Zjawisko dyfrakcji jest charakterystyczne dla absolutnie dowolnych fal, na przykład fal elektromagnetycznych lub fal na powierzchni wody. Ten artykuł mówi o dyfrakcji dźwięku. Uwzględniono cechy tego zjawiska, podano przykłady jego przejawów w życiu codziennym i ludzkim zastosowaniu.
Fala dźwiękowa
Zanim zajmiemy się dyfrakcją dźwięku, warto powiedzieć kilka słów o tym, czym jest fala dźwiękowa. Jest to fizyczny proces przekazywania energii w dowolnym materialnym medium bez poruszania materii. Fala to harmoniczne wibracje cząstek materii, które rozchodzą się w ośrodku. Na przykład w powietrzu drgania te prowadzą do powstania obszarów wysokiego i niskiego ciśnienia, podczas gdy w ciele stałym są to już obszary naprężeń ściskających i rozciągających.
Fala dźwiękowa rozchodzi się w ośrodku z określoną prędkością, która zależy od właściwości ośrodka (temperatura, gęstość i inne). W temperaturze 20 °C w powietrzu dźwięk przemieszcza się z prędkością około 340 m/s. Biorąc pod uwagę, że dana osoba słyszy częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz, można określićodpowiednie ograniczające długości fal. Aby to zrobić, możesz użyć formuły:
v=fλ.
Gdzie f to częstotliwość drgań, λ to ich długość fali, a v to prędkość ruchu. Zastępując powyższe liczby, okazuje się, że osoba słyszy fale o długości fali od 1,7 centymetra do 17 metrów.
Pojęcie dyfrakcji fal
Dyfrakcja dźwięku to zjawisko, w którym czoło fali ugina się, gdy napotyka na swojej drodze nieprzezroczystą przeszkodę.
Uderzającym przykładem dyfrakcji na co dzień jest następująca sytuacja: dwie osoby znajdują się w różnych pokojach w mieszkaniu i nie widzą się nawzajem. Kiedy jeden z nich krzyczy coś do drugiego, drugi słyszy dźwięk, tak jakby jego źródło znajdowało się w drzwiach łączących pokoje.
Istnieją dwa rodzaje dyfrakcji dźwięku:
- Zginanie się wokół przeszkody, której wymiary są mniejsze niż długość fali. Ponieważ człowiek słyszy fale dźwiękowe o dość dużej długości (do 17 metrów), ten rodzaj dyfrakcji jest często spotykany w życiu codziennym.
- Zmiana czoła fali podczas przechodzenia przez wąski otwór. Każdy wie, że jeśli zostawisz drzwi trochę uchylone, to każdy hałas z zewnątrz, przenikający wąską szczelinę lekko uchylonych drzwi, wypełnia całe pomieszczenie.
Różnica między dyfrakcją światła i dźwięku
Ponieważ mówimy o tym samym zjawisku, które nie zależy od natury fal, wzory na dyfrakcję dźwięku są dokładnie takie same jak dla światła. Na przykład przechodząc przez szczelinę w drzwiach można napisać warunek na minimum podobny do warunku dyfrakcjiFraunhofer na wąskiej szczelinie, czyli:
sin(θ)=mλ/d, gdzie m=±1, 2, 3, …
Tutaj d jest szerokością szczeliny drzwi. Ten wzór określa obszary w pomieszczeniu, w których dźwięk z zewnątrz nie będzie słyszalny.
Różnice między dyfrakcją dźwięku i światła są czysto ilościowe. Faktem jest, że długość fali światła wynosi kilkaset nanometrów (400-700 nm), czyli 100 000 razy mniej niż długość najmniejszych fal dźwiękowych. Zjawisko dyfrakcji jest silnie widoczne, gdy wymiary fali i przeszkód są zbliżone. Z tego powodu w opisanym powyżej przykładzie dwie osoby znajdujące się w różnych pokojach nie widzą się, ale słyszą.
Dyfrakcja fal krótkich i długich
W poprzednim akapicie podano wzór na dyfrakcję dźwięku przez szczelinę, pod warunkiem, że czoło fali jest płaskie. Ze wzoru widać, że przy stałej wartości d kąty θ będą tym mniejsze, im krótsze fale λ będą padać na szczelinę. Innymi słowy, krótkie fale ulegają dyfrakcji gorzej niż długie. Oto kilka rzeczywistych przykładów potwierdzających ten wniosek.
- Kiedy ktoś idzie ulicą miasta i dochodzi do miejsca, w którym grają muzycy, najpierw słyszy niskie częstotliwości (bas). Gdy podchodzi do muzyków, zaczyna słyszeć wyższe częstotliwości.
- Rzut grzmotu, który nastąpił niedaleko obserwatora, wydaje mu się dość wysoki (nie mylić z intensywnością) niż ten sam tok kilkadziesiąt kilometrów dalej.
Wytłumaczeniem efektów odnotowanych w tych przykładach jest większa zdolność niskich częstotliwości dźwięku do dyfrakcji i ich mniejsza zdolność do pochłaniania w porównaniu z wysokimi częstotliwościami.
Lokalizacja ultradźwiękowa
Jest to metoda analizy lub orientacji w terenie. W obu przypadkach chodzi o wyemitowanie fal ultradźwiękowych (λ<1, 7 cm) ze źródła, następnie odbicie ich od badanego obiektu i analizę odbitej fali przez odbiornik. Metoda ta jest wykorzystywana przez człowieka do analizy wadliwej struktury materiałów stałych, do badania topografii głębin morskich oraz w niektórych innych obszarach. Korzystając z lokalizacji ultradźwiękowej, nietoperze i delfiny poruszają się w kosmosie.
Dyfrakcja dźwięku i lokalizacja ultradźwiękowa to dwa powiązane zjawiska. Im krótsza długość fali, tym gorzej ulega dyfrakcji. Ponadto rozdzielczość odbieranego odbitego sygnału zależy bezpośrednio od długości fali. Zjawisko dyfrakcji nie pozwala na rozróżnienie dwóch obiektów, których odległość jest mniejsza niż długość fali ugiętej. Z tych powodów używana jest lokalizacja ultradźwiękowa, a nie dźwiękowa lub infradźwiękowa.
