Fenomenet diffraktion är karakteristiskt för absolut alla vågor, till exempel elektromagnetiska vågor eller vågor på vattenytan. Den här artikeln talar om diffraktionen av ljud. Funktionerna hos detta fenomen beaktas, exempel på dess manifestation i vardagslivet och mänskligt bruk ges.
Ljudvåg
Innan vi överväger ljuddiffraktionen är det värt att säga några ord om vad en ljudvåg är. Det är en fysisk process för att överföra energi i vilket material som helst utan att flytta materia. En våg är en harmonisk vibration av materiepartiklar som fortplantar sig i ett medium. Till exempel i luft leder dessa vibrationer till uppkomsten av områden med högt och lågt tryck, medan det i en fast kropp redan är områden med tryck- och dragspänning.
En ljudvåg fortplantar sig i ett medium med en viss hastighet, vilket beror på mediets egenskaper (temperatur, densitet och andra). Vid 20 oC i luften färdas ljud med cirka 340 m/s. Med tanke på att en person hör frekvenser från 20 Hz till 20 kHz, är det möjligt att bestämmamotsvarande begränsande våglängder. För att göra detta kan du använda formeln:
v=fλ.
Där f är svängningarnas frekvens, λ är deras våglängd och v är rörelsehastigheten. Genom att ersätta ovanstående siffror visar det sig att en person hör vågor med våglängder från 1,7 centimeter till 17 meter.
Begreppet vågdiffraktion
Ljuddiffraktion är ett fenomen där en vågfront böjs när den möter ett ogenomskinligt hinder längs sin väg.
Ett slående vardagsexempel på diffraktion är följande: två personer är i olika rum i en lägenhet och ser inte varandra. När en av dem ropar något till den andre, hör den andra ett ljud, som om dess källa är i dörröppningen som förbinder rummen.
Det finns två typer av ljuddiffraktion:
- Böjer sig runt ett hinder vars dimensioner är mindre än våglängden. Eftersom en person hör ganska stora våglängder av ljudvågor (upp till 17 meter) finns denna typ av diffraktion ofta i vardagen.
- Förändring av vågfronten när den passerar genom ett sm alt hål. Alla vet att om du lämnar dörren lite på glänt, så fyller alla ljud från utsidan, som tränger in i den smala luckan i den lätt öppna dörren, hela rummet.
Skillnaden mellan ljusets diffraktion och ljudets
Eftersom vi talar om samma fenomen, som inte beror på vågornas natur, är ljuddiffraktionsformlerna exakt desamma som för ljus. Till exempel, när man passerar genom en slits i en dörr, kan man skriva ett villkor för minimum liknande det för diffraktionFraunhofer på en smal lucka, det vill säga:
sin(θ)=mλ/d, där m=±1, 2, 3, …
Här d är bredden på dörrgapet. Denna formel bestämmer de områden i rummet där ljud utifrån inte kommer att höras.
Skillnaderna mellan ljud- och ljusdiffraktion är rent kvantitativa. Faktum är att ljusets våglängd är flera hundra nanometer (400-700 nm), vilket är 100 000 gånger mindre än längden på de minsta ljudvågorna. Diffraktionsfenomenet manifesteras starkt om vågens dimensioner och hindren är nära. Av denna anledning, i exemplet som beskrivs ovan, ser två personer, som befinner sig i olika rum, inte varandra, utan hör.
Diffraktion av korta och långa vågor
I föregående stycke anges formeln för ljudets diffraktion genom en slits, förutsatt att vågfronten är platt. Från formeln kan man se att vid ett konstant värde på d kommer vinklarna θ att vara desto mindre, ju kortare vågorna λ faller på slitsen. Korta vågor diffrakterar med andra ord sämre än långa. Här är några verkliga exempel som stödjer denna slutsats.
- När en person går på en stadsgata och kommer till en plats där musiker spelar, hör han först låga frekvenser (bas). När han närmar sig musikerna börjar han höra högre frekvenser.
- Åskan, som inträffade inte långt från observatören, förefaller honom ganska hög (inte att förväxla med intensitet) än samma rulle några tiotals kilometer bort.
Förklaringen till effekterna som noteras i dessa exempel är den större förmågan hos låga frekvenser av ljud att diffraktera och deras mindre förmåga att absorberas jämfört med höga frekvenser.
Ultraljudplats
Det är en metod för analys eller orientering i området. I båda fallen är tanken att sända ut ultraljudsvågor (λ<1, 7 cm) från källan, sedan reflektera dem från föremålet som studeras och analysera den reflekterade vågen av mottagaren. Denna metod används av människan för att analysera den defekta strukturen hos fasta material, för att studera havsdjupens topografi och i vissa andra områden. Med hjälp av ultraljudslokalisering navigerar fladdermöss och delfiner i rymden.
Ljuddiffraktion och ultraljudsposition är två relaterade fenomen. Ju kortare våglängd, desto sämre diffrakterar den. Dessutom beror upplösningen av den mottagna reflekterade signalen direkt på våglängden. Diffraktionsfenomenet tillåter inte att man kan skilja mellan två objekt, vars avstånd är mindre än längden på den diffrakterade vågen. Av dessa skäl är det ultraljud snarare än ljud- eller infraljudsplats som används.
