Дифракція звуку і приклади її прояву в побуті

Явище дифракції характерно для абсолютно будь-яких хвиль, наприклад, електромагнітних або хвиль на поверхні води. У даній статті розказано про дифракції звуку. Розглянуто особливості цього явища, наведені приклади його прояви в побуті і використання людиною.

Звукові хвилі

Перед розглядом дифракції звуку, варто сказати кілька слів про те, що таке звукова хвиля. Вона являє собою фізичний процес передачі енергії в будь-якій матеріальній середовищі без переміщення матерії. Хвиля являє собою гармонійні коливання часток матерії, які поширюються в середовищі. Наприклад, в повітрі ці коливання призводять до виникнення областей підвищеного і зниженого тиску, в твердому ж тілі це вже області напруги стиснення і розтягування.

Звукова хвиля поширюється в середовищі з певною швидкістю, яка залежить від властивостей середовища (температури, щільності та інших). При 20 oC в повітрі звук рухається зі швидкістю приблизно 340 м / с. З огляду на, що людина чує частоти від 20 Гц до 20 кГц, можна визначити відповідні граничні довжини хвиль. Для цього можна скористатися формулою:

v = f * λ.

Де

  • f – частота коливань,
  • λ – їх довжина хвилі,
  • v – швидкість руху.

Підставляючи наведені вище числа, вийде, що людина чує хвилі з довжинами від 1,7 сантиметра до 17 метрів.

Поняття про дифракцію хвиль

Дифракція звуку – це явище, яке полягає в згинанні хвильового фронту, коли він зустрічає непрозоре перешкоду на шляху свого слідування.

Яскравим побутовим прикладом дифракції є наступний: двоє людей знаходяться в різних кімнатах квартири і не бачать один одного. Коли один з них щось кричить іншому, то другий чує звук, ніби його джерело знаходиться в дверному отворі, що з’єднує кімнати.

Дифракція звуку буває двох типів:

  • Огибання перешкоди, розміри якого менше довжини хвилі. Оскільки людина чує досить великі довжини звукових хвиль (до 17 метрів), то цей тип дифракції зустрічається часто в побуті.
  • Зміна фронту хвилі при її проходженні через вузький отвір. Кожен знає: якщо залишити двері трохи прочиненими, то будь-який шум ззовні, проникаючи в вузьку щілину злегка відкритих дверей, заповнює всі приміщення.

Відмінність дифракції світла від такої для звуку

Оскільки мова йде про одне й те ж явище, яке не залежить від природи хвиль, то формули дифракції звуку є точно такими ж, як і для світу. Наприклад, при проходженні через щілину в дверях можна записати умова для мінімуму аналогічне, як для дифракції Фраунгофера на вузькій щілині, тобто:

sin (θ) = m * λ / d, де m = ± 1, 2, 3, …

Тут d – ширина дверної щілини. За цією формулою визначаються зони в приміщенні, де звуку ззовні не буде чутно.

Відмінності між звуковою та світловою дифракції носять виключно кількісний характер. Справа в тому, що довжина хвилі світла становить кілька сотень нанометрів (400-700 нм), що в 100000 разів менше довжини самих маленьких хвиль звуку. Явище ж дифракції сильно проявляється, якщо розміри хвилі і перешкоди близькі. З цієї причини в описаному вище прикладі двоє людей, перебуваючи в різних кімнатах, не бачать один одного, але чують.

Різна довжина хвилі

У попередньому пункті наведена формула для дифракції звуку на щілини за умови, що фронт хвилі є плоским. З формули видно, що при постійній величині d, кути θ будуть тим менше, ніж більш короткі хвилі λ будуть падати на щілину. Іншими словами, короткі хвилі діфрагіруют гірше, ніж довгі. Далі наведено кілька прикладів з життя, що підтверджують цей висновок.

Коли людина йде по вулиці міста і підходить до місця, де грають музиканти, то він чує спочатку низькі частоти (баси). Наблизившись до музикантів, він починає чути більш високі частоти.

Гуркіт грому, який стався недалеко від спостерігача, здається йому досить високим (не плутати з інтенсивністю), ніж той же гуркіт в кілька десятків кілометрів від нього.

Пояснення ефектів, зазначених у цих прикладах, полягає в більшій здатності низьких частот звуку дифрагувати і в меншій їх здатності поглинатися в порівнянні з частотами високими.

Ультразвукова локація

Вона являє собою метод аналізу або орієнтування на місцевості. В обох випадках ідея полягає в випущенні ультразвукових хвиль (λ <1,7 см) джерелом, подальшого їх відображення від досліджуваного об’єкта і аналізу приймачем відбитої хвилі. Цей метод використовується людиною для аналізу дефектної структури твердих матеріалів, для дослідження рельєфу морських глибин і в деяких інших областях. За допомогою ультразвукової локації кажани і дельфіни орієнтуються в просторі.

Дифракція звуку і ультразвукова локація – це два пов’язаних явища. Чим менше довжина хвилі, тим гірше вона дифрагує. Більш того, роздільна здатність прийнятого відбитого сигналу залежить безпосередньо від довжини хвилі. Явище дифракції не дозволяє розрізняти два об’єкти, відстань між якими менше, ніж довжина дифрагованим хвилі. Через названі причини застосовується саме ультразвукова, а не звукова чи інфразвукова локація.

Посилання на основну публікацію