Fenomén difrakcie je charakteristický pre absolútne akékoľvek vlny, napríklad elektromagnetické vlny alebo vlny na hladine vody. Tento článok hovorí o difrakcii zvuku. Zvažujú sa znaky tohto javu, uvádzajú sa príklady jeho prejavu v každodennom živote a ľudskom použití.
Zvuková vlna
Pred zvážením difrakcie zvuku stojí za to povedať pár slov o tom, čo je to zvuková vlna. Ide o fyzikálny proces prenosu energie v akomkoľvek hmotnom médiu bez pohybu hmoty. Vlna je harmonická vibrácia častíc hmoty, ktoré sa šíria v médiu. Napríklad vo vzduchu tieto vibrácie vedú k vzniku oblastí vysokého a nízkeho tlaku, zatiaľ čo v pevnom telese sú to už oblasti tlakového a ťahového napätia.
Zvuková vlna sa šíri v médiu určitou rýchlosťou, ktorá závisí od vlastností média (teplota, hustota a iné). Pri 20 oC vo vzduchu sa zvuk šíri rýchlosťou približne 340 m/s. Vzhľadom na to, že človek počuje frekvencie od 20 Hz do 20 kHz, je možné určiťzodpovedajúce limitné vlnové dĺžky. Ak to chcete urobiť, môžete použiť vzorec:
v=fλ.
Kde f je frekvencia oscilácií, λ je ich vlnová dĺžka a v je rýchlosť pohybu. Nahradením vyššie uvedených čísel sa ukáže, že človek počuje vlny s vlnovými dĺžkami od 1,7 cm do 17 metrov.
Koncept vlnovej difrakcie
Difrakcia zvuku je jav, pri ktorom sa čelo vlny ohýba, keď na svojej ceste narazí na nepriehľadnú prekážku.
Pozoruhodný každodenný príklad difrakcie je nasledujúci: dvaja ľudia sú v rôznych miestnostiach bytu a nevidia sa. Keď jeden z nich niečo kričí na druhého, druhý počuje zvuk, akoby jeho zdroj bol vo dverách spájajúcich izby.
Existujú dva typy ohybu zvuku:
- Ohýbanie sa okolo prekážky, ktorej rozmery sú menšie ako vlnová dĺžka. Keďže človek počuje pomerne veľké vlnové dĺžky zvukových vĺn (až 17 metrov), tento typ difrakcie sa často vyskytuje v každodennom živote.
- Zmena čela vlny pri prechode cez úzku dieru. Každý vie, že ak necháte dvere trochu pootvorené, akýkoľvek hluk zvonku, prenikajúci cez úzku štrbinu pootvorených dverí, zaplní celú miestnosť.
Rozdiel medzi difrakciou svetla a difrakciou zvuku
Keďže hovoríme o tom istom jave, ktorý nezávisí od charakteru vĺn, vzorce difrakcie zvuku sú úplne rovnaké ako pre svetlo. Napríklad pri prechode cez štrbinu vo dverách je možné napísať podmienku pre minimum podobnú tej pre difrakciuFraunhofer na úzkej medzere, to znamená:
sin(θ)=mλ/d, kde m=±1, 2, 3, …
Tu d je šírka medzery dverí. Tento vzorec určuje oblasti v miestnosti, kde zvuk zvonku nebude počuť.
Rozdiely medzi ohybom zvuku a svetla sú čisto kvantitatívne. Faktom je, že vlnová dĺžka svetla je niekoľko stoviek nanometrov (400-700 nm), čo je 100 000-krát menej ako dĺžka najmenších zvukových vĺn. Fenomén difrakcie sa silne prejavuje, ak sú rozmery vlny a prekážok blízko. Z tohto dôvodu sa v príklade opísanom vyššie dvaja ľudia nachádzajúci sa v rôznych miestnostiach navzájom nevidia, ale počujú.
Difrakcia krátkych a dlhých vĺn
V predchádzajúcom odseku je uvedený vzorec pre difrakciu zvuku štrbinou za predpokladu, že čelo vlny je ploché. Zo vzorca je zrejmé, že pri konštantnej hodnote d budú uhly θ tým menšie, čím kratšie budú vlny λ dopadať na štrbinu. Inými slovami, krátke vlny sa difraktujú horšie ako dlhé. Tu je niekoľko príkladov zo skutočného života na podporu tohto záveru.
- Keď človek ide po mestskej ulici a príde na miesto, kde hrajú hudobníci, najskôr počuje nízke frekvencie (basy). Keď sa priblíži k hudobníkom, začne počuť vyššie frekvencie.
- Volanie hromu, ku ktorému došlo neďaleko od pozorovateľa, sa mu zdá dosť vysoké (nezamieňať si s intenzitou) ako to isté o pár desiatok kilometrov ďalej.
Vysvetlením účinkov uvedených v týchto príkladoch je väčšia schopnosť nízkych frekvencií zvuku difraktovať a ich menšia schopnosť absorbovať v porovnaní s vysokými frekvenciami.
Ultrazvuková poloha
Je to metóda analýzy alebo orientácie v priestore. V oboch prípadoch ide o vyžarovanie ultrazvukových vĺn (λ<1, 7 cm) zo zdroja, potom ich odrážanie od skúmaného objektu a analyzovanie odrazenej vlny prijímačom. Túto metódu používa človek na analýzu chybnej štruktúry pevných materiálov, na štúdium topografie morských hlbín av niektorých ďalších oblastiach. Pomocou ultrazvukovej polohy sa netopiere a delfíny pohybujú vo vesmíre.
Difrakcia zvuku a umiestnenie ultrazvuku sú dva súvisiace javy. Čím je vlnová dĺžka kratšia, tým horšie sa difraktuje. Okrem toho rozlíšenie prijatého odrazeného signálu priamo závisí od vlnovej dĺžky. Fenomén difrakcie neumožňuje rozlíšiť dva objekty, ktorých vzdialenosť je menšia ako dĺžka difraktovanej vlny. Z týchto dôvodov sa používa skôr ultrazvukové než ultrazvukové alebo infrazvukové umiestnenie.
