Fenomen difrakcije karakterističan je za apsolutno sve valove, na primjer, elektromagnetske valove ili valove na površini vode. Ovaj članak govori o difrakciji zvuka. Razmatraju se značajke ovog fenomena, daju se primjeri njegove manifestacije u svakodnevnom životu i ljudskoj upotrebi.
Zvučni val
Prije razmatranja difrakcije zvuka, vrijedno je reći nekoliko riječi o tome što je zvučni val. To je fizički proces prijenosa energije u bilo kojem materijalnom mediju bez pomicanja tvari. Val je harmonijska vibracija čestica materije koje se šire u mediju. Na primjer, u zraku te vibracije dovode do pojave područja visokog i niskog tlaka, dok su u čvrstom tijelu to već područja tlačnog i vlačnog naprezanja.
Zvučni val širi se u mediju određenom brzinom, koja ovisi o svojstvima medija (temperatura, gustoća i drugo). Na 20 oC u zraku, zvuk putuje približno 340 m/s. S obzirom da osoba čuje frekvencije od 20 Hz do 20 kHz, moguće je odreditiodgovarajuće granične valne duljine. Da biste to učinili, možete koristiti formulu:
v=fλ.
Gdje je f frekvencija oscilacija, λ je njihova valna duljina, a v je brzina kretanja. Zamjenom gornjih brojeva, ispada da osoba čuje valove valnih duljina od 1,7 centimetara do 17 metara.
Koncept difrakcije valova
Difrakcija zvuka je fenomen u kojem se valna fronta 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. Kad 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 valne duljine. Budući da osoba čuje prilično velike valne duljine zvučnih valova (do 17 metara), ova vrsta difrakcije često se nalazi u svakodnevnom životu.
- Promjena fronte vala dok prolazi kroz usku rupu. Svi znaju da ako ostavite vrata malo odškrinuta, onda će svaka buka izvana, koja prodire kroz uski otvor blago otvorenih vrata, ispuniti cijelu sobu.
Razlika između difrakcije svjetla i zvuka
Budući da je riječ o istom fenomenu, koji ne ovisi o prirodi valova, formule difrakcije zvuka su potpuno iste kao i za svjetlost. 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 razmaka vrata. Ova formula određuje područja u prostoriji gdje se zvuk izvana neće čuti.
Razlike između difrakcije zvuka i svjetlosti su isključivo kvantitativne. Činjenica je da je valna duljina svjetlosti nekoliko stotina nanometara (400-700 nm), što je 100 000 puta manje od duljine najmanjih zvučnih valova. Fenomen difrakcije snažno se očituje ako su dimenzije vala i prepreka bliske. Iz tog razloga, u gore opisanom primjeru, dvije osobe, koje se nalaze u različitim sobama, ne vide jedna drugu, ali čuju.
Difrakcija kratkih i dugih valova
U prethodnom odlomku data je formula za difrakciju zvuka na prorezu, pod uvjetom da je fronta vala ravna. Iz formule se može vidjeti da će pri konstantnoj vrijednosti d kutovi θ biti manji, što će valovi λ kraći padati na utor. 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 glazbenici, prvo čuje niske frekvencije (bas). Dok se približava glazbenicima, počinje čuti više frekvencije.
- Tujak grmljavine, koji se dogodio nedaleko od promatrača, čini mu se prilično visokim (ne smije se brkati s intenzitetom) od istog udarca nekoliko desetaka kilometara dalje.
Objašnjenje za efekte navedene u ovim primjerima je veća sposobnost niskih frekvencija zvuka da se difraktiraju i njihova manja sposobnost apsorpcije u usporedbi s visokim frekvencijama.
Ultrazvučna lokacija
To je metoda analize ili orijentacije u području. U oba slučaja ideja je emitirati ultrazvučne valove (λ<1, 7 cm) iz izvora, zatim ih reflektirati od objekta koji se proučava i analizirati reflektirani val od prijamnika. Ovu metodu čovjek koristi za analizu defektne strukture čvrstih materijala, za proučavanje topografije morskih dubina i na nekim drugim područjima. Koristeći ultrazvučnu lokaciju, šišmiši i dupini kreću se u svemiru.
Difrakcija zvuka i ultrazvučna lokacija dva su povezana fenomena. Što je valna duljina kraća, to se lošije difragira. Štoviše, razlučivost primljenog reflektiranog signala izravno ovisi o valnoj duljini. Fenomen difrakcije ne dopušta razlikovanje dvaju objekata čija je udaljenost manja od duljine difraktiranog vala. Iz tih razloga, koristi se ultrazvučna, a ne zvučna ili infrazvučna lokacija.
