под своим углом и отражается независимо от других волн. Поле Ф(r
) отражённой волнывозникает как суперпозиция всех отражённых плоских волн и выражается черезпространственный спектр падающего излучения A(k x , k y
)икоэф. отражения R(k x , k y):
Интегрирование распространяется на областьсколь угодно больших значений k x
и k y .
Еслипространственный спектр падающего излучения содержит (как при отражениисферич. волны) компоненты с k x
(или k y
),большими ,то в формировании отражённой волны помимо волн с действительными k z
принимают участие также неоднородные волны, для к-рых k, -
чистомнимая величина. Этот подход, предложенный в 1919 Г. Вейлем (Н. Weyl) иполучивший своё дальнейшее развитие в представлениях фурье-оптики, даётпоследоват. описание отражения волны произвольной формы от плоской грашщыраздела.
При рассмотрении О. з. возможен такжелучевой подход, к-рый основан на принципах геометрической акустики.
Падающееизлучение рассматривается как совокупность лучей, взаимодействующих с границейраздела. При этом учитывается, что падающие лучи не только отражаются ипреломляются обычным образом, подчиняясь законам Снелля, но и что частьлучей, падающих на поверхность раздела под определёнными углами, возбуждаетт. н. боковые волны, а также вытекающие (Рэлея и др.)или вытекающие волноводные (Лэмба волны и др.). Распространяясь вдольповерхности раздела, такие волны вновь переизлучаются в среду и участвуютв формировании отражённой волны. Для практики осн. значение имеет отражениесферич. волн, коллимнрованных акустпч. пучков конечного сечения и фокусированныхзвуковых пучков.
Отражение сферических волн
. Картина отражения сферич. волны, создаваемой в жидкости I точечнымисточником О,
зависит от соотношения между скоростями звука с
1 и с 2 в
соприкасающихся жидкостях I и II (рис. 7). Еслиc t > с 2 , то критич. угол отсутствует и отражениепроисходит по законам геом. акустики. В среде I возникает отражённая сферич. О". образуя мнимое изображениеисточника, а отражённой волны представляет собой часть сферыс центром в точке О".
Рис. 7. Отражение сферической волны награнице раздела двух жидкостей: О и О" - действительный имнимый источники; 1 - фронт отражённой сферической волны; 2 - фронт преломлённой волны; 3 - фронт боковой волны.
Когда c 2 l иимеется критич. угол в среде I помимо отражённой сферич. волны возникает ещё одна компонентаотражённого излучения. Лучи, падающие на границу раздела под критич. углом возбуждают в среде II волну, к-рая распространяется со скоростью с 2 вдоль поверхности - раздела и переизлучается в среду I, формируя т. н. О вдоль ОА и затемперешедшие снова в среду I в разл. точках границы раздела от точки . доточки С, в к-рой в этот момент находится фронт преломлённой волны. СВ, наклонённый к границе под углом и простирающийся до точки В, где он смыкается с фронтом зеркальноотражённой сферич. волны. В пространстве фронт боковой волны представляетсобой поверхность усечённого конуса, возникающего при вращении отрезка СВ вокругпрямой ОО". При отражении сферич. волны в жидкости от поверхноститвёрдого тела подобная же конич. волна образуется за счёт возбуждения награнице раздела вытекающей рэлеевской волны. Отражение сферич. волн - одиниз основных эксперим. методов геоакустики, сейсмологии, гидроакустики иакустики океана.
Отражение акустических пучков конечногосечения
. Отражение коллимированных звуковых пучков, волновойфронт к-рых в осн. части пучка близок к плоскому, происходит для большинствауглов падения так, будто отражается плоская волна. При отражении пучка, или рэлеевскому углу наряду с зеркальным отражением происходит эфф. боковой иливытекающей ролеевской волны. Поле отражённого пучка в этом случае являетсясуперпозицией зеркально отражённого пучка и переизлучённых волн. В зависимостиот ширины пучка, упругих и вязких свойств граничащих сред возникает либолатеральный (параллельный) сдвиг пучка в плоскости раздела (т. н. смещениеШоха) (рис. 8), либо существенное уширение пучка и появление тонкой 
Рис. 8. Латеральное смещение пучка приотражении: 1 - падающий пучок; 2 - зеркально отражённый пучок;3- реально отражённый пучок.
структуры. При падении пучка под угломРэлея характер искажений определяется соотношением между шириной пучка . ирадиац. затуханием вытекающей рэлеевской волны
где - длина звуковой волны в жидкости, А -
числовой множитель, близкийк единице. Если ширина пучка значительно больше длины радиац. затухания происходит лишь смещение пучка вдоль поверхности раздела на величину В случае узкого пучка засчёт переизлучения вытекающей поверхностной волны пучок существенно уширяетсяи перестаёт быть симметричным (рис. 9). Внутри области, занятой зеркальноотражённым пучком, в результате интерференции возникает нулевой минимумамплитуды и пучок распадается на две части. Незеркальное отражение коллимиров. 
Рис. 9. Отражение звукового пучка конечногосечения, падающего из жидкости Ж на поверхность твёрдого тела Т под угломРэлея: 1 - падающий пучок; 2 - отражённый пучок; а - областьнулевой амплитуды; б - область хвоста пучка.
В последнем случае незеркальный характеротражения обусловлен возбуждением в слое или пластине вытекающих волноводныхмод. Существенную роль играют боковые и вытекающие волны при отражениифокусированных УЗ-пучков. В частности, эти волны используются в микроскопииакустической
для формирования акустич. изображений и проведения количеств, Лит.:
1) Бреховских Л. М., Волныв слоистых средах, 2 изд., М., 1973; 2) Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Гидродинамика,4 изд., М., 1988; 3) Бреховских Л. М., Годин О. А., Акустика слоистых сред, В. М. Левин.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .