Fenomen difrakcije karakterističan je za apsolutno sve valove, na primjer, elektromagnetne valove ili valove na površini vode. Ovaj članak govori o difrakciji zvuka. Razmatraju se karakteristike ovog fenomena, daju se primjeri njegovog ispoljavanja u svakodnevnom životu i ljudskoj upotrebi.
Zvučni val
Pre razmatranja difrakcije zvuka, vredi reći nekoliko reči o tome šta je zvučni talas. To je fizički proces prijenosa energije u bilo kojem materijalnom mediju bez kretanja materije. Talas je harmonijska vibracija čestica materije koje se šire u mediju. Na primjer, u zraku ove vibracije dovode do pojave područja visokog i niskog pritiska, dok su u čvrstom tijelu to već područja tlačnog i zateznog naprezanja.
Zvučni talas se širi u mediju određenom brzinom, koja zavisi od svojstava medija (temperatura, gustina i drugo). Na 20 oC u vazduhu, zvuk putuje brzinom od približno 340 m/s. S obzirom da osoba čuje frekvencije od 20 Hz do 20 kHz, moguće je odreditiodgovarajuće granične talasne dužine. Da biste to učinili, možete koristiti formulu:
v=fλ.
Gdje je f frekvencija oscilacija, λ je njihova talasna dužina, a v je brzina kretanja. Zamjenom gornjih brojeva, ispada da osoba čuje talase talasnih dužina od 1,7 centimetara do 17 metara.
Koncept difrakcije talasa
Difrakcija zvuka je fenomen u kojem se talasni front savija kada naiđe na neprozirnu prepreku na svom putu.
Upečatljiv svakodnevni primjer difrakcije je sljedeći: dvije osobe su u različitim sobama stana i ne vide se. Kada jedan od njih nešto vikne drugome, drugi čuje zvuk, kao da je njegov izvor na vratima koja spajaju sobe.
Postoje dvije vrste difrakcije zvuka:
- Savijanje oko prepreke čije su dimenzije manje od talasne dužine. Pošto osoba čuje prilično velike talasne dužine zvučnih talasa (do 17 metara), ova vrsta difrakcije se često sreće u svakodnevnom životu.
- Promena fronta talasa dok prolazi kroz usku rupu. Svi znaju da ako ostavite vrata malo odškrinuta, onda svaka buka izvana, koja prodire kroz uski otvor blago otvorenih vrata, ispuni cijelu prostoriju.
Razlika između difrakcije svjetlosti i difrakcije zvuka
Pošto govorimo o istom fenomenu, koji ne zavisi od prirode talasa, formule difrakcije zvuka su potpuno iste kao i za svetlost. Na primjer, kada se prolazi kroz prorez na vratima, može se napisati uvjet za minimum sličan onom za difrakcijuFraunhofer na uskom procjepu, to jest:
sin(θ)=mλ/d, gdje je m=±1, 2, 3, …
Ovdje d je širina otvora vrata. Ova formula određuje područja u prostoriji gdje se zvuk izvana neće čuti.
Razlike između difrakcije zvuka i svjetlosti su čisto kvantitativne. Činjenica je da je talasna dužina svetlosti nekoliko stotina nanometara (400-700 nm), što je 100.000 puta manje od dužine najmanjih zvučnih talasa. Fenomen difrakcije se snažno manifestira ako su dimenzije vala i prepreka bliske. Iz tog razloga, u gore opisanom primjeru, dvije osobe, koje se nalaze u različitim prostorijama, ne vide jedna drugu, ali čuju.
Difrakcija kratkih i dugih talasa
U prethodnom pasusu data je formula za difrakciju zvuka na prorezu, pod uslovom da je front talasa ravan. Iz formule se može vidjeti da će pri konstantnoj vrijednosti d uglovi θ biti manji, što će valovi λ kraći padati na prorez. Drugim riječima, kratki valovi difraktiraju lošije od dugih. Evo nekoliko primjera iz stvarnog života koji potkrepljuju ovaj zaključak.
- Kada osoba prošeta gradskom ulicom i dođe do mjesta gdje sviraju muzičari, prvo čuje niske frekvencije (bas). Kako se približava muzičarima, počinje da čuje više frekvencije.
- Udar groma, koji se dogodio nedaleko od posmatrača, čini mu se prilično visokim (ne brkati se sa intenzitetom) od istog udarca nekoliko desetina kilometara dalje.
Objašnjenje za efekte navedene u ovim primjerima je veća sposobnost niskih frekvencija zvuka da se difraktiraju i njihova manja sposobnost apsorpcije u odnosu na visoke frekvencije.
Ultrazvučna lokacija
To je metoda analize ili orijentacije u području. U oba slučaja, ideja je da se ultrazvučni talasi (λ<1, 7 cm) emituju iz izvora, zatim se reflektuju od objekta koji se proučava i analizira reflektovani talas od prijemnika. Ovu metodu čovjek koristi za analizu defektne strukture čvrstih materijala, za proučavanje topografije morskih dubina i na nekim drugim područjima. Koristeći ultrazvučnu lokaciju, slepi miševi i delfini se kreću u svemiru.
Difrakcija zvuka i ultrazvučna lokacija su dva povezana fenomena. Što je talasna dužina kraća, to je lošije difrakcija. Štaviše, rezolucija primljenog reflektovanog signala zavisi direktno od talasne dužine. Fenomen difrakcije ne dozvoljava da se napravi razlika između dva objekta čija je udaljenost manja od dužine difraktiranog vala. Iz ovih razloga, koristi se ultrazvučna, a ne zvučna ili infrazvučna lokacija.
