Fenomen difrakcije je značilen za popolnoma vse valove, na primer za elektromagnetno valovanje ali valovanje na površini vode. Ta članek govori o difrakciji zvoka. Upoštevane so značilnosti tega pojava, podani so primeri njegove manifestacije v vsakdanjem življenju in človeški rabi.
zvočni val
Preden razmislimo o difrakciji zvoka, je vredno povedati nekaj besed o tem, kaj je zvočni val. To je fizični proces prenosa energije v katerem koli materialnem mediju brez premikanja snovi. Val je harmonično nihanje delcev snovi, ki se širijo v mediju. Na primer, v zraku te vibracije vodijo do nastanka območij visokega in nizkega tlaka, medtem ko so v trdnem telesu to že območja tlačne in natezne napetosti.
Zvočni val se v mediju širi z določeno hitrostjo, ki je odvisna od lastnosti medija (temperatura, gostota in drugo). Pri 20 oC v zraku zvok potuje s približno 340 m/s. Glede na to, da človek sliši frekvence od 20 Hz do 20 kHz, je mogoče določitiustrezne omejevalne valovne dolžine. Če želite to narediti, lahko uporabite formulo:
v=fλ.
Kjer je f frekvenca nihanja, λ je njihova valovna dolžina in v je hitrost gibanja. Če zamenjamo zgornje številke, se izkaže, da človek sliši valove z valovnimi dolžinami od 1,7 centimetra do 17 metrov.
Koncept difrakcije valov
Difrakcija zvoka je pojav, pri katerem se valovna fronta upogne, ko na svoji poti naleti na neprozorno oviro.
Osupljiv vsakdanji primer difrakcije je naslednji: dve osebi sta v različnih sobah stanovanja in se ne vidita. Ko eden od njiju nekaj zavpije drugemu, drugi zasliši zvok, kot da je njegov vir na vratih, ki povezujejo sobe.
Obstajata dve vrsti difrakcije zvoka:
- Upogibanje okoli ovire, katere dimenzije so manjše od valovne dolžine. Ker človek sliši precej velike valovne dolžine zvočnih valov (do 17 metrov), se ta vrsta difrakcije pogosto pojavlja v vsakdanjem življenju.
- Sprememba valovne fronte, ko prehaja skozi ozko luknjo. Vsi vedo, da če pustite vrata malo priprta, potem vsak hrup od zunaj, ki prodre v ozko režo rahlo odprtih vrat, napolni celotno sobo.
Razlika med uklonom svetlobe in uklonom zvoka
Ker govorimo o istem pojavu, ki ni odvisen od narave valov, so formule za difrakcijo zvoka popolnoma enake kot pri svetlobi. Na primer, ko gremo skozi režo v vratih, lahko zapišemo pogoj za minimum, podoben tistemu za difrakcijoFraunhofer na ozki vrzeli, to je:
sin(θ)=mλ/d, kjer je m=±1, 2, 3, …
Tukaj je d širina reže vrat. Ta formula določa območja v prostoru, kjer zvok od zunaj ne bo slišan.
Razlike med uklonom zvoka in svetlobe so zgolj kvantitativne. Dejstvo je, da je valovna dolžina svetlobe nekaj sto nanometrov (400-700 nm), kar je 100.000-krat manj od dolžine najmanjših zvočnih valov. Pojav uklona se močno pokaže, če so dimenzije vala in ovir blizu. Zaradi tega se v zgornjem primeru dve osebi, ki sta v različnih sobah, ne vidita, ampak slišita.
Difrakcija kratkih in dolgih valov
V prejšnjem odstavku je podana formula za uklon zvoka z režo, pod pogojem, da je valovna fronta ravna. Iz formule je razvidno, da bodo pri konstantni vrednosti d koti θ manjši, krajši bodo valovi λ padali na režo. Z drugimi besedami, kratki valovi se slabše lomijo od dolgih. Tukaj je nekaj primerov iz resničnega življenja, ki podpirajo ta sklep.
- Ko se človek sprehodi po mestni ulici in pride do kraja, kjer igrajo glasbeniki, najprej zasliši nizke frekvence (bas). Ko se približa glasbenikom, začne slišati višje frekvence.
- Robot groma, ki se je zgodil nedaleč od opazovalca, se mu zdi precej visok (ne smemo ga zamenjevati z intenzivnostjo) od istega naleta nekaj deset kilometrov stran.
Razlaga učinkov, navedenih v teh primerih, je večja zmožnost difrakcije nizkih frekvenc zvoka in njihova manjša sposobnost absorpcije v primerjavi z visokimi frekvencami.
Ultrazvočna lokacija
Je metoda analize ali orientacije na območju. V obeh primerih je zamisel oddati ultrazvočne valove (λ<1, 7 cm) iz vira, nato jih odbiti od preučevanega predmeta in analizirati odbito valovanje s strani sprejemnika. To metodo človek uporablja za analizo pomanjkljive strukture trdnih materialov, za preučevanje topografije morskih globin in na nekaterih drugih območjih. Z uporabo ultrazvočne lokacije netopirji in delfini krmarijo po vesolju.
Difrakcija zvoka in ultrazvočna lokacija sta dva sorodna pojava. Krajša kot je valovna dolžina, slabše se lomi. Poleg tega je ločljivost prejetega odbitega signala neposredno odvisna od valovne dolžine. Pojav uklona ne omogoča razlikovanja med dvema predmetoma, med katerima je razdalja manjša od dolžine uklonenega vala. Zaradi teh razlogov se uporablja ultrazvočna in ne zvočna ali infrazvočna lokacija.
