Відбиття та заломлення акустичних хвиль

Якщо плоска акустична хвиля падає на плоску межу розділу двох різних середовищ, спостерігаються явища відбиття та заломлення хвиль. Падаюча хвиля частково відбивається і частково проходить в інше середовище. При цьому хвиля змінює напрямок свого розповсюдження, але залишається плоскою як після відбиття, так і після заломлення. Позначимо хвильовий вектор падаючої хвилі , відбитої хвилі - , заломленої хвилі - (рис.10.8). Позначимо також кут падіння, кут відбиття і кут заломлення відповідно . Відлік кутів здійснюється від перпендикуляра, проведеного до поверхні розділу у точці падіння. Нехай швидкість хвиль у першому середовищі дорівнює , а у другому середовищі . Сформулюємо закони відбиття і заломлення.

Закон відбиття:

· кут падіння дорівнює куту відбиття, ,

· вектори , і перпендикуляр (рис.10.8) знаходяться в одній площині.

Закон заломлення:

· кут падіння і кут заломлення зв’язані співвідношенням ,

· вектори , і перпендикуляр знаходяться в одній площині.

Якщо падаюча хвиля являє собою суміш хвиль різної поляризації, і якщо у другому середовищі швидкість розповсюдження хвиль залежить від поляризації, то спостерігається явище подвійного променезаломлення: компоненти падаючої хвилі різної поляризації після заломлення будуть розповсюджуватись у різних напрямках.

Якщо акустична хвиля розповсюджується у середовищі, в якому швидкість хвиль змінюється плавно від точки до точки (неоднорідне середовище), то спостерігається явище рефракції: хвиля не розповсюджується по прямій, а неперервно змінює свій напрямок (вектор повертається у той бік, де швидкість хвиль менша ). Явище рефракції має місце при розповсюдженні механічних хвиль в атмосфері, в океані, у товщі Землі.

При проходженні через межу розділу двох різних середовищ інтенсивність акустичної хвилі частка зменшується за рахунок того, що частина її відбивається. Яка доля інтенсивності хвилі відіб’ється, а яка пройде – це залежить і від характеристик середовищ, що межують, і від властивостей поверхні розділу, і від кута падіння. Відношення інтенсивності хвилі, що пройшла через межу розділу, до інтенсивності падаючої хвилі називається коефіцієнтом пропускання. Якщо поверхня розділу ідеально плоска, то при нормальному падінні коефіцієнт пропускання дорівнює

,

де - густини та швидкості хвиль у двох середовищах. З наведеного виразу видно, що коефіцієнт проходження максимальний ( ), коли середовища характеризуються однаковими величинами добутків густини на швидкість хвиль, . Наприклад, якщо одне середовище – повітря, а інше – вода, то чисельна оцінка дозволяє отримати величину 0,0012. Отже, лише мала частина інтенсивності акустичної хвилі проходить через межу розділу вода-повітря, а левова частка відбивається.