§ 40. Отражение волн

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.