Fænomenet diffraktion er karakteristisk for absolut alle bølger, for eksempel elektromagnetiske bølger eller bølger på vandoverfladen. Denne artikel taler om diffraktion af lyd. Funktionerne ved dette fænomen overvejes, eksempler på dets manifestation i hverdagen og menneskelig brug er givet.
Lydbølge
Før man overvejer lydens diffraktion, er det værd at sige et par ord om, hvad en lydbølge er. Det er en fysisk proces med at overføre energi i ethvert materielt medium uden at flytte stof. En bølge er en harmonisk vibration af stofpartikler, der forplanter sig i et medium. I luft fører disse vibrationer f.eks. til fremkomsten af områder med højt og lavt tryk, mens det i et fast legeme allerede er områder med tryk- og trækspænding.
En lydbølge forplanter sig i et medium med en bestemt hastighed, som afhænger af mediets egenskaber (temperatur, tæthed og andre). Ved 20 oC i luften bevæger lyden sig med cirka 340 m/s. I betragtning af at en person hører frekvenser fra 20 Hz til 20 kHz, er det muligt at bestemmetilsvarende begrænsende bølgelængder. For at gøre dette kan du bruge formlen:
v=fλ.
Hvor f er frekvensen af svingninger, λ er deres bølgelængde, og v er bevægelseshastigheden. Ved at erstatte ovenstående tal viser det sig, at en person hører bølger med bølgelængder fra 1,7 centimeter til 17 meter.
Begrebet bølgediffraktion
Lyddiffraktion er et fænomen, hvor en bølgefront bøjes, når den støder på en uigennemsigtig forhindring langs sin vej.
Et slående hverdagseksempel på diffraktion er følgende: to personer er i forskellige rum i en lejlighed og ser ikke hinanden. Når en af dem råber noget til den anden, hører den anden en lyd, som om dens kilde er i døråbningen, der forbinder rummene.
Der er to typer lyddiffraktion:
- Bøjer sig rundt om en forhindring, hvis dimensioner er mindre end bølgelængden. Da en person hører ret store bølgelængder af lydbølger (op til 17 meter), findes denne type diffraktion ofte i hverdagen.
- Ændring af bølgefronten, når den passerer gennem et sm alt hul. Alle ved, at hvis du lader døren stå lidt på klem, så fylder enhver støj udefra, der trænger ind i det smalle mellemrum i den let åbne dør, hele rummet.
Forskellen mellem lysets diffraktion og lydens
Da vi taler om det samme fænomen, som ikke afhænger af bølgernes natur, er lyddiffraktionsformlerne nøjagtig de samme som for lys. For eksempel, når man passerer gennem en sp alte i en dør, kan man skrive en betingelse for minimum svarende til den for diffraktionFraunhofer på et snævert hul, det vil sige:
sin(θ)=mλ/d, hvor m=±1, 2, 3, …
Her er d bredden af døråbningen. Denne formel bestemmer de områder i rummet, hvor lyd udefra ikke kan høres.
Forskellene mellem lyd- og lysdiffraktion er rent kvantitative. Faktum er, at lysets bølgelængde er flere hundrede nanometer (400-700 nm), hvilket er 100.000 gange mindre end længden af de mindste lydbølger. Fænomenet diffraktion er stærkt manifesteret, hvis dimensionerne af bølgen og forhindringerne er tæt på. Af denne grund, i eksemplet beskrevet ovenfor, ser to personer, der er i forskellige rum, ikke hinanden, men hører.
Diffraktion af korte og lange bølger
I det foregående afsnit er formlen for lydens diffraktion ved en sp alte givet, forudsat at bølgefronten er flad. Ud fra formlen kan det ses, at ved en konstant værdi af d, vil vinklerne θ være jo mindre, jo kortere bølgerne λ vil falde på sp alten. Korte bølger diffrakterer med andre ord værre end lange. Her er nogle eksempler fra det virkelige liv til støtte for denne konklusion.
- Når en person går ned ad en bygade og kommer til et sted, hvor musikere spiller, hører han først lave frekvenser (bas). Da han nærmer sig musikerne, begynder han at høre højere frekvenser.
- Tordenrullen, som fandt sted ikke langt fra iagttageren, forekommer ham ret høj (ikke at forveksle med intensitet) end den samme rulle et par 10-tal kilometer væk.
Forklaringen på virkningerne, der er noteret i disse eksempler, er de lave frekvensers større evne til at diffraktere og deres mindre evne til at blive absorberet sammenlignet med høje frekvenser.
ultrasonisk placering
Det er en metode til analyse eller orientering i området. I begge tilfælde er ideen at udsende ultralydsbølger (λ<1, 7 cm) fra kilden, derefter reflektere dem fra objektet under undersøgelse og analysere den reflekterede bølge af modtageren. Denne metode bruges af mennesker til at analysere den defekte struktur af faste materialer, til at studere topografien af havdybderne og i nogle andre områder. Ved hjælp af ultralydsplacering navigerer flagermus og delfiner i rummet.
Lyddiffraktion og ultralydsplacering er to relaterede fænomener. Jo kortere bølgelængden er, jo dårligere diffrakterer den. Desuden afhænger opløsningen af det modtagne reflekterede signal direkte af bølgelængden. Fænomenet diffraktion tillader ikke, at man skelner mellem to objekter, hvor afstanden mellem er mindre end længden af den diffrakterede bølge. Af disse grunde er det ultralyd snarere end lyd- eller infralydsplacering, der bruges.
