Fenomenet diffraksjon er karakteristisk for absolutt alle bølger, for eksempel elektromagnetiske bølger eller bølger på vannoverflaten. Denne artikkelen snakker om diffraksjon av lyd. Egenskapene til dette fenomenet vurderes, eksempler på dets manifestasjon i hverdagen og menneskelig bruk er gitt.
Lydbølge
Før du vurderer diffraksjonen av lyd, er det verdt å si noen ord om hva en lydbølge er. Det er en fysisk prosess for å overføre energi i ethvert materiell medium uten å flytte materie. En bølge er en harmonisk vibrasjon av materiepartikler som forplanter seg i et medium. For eksempel i luft fører disse vibrasjonene til fremveksten av områder med høyt og lavt trykk, mens i et solid legeme er dette allerede områder med trykk- og strekkspenning.
En lydbølge forplanter seg i et medium med en viss hastighet, som avhenger av egenskapene til mediet (temperatur, tetthet og andre). Ved 20 oC i luften beveger lyden seg med omtrent 340 m/s. Tatt i betraktning at en person hører frekvenser fra 20 Hz til 20 kHz, er det mulig å bestemmetilsvarende begrensende bølgelengder. For å gjøre dette kan du bruke formelen:
v=fλ.
Hvor f er frekvensen til svingninger, λ er deres bølgelengde, og v er bevegelseshastigheten. Ved å erstatte tallene ovenfor, viser det seg at en person hører bølger med bølgelengder fra 1,7 centimeter til 17 meter.
Konseptet med bølgediffraksjon
Lyddiffraksjon er et fenomen der en bølgefront bøyer seg når den møter en ugjennomsiktig hindring langs sin vei.
Et slående dagligdags eksempel på diffraksjon er følgende: to personer er i forskjellige rom i en leilighet og ser ikke hverandre. Når en av dem roper noe til den andre, hører den andre en lyd, som om kilden er i døråpningen som forbinder rommene.
Det finnes to typer lyddiffraksjon:
- Bøyer rundt et hinder hvis dimensjoner er mindre enn bølgelengden. Siden en person hører ganske store bølgelengder av lydbølger (opptil 17 meter), finnes denne typen diffraksjon ofte i hverdagen.
- Endring av bølgefronten når den passerer gjennom et sm alt hull. Alle vet at hvis du lar døren stå litt på gløtt, så fyller enhver støy fra utsiden, som trenger gjennom det trange gapet til den litt åpne døren, hele rommet.
Forskjellen mellom lysets diffraksjon og lyd
Siden vi snakker om det samme fenomenet, som ikke er avhengig av bølgenes natur, er lyddiffraksjonsformlene nøyaktig de samme som for lys. For eksempel, når man passerer gjennom en sp alte i en dør, kan man skrive en betingelse for minimum lik den for diffraksjonFraunhofer på et sm alt gap, det vil si:
sin(θ)=mλ/d, hvor m=±1, 2, 3, …
Her er d bredden på dørgapet. Denne formelen bestemmer områdene i rommet der lyd fra utsiden ikke kan høres.
Forskjellene mellom lyd- og lysdiffraksjon er rent kvantitative. Faktum er at lysets bølgelengde er flere hundre nanometer (400-700 nm), som er 100 000 ganger mindre enn lengden på de minste lydbølgene. Fenomenet diffraksjon er sterkt manifestert hvis dimensjonene til bølgen og hindringene er nære. Av denne grunn, i eksemplet beskrevet ovenfor, ser ikke to personer, som befinner seg i forskjellige rom, hverandre, men hører.
Diffraksjon av korte og lange bølger
I forrige avsnitt er formelen for diffraksjon av lyd ved en sp alte gitt, forutsatt at bølgefronten er flat. Fra formelen kan det ses at ved en konstant verdi på d, vil vinklene θ være jo mindre, jo kortere vil bølgene λ falle på sp alten. Korte bølger diffrakterer med andre ord verre enn lange. Her er noen eksempler fra virkeligheten for å støtte denne konklusjonen.
- Når en person går nedover en bygate og kommer til et sted der musikere spiller, hører han først lave frekvenser (bass). Når han nærmer seg musikerne, begynner han å høre høyere frekvenser.
- Tordenrullen, som skjedde ikke langt fra observatøren, virker for ham ganske høy (ikke å forveksle med intensitet) enn den samme rullen noen titalls kilometer unna.
Forklaringen på effektene som er nevnt i disse eksemplene er den større evnen til lave lydfrekvenser har til å diffraktere og deres mindre evne til å bli absorbert sammenlignet med høye frekvenser.
ultrasonisk plassering
Det er en metode for analyse eller orientering i området. I begge tilfeller er ideen å sende ut ultralydbølger (λ<1, 7 cm) fra kilden, deretter reflektere dem fra objektet som studeres og analysere den reflekterte bølgen av mottakeren. Denne metoden brukes av mennesker til å analysere den defekte strukturen til faste materialer, for å studere topografien til havdypet og i noen andre områder. Ved å bruke ultralydsposisjon kan flaggermus og delfiner navigere i verdensrommet.
Lyddiffraksjon og ultralydplassering er to relaterte fenomener. Jo kortere bølgelengden er, jo dårligere diffrakterer den. Dessuten avhenger oppløsningen til det mottatte reflekterte signalet direkte av bølgelengden. Fenomenet diffraksjon tillater ikke å skille mellom to objekter, hvor avstanden mellom disse er mindre enn lengden på den diffrakterte bølgen. Av disse grunnene er det ultralyd i stedet for lyd- eller infralydplassering som brukes.
