Явление дифракции характерно для совершенно любых волн, например, электромагнитных или волн на поверхности воды. В данной статье рассказано о дифракции звука. Рассмотрены особенности этого явления, приведены примеры его проявления в быту и использования человеком.
Звуковая волна
Перед рассмотрением дифракции звука, стоит сказать несколько слов о том, что такое звуковая волна. Она представляет собой физический процесс передачи энергии в какой-либо материальной среде без перемещения материи. Волна представляет собой гармонические колебания частиц материи, которые распространяются в среде. Например, в воздухе эти колебания приводят к возникновению областей повышенного и пониженного давления, в твердом же теле это уже области напряжения сжатия и растяжения.
Звуковая волна распространяется в среде с некоторой скоростью, которая зависит от свойств среды (температуры, плотности и других). При 20 oC в воздухе звук движется со скоростью приблизительно 340 м/с. Учитывая, что человек слышит частоты от 20 Гц до 20 кГц, можно определить соответствующие предельные длины волн. Для этого можно воспользоваться формулой:
v = f*λ.
Где f - частота колебаний, λ - их длина волны, а v - скорость движения. Подставляя приведенные выше числа, получится, что человек слышит волны с длинами от 1,7 сантиметра до 17 метров.
Понятие о дифракции волн
Дифракция звука - это явление, которое заключается в изгибании волнового фронта, когда он встречает непрозрачное препятствие на пути своего следования.
Ярким бытовым примером дифракции является следующий: два человека находятся в разных комнатах квартиры и не видят друг друга. Когда один из них что-то кричит другому, то второй слышит звук, будто его источник находится в дверном проеме, соединяющим комнаты.
Дифракция звука бывает двух типов:
- Огибание препятствия, размеры которого меньше длины волны. Поскольку человек слышит достаточно большие длины звуковых волн (до 17 метров), то этот тип дифракции встречается часто в быту.
- Изменение фронта волны при ее прохождении через узкое отверстие. Каждый знает: если оставить дверь немного приоткрытой, то любой шум извне, проникая в узкую щель слегка открытой двери, заполняет все помещение.
Отличие дифракции света от таковой для звука
Поскольку речь идет об одном и том же явлении, которое не зависит от природы волн, то формулы дифракции звука являются точно такими же, как и для света. Например, при прохождении через щель в двери можно записать условие для минимума аналогичное, как для дифракции Фраунгофера на узкой щели, то есть:
sin(θ) = m*λ/d, где m = ±1, 2, 3, ...
Здесь d - ширина дверной щели. По этой формуле определяются зоны в помещении, где звука извне не будет слышно.
Отличия между звуковой и световой дифракциями носят исключительно количественный характер. Дело в том, что длина волны света составляет несколько сотен нанометров (400-700 нм), что в 100000 раз меньше длины самых маленьких волн звука. Явление же дифракции сильно проявляется, если размеры волны и препятствия близки. По этой причине в описанном выше примере два человека, находясь в разных комнатах, не видят друг друга, но слышат.
Дифракция коротких и длинных волн
В предыдущем пункте приведена формула для дифракции звука на щели при условии, что фронт волны является плоским. Из формулы видно, что при постоянной величине d, углы θ будут тем меньше, чем более короткие волны λ будут падать на щель. Иными словами, короткие волны дифрагируют хуже, чем длинные. Далее приведено несколько примеров из жизни, подтверждающих этот вывод.
- Когда человек идет по улице города и подходит к месту, где играют музыканты, то он слышит сначала низкие частоты (басы). Приблизившись к музыкантам, он начинает слышать более высокие частоты.
- Раскат грома, который произошел недалеко от наблюдателя, кажется ему достаточно высоким (не путать с интенсивностью), чем тот же раскат в несколько десятков километров от него.
Объяснение эффектов, отмеченных в этих примерах, заключается в большей способности низких частот звука дифрагировать и в меньшей их способности поглощаться в сравнении с частотами высокими.
Ультразвуковая локация
Она представляет собой метод анализа или ориентирования на местности. В обоих случаях идея заключается в испускании ультразвуковых волн (λ<1,7 см) источником, последующего их отражения от исследуемого объекта и анализа приемником отраженной волны. Этот метод используется человеком для анализа дефектной структуры твердых материалов, для исследования рельефа морских глубин и в некоторых других областях. При помощи ультразвуковой локации летучие мыши и дельфины ориентируются в пространстве.
Дифракция звука и ультразвуковая локация - это два связанных явления. Чем меньше длина волны, тем хуже она дифрагирует. Более того, разрешающая способность принимаемого отраженного сигнала зависит напрямую от длины волны. Явление дифракции не позволяет различать два объекта, расстояние между которыми меньше, чем длина дифрагированной волны. По названным причинам применяется именно ультразвуковая, а не звуковая или инфразвуковая локация.
