Отражение и поглощение акустических волн

Проходя границу раздела двух сред, акустические волны претерпевают отражение и преломление по законам, аналогичным законам отражения и преломления света (рис.6). Коэффициент отражения ( R ) определяется отношением интенсивности отраженной акустической волны (I_отр) к интенсивности волны, падающей на границу раздела ( I_пад): R = I_отр /I_пад. Его величина зависит от соотношения плотностей сред (r₁ и r₂) и скоростей распространения акустических волн в этих средах (v₁ и v₂) . Произведение плотности среды на скорость распространения в ней акустических волн называют удельным акустическим импедансом или волновым сопротивлением:Z = r v .

Так как v = ( см. формулу (1)) , то Z = .

При нормальном падении:

R = или R = . (5)

Из формулы (5) видно, что чем больше отличаются акустические импедансы сред, тем выше коэффициент отражения. Так, например, на границе раздела воздух-вода отражается свыше 99% энергии акустической волны и лишь весьма малая часть ее проникает в воду при падении из воздуха. Отражение на границах раздела различных биологических тканей существенно меньше. В частности, при прохождении ультразвуковой волны из мышцы в кость коэффициент отражения составляет 30-40%. Очевидно, что коэффициент проникновения b = 1 - R.

Итак, при падении акустических волн с интенсивностью I_пад на границу раздела двух сред возникают отраженные волны с интенсивностью I_отр = RI_пад и волны, входящие во вторую среду, с интенсивностью I_вх = bI_пад .

При распространении акустических волн в среде происходит их поглощение и рассеяние, причем, убыль интенсивности волны с увеличением проходимого в среде расстояния подчиняется экспоненциальному закону :

I_пр = I_вх e^-кх , (6)

где I_пр - интенсивность волны после прохождения в среде расстояния х, к - показатель ослабления, зависящий от свойств среды и частоты волны. Графически эта зависимость представлена на рис.7.

Поглощение акустических волн в среде сильно зависит от их частоты. С увеличением частоты wкоэффициент к в формуле (6) увеличивается – высокочастотные акустические волны поглощаются существенно сильнее, чем низкочастотные.