Феноменът на дифракция е характерен за абсолютно всякакви вълни, например електромагнитни вълни или вълни на повърхността на водата. Тази статия говори за дифракцията на звука. Разгледани са особеностите на това явление, дадени са примери за неговото проявление в ежедневието и човешката употреба.
Звукова вълна
Преди да разгледаме дифракцията на звука, си струва да кажем няколко думи за това какво е звукова вълна. Това е физически процес на пренос на енергия във всяка материална среда, без да се движи материя. Вълната е хармонична вибрация на частици на материята, които се разпространяват в среда. Например във въздуха тези вибрации водят до появата на зони с високо и ниско налягане, докато в твърдо тяло това вече са области на напрежение на натиск и опън.
Звукова вълна се разпространява в среда с определена скорост, която зависи от свойствата на средата (температура, плътност и други). При 20 oC във въздуха звукът се движи с приблизително 340 m/s. Като се има предвид, че човек чува честоти от 20 Hz до 20 kHz, е възможно да се определисъответните ограничаващи дължини на вълната. За да направите това, можете да използвате формулата:
v=fλ.
Където f е честотата на трептенията, λ е тяхната дължина на вълната, а v е скоростта на движение. Замествайки горните числа, се оказва, че човек чува вълни с дължина на вълната от 1,7 сантиметра до 17 метра.
Концепцията за дифракция на вълните
Звуковата дифракция е явление, при което вълновият фронт се огъва, когато срещне непрозрачно препятствие по пътя си.
Поразителен ежедневен пример за дифракция е следният: двама души са в различни стаи на апартамент и не се виждат. Когато единият извика нещо на другия, вторият чува звук, сякаш източникът му е във вратата, свързваща стаите.
Има два вида дифракция на звука:
- Огъване около препятствие, чиито размери са по-малки от дължината на вълната. Тъй като човек чува доста големи дължини на звуковите вълни (до 17 метра), този тип дифракция често се среща в ежедневието.
- Промяна на фронта на вълната, когато преминава през тесен отвор. Всеки знае, че ако оставиш вратата малко открехната, тогава всеки шум отвън, проникващ през тясната междина на леко отворената врата, изпълва цялата стая.
Разликата между дифракцията на светлината и тази на звука
Тъй като говорим за едно и също явление, което не зависи от естеството на вълните, формулите за дифракция на звука са абсолютно същите като за светлината. Например при преминаване през процеп във врата може да се напише условие за минимума, подобно на това за дифракцияФраунхофер на тясна празнина, тоест:
sin(θ)=mλ/d, където m=±1, 2, 3, …
Тук d е ширината на пролуката на вратата. Тази формула определя зоните в стаята, където звукът отвън няма да се чува.
Разликите между дифракцията на звука и светлината са чисто количествени. Факт е, че дължината на вълната на светлината е няколкостотин нанометра (400-700 nm), което е 100 000 пъти по-малко от дължината на най-малките звукови вълни. Явлението на дифракция се проявява силно, ако размерите на вълната и препятствията са близки. Поради тази причина в описания по-горе пример двама души, намиращи се в различни стаи, не се виждат, но чуват.
Дифракция на къси и дълги вълни
В предишния параграф е дадена формулата за дифракция на звука от процеп, при условие че фронтът на вълната е плосък. От формулата се вижда, че при постоянна стойност на d, ъглите θ ще бъдат толкова по-малки, колкото по-къси ще падат вълните λ върху процепа. С други думи, късите вълни дифрагират по-лошо от дългите. Ето няколко примера от реалния живот в подкрепа на това заключение.
- Когато човек върви по улица на града и дойде на място, където свирят музиканти, той първо чува ниски честоти (бас). Когато се приближава до музикантите, той започва да чува по-високи честоти.
- Гръмотевицата, която се е случила недалеч от наблюдателя, му се струва доста висока (да не се бърка с интензитета) от същото хвърляне на няколко десетки километра.
Обяснението за ефектите, отбелязани в тези примери, е по-голямата способност на ниските честоти на звука да дифрагират и по-малката им способност да се абсорбират в сравнение с високите.
Ултразвуково местоположение
Това е метод за анализ или ориентация в района. И в двата случая идеята е да се излъчват ултразвукови вълни (λ<1, 7 cm) от източника, след което да се отразяват от изследвания обект и да се анализира отразената вълна от приемника. Този метод се използва от човека за анализиране на дефектната структура на твърди материали, за изследване на топографията на морските дълбини и в някои други области. Използвайки ултразвуково местоположение, прилепите и делфините се движат в пространството.
Звуковата дифракция и ултразвуковото местоположение са две свързани явления. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-зле дифрагира. Освен това разделителната способност на получения отразен сигнал зависи пряко от дължината на вълната. Явлението дифракция не позволява да се разграничат два обекта, разстоянието между които е по-малко от дължината на дифрагираната вълна. Поради тези причини се използва ултразвуково, а не звуково или инфразвуково местоположение.
