Fenomenul de difracție este caracteristic absolut oricăror unde, de exemplu, undele electromagnetice sau undele de pe suprafața apei. Acest articol vorbește despre difracția sunetului. Sunt luate în considerare caracteristicile acestui fenomen, sunt date exemple de manifestare a acestuia în viața de zi cu zi și în uz uman.
Undă sonoră
Înainte de a lua în considerare difracția sunetului, merită să spuneți câteva cuvinte despre ce este o undă sonoră. Este un proces fizic de transfer de energie în orice mediu material fără a mișca materia. Unda este o vibrație armonică a particulelor de materie care se propagă într-un mediu. De exemplu, în aer, aceste vibrații duc la apariția unor zone de presiune în altă și joasă, în timp ce într-un corp solid, acestea sunt deja zone de efort de compresiune și tracțiune.
O undă sonoră se propagă într-un mediu cu o anumită viteză, care depinde de proprietățile mediului (temperatură, densitate și altele). La 20 oC în aer, sunetul circulă cu aproximativ 340 m/s. Având în vedere că o persoană aude frecvențe de la 20 Hz la 20 kHz, este posibil să se determinelungimi de undă limită corespunzătoare. Pentru a face acest lucru, puteți folosi formula:
v=fλ.
Unde f este frecvența oscilațiilor, λ este lungimea de undă a acestora și v este viteza de mișcare. Înlocuind numerele de mai sus, se dovedește că o persoană aude valuri cu lungimi de undă de la 1,7 centimetri la 17 metri.
Conceptul de difracție a undelor
Difracția sunetului este un fenomen în care un front de undă se îndoaie atunci când întâlnește un obstacol opac pe calea sa.
Un exemplu uimitor de zi cu zi de difracție este următorul: două persoane se află în camere diferite ale unui apartament și nu se văd. Când unul dintre ei strigă ceva celuil alt, cel de-al doilea aude un sunet, ca și cum sursa lui se află în ușa care leagă camerele.
Există două tipuri de difracție a sunetului:
- Aplecare în jurul unui obstacol ale cărui dimensiuni sunt mai mici decât lungimea de undă. Deoarece o persoană aude lungimi de undă destul de mari ale undelor sonore (până la 17 metri), acest tip de difracție se găsește adesea în viața de zi cu zi.
- Schimbarea frontului de undă când trece printr-o gaură îngustă. Toată lumea știe că, dacă lași ușa puțin întredeschisă, atunci orice zgomot din exterior, care pătrunde prin golul îngust al ușii ușor deschise, umple întreaga cameră.
Diferenta dintre difracția luminii și cea a sunetului
De vreme ce vorbim despre același fenomen, care nu depinde de natura undelor, formulele de difracție a sunetului sunt exact aceleași ca pentru lumină. De exemplu, când treceți printr-o fantă dintr-o ușă, se poate scrie o condiție pentru minim similară cu cea pentru difracțieFraunhofer pe un decalaj îngust, adică:
sin(θ)=mλ/d, unde m=±1, 2, 3, …
Aici d este lățimea golului ușii. Această formulă determină zonele din cameră în care sunetul din exterior nu va fi auzit.
Diferentele dintre difracția sunetului și a luminii sunt pur cantitative. Faptul este că lungimea de undă a luminii este de câteva sute de nanometri (400-700 nm), ceea ce este de 100.000 de ori mai mică decât lungimea celor mai mici unde sonore. Fenomenul de difracție se manifestă puternic dacă dimensiunile undei și obstacolele sunt apropiate. Din acest motiv, în exemplul descris mai sus, două persoane, aflate în încăperi diferite, nu se văd, ci aud.
Difracția undelor scurte și lungi
În paragraful anterior este dată formula pentru difracția sunetului printr-o fantă, cu condiția ca frontul de undă să fie plat. Din formula se poate observa că la o valoare constantă a lui d, unghiurile θ vor fi cu atât mai mici, cu atât undele λ vor cădea mai scurte pe fantă. Cu alte cuvinte, undele scurte difractează mai rău decât cele lungi. Iată câteva exemple din viața reală pentru a susține această concluzie.
- Când o persoană merge pe o stradă a orașului și ajunge într-un loc în care cântă muzicieni, mai întâi aude frecvențe joase (bas). Pe măsură ce se apropie de muzicieni, începe să audă frecvențe mai în alte.
- Tunetul, care s-a produs nu departe de observator, i se pare destul de mare (a nu se confunda cu intensitatea) decât aceeași aruncare la câteva zeci de kilometri distanță.
Explicația pentru efectele notate în aceste exemple este capacitatea mai mare a frecvențelor joase de sunet de a difracta și capacitatea lor mai mică de a fi absorbită în comparație cu frecvențele în alte.
Locație cu ultrasunete
Este o metodă de analiză sau orientare în zonă. În ambele cazuri, ideea este să emitem unde ultrasonice (λ<1, 7 cm) de la sursă, apoi să le reflectăm de la obiectul studiat și să analizăm unda reflectată de către receptor. Această metodă este folosită de om pentru a analiza structura defectuoasă a materialelor solide, pentru a studia topografia adâncimii mării și în alte zone. Folosind locația ultrasonică, liliecii și delfinii navighează în spațiu.
Difracția sunetului și localizarea ultrasonică sunt două fenomene legate. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât difractează mai rău. Mai mult, rezoluția semnalului reflectat recepționat depinde direct de lungimea de undă. Fenomenul de difracție nu permite să se facă distincția între două obiecte, distanța dintre care este mai mică decât lungimea undei difractate. Din aceste motive, este utilizată locația cu ultrasunete, mai degrabă decât cea sonică sau infrasonică.
