Το φαινόμενο της περίθλασης είναι χαρακτηριστικό για κάθε απολύτως κύμα, για παράδειγμα, ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή κύματα στην επιφάνεια του νερού. Αυτό το άρθρο μιλάει για την περίθλαση του ήχου. Εξετάζονται τα χαρακτηριστικά αυτού του φαινομένου, δίνονται παραδείγματα της εκδήλωσής του στην καθημερινή ζωή και την ανθρώπινη χρήση.
Ηχητικό κύμα
Πριν εξετάσουμε την περίθλαση του ήχου, αξίζει να πούμε λίγα λόγια για το τι είναι ηχητικό κύμα. Είναι μια φυσική διαδικασία μεταφοράς ενέργειας σε οποιοδήποτε υλικό μέσο χωρίς κινούμενη ύλη. Ένα κύμα είναι μια αρμονική δόνηση σωματιδίων ύλης που διαδίδονται σε ένα μέσο. Για παράδειγμα, στον αέρα, αυτές οι δονήσεις οδηγούν στην εμφάνιση περιοχών υψηλής και χαμηλής πίεσης, ενώ σε ένα στερεό σώμα, αυτές είναι ήδη περιοχές θλιπτικής και εφελκυστικής τάσης.
Ένα ηχητικό κύμα διαδίδεται σε ένα μέσο με συγκεκριμένη ταχύτητα, η οποία εξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου (θερμοκρασία, πυκνότητα και άλλες). Στους 20 oC στον αέρα, ο ήχος ταξιδεύει με περίπου 340 m/s. Λαμβάνοντας υπόψη ότι ένα άτομο ακούει συχνότητες από 20 Hz έως 20 kHz, είναι δυνατό να προσδιοριστείαντίστοιχα περιοριστικά μήκη κύματος. Για να το κάνετε αυτό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον τύπο:
v=fλ.
Όπου f είναι η συχνότητα των ταλαντώσεων, λ το μήκος κύματος τους και v η ταχύτητα κίνησης. Αντικαθιστώντας τους παραπάνω αριθμούς, αποδεικνύεται ότι ένα άτομο ακούει κύματα με μήκη κύματος από 1,7 εκατοστά έως 17 μέτρα.
Η έννοια της περίθλασης κύματος
Η περίθλαση ήχου είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο ένα μέτωπο κύματος κάμπτεται όταν συναντά ένα αδιαφανές εμπόδιο κατά τη διαδρομή του.
Ένα εντυπωσιακό καθημερινό παράδειγμα περίθλασης είναι το εξής: δύο άτομα βρίσκονται σε διαφορετικά δωμάτια ενός διαμερίσματος και δεν βλέπονται μεταξύ τους. Όταν ο ένας φωνάζει κάτι στον άλλο, ο δεύτερος ακούει έναν ήχο, σαν η πηγή του να βρίσκεται στην πόρτα που συνδέει τα δωμάτια.
Υπάρχουν δύο τύποι περίθλασης ήχου:
- Κάμψη γύρω από ένα εμπόδιο του οποίου οι διαστάσεις είναι μικρότερες από το μήκος κύματος. Δεδομένου ότι ένα άτομο ακούει αρκετά μεγάλα μήκη κύματος ηχητικών κυμάτων (μέχρι 17 μέτρα), αυτός ο τύπος περίθλασης συναντάται συχνά στην καθημερινή ζωή.
- Αλλαγή του μετώπου του κύματος καθώς περνά μέσα από μια στενή τρύπα. Όλοι γνωρίζουν ότι αν αφήσεις την πόρτα λίγο μισάνοιχτη, τότε οποιοσδήποτε θόρυβος από το εξωτερικό, που διαπερνά το στενό κενό της ελαφρώς ανοιχτής πόρτας, γεμίζει ολόκληρο το δωμάτιο.
Η διαφορά μεταξύ της περίθλασης του φωτός και αυτής του ήχου
Δεδομένου ότι μιλάμε για το ίδιο φαινόμενο, το οποίο δεν εξαρτάται από τη φύση των κυμάτων, οι τύποι περίθλασης του ήχου είναι ακριβώς οι ίδιοι με το φως. Για παράδειγμα, όταν περνάμε από μια σχισμή σε μια πόρτα, μπορεί κανείς να γράψει μια συνθήκη για το ελάχιστο παρόμοια με αυτή για την περίθλασηΟ Fraunhofer σε ένα στενό κενό, δηλαδή:
sin(θ)=mλ/d, όπου m=±1, 2, 3, …
Εδώ d είναι το πλάτος του κενού της πόρτας. Αυτός ο τύπος καθορίζει τις περιοχές στο δωμάτιο όπου δεν θα ακούγεται ήχος από το εξωτερικό.
Οι διαφορές μεταξύ της περίθλασης ήχου και φωτός είναι καθαρά ποσοτικές. Το γεγονός είναι ότι το μήκος κύματος του φωτός είναι αρκετές εκατοντάδες νανόμετρα (400-700 nm), το οποίο είναι 100.000 φορές μικρότερο από το μήκος των μικρότερων ηχητικών κυμάτων. Το φαινόμενο της περίθλασης εκδηλώνεται έντονα αν οι διαστάσεις του κύματος και τα εμπόδια είναι κοντά. Για αυτόν τον λόγο, στο παράδειγμα που περιγράφεται παραπάνω, δύο άτομα, που βρίσκονται σε διαφορετικά δωμάτια, δεν βλέπουν ο ένας τον άλλον, αλλά ακούνε.
Περίθλαση βραχέων και μακρών κυμάτων
Στην προηγούμενη παράγραφο, δίνεται ο τύπος για την περίθλαση του ήχου με μια σχισμή, με την προϋπόθεση ότι το μέτωπο του κύματος είναι επίπεδο. Από τον τύπο φαίνεται ότι σε σταθερή τιμή d, οι γωνίες θ θα είναι τόσο μικρότερες, τόσο μικρότερα τα κύματα λ θα πέφτουν στη σχισμή. Με άλλα λόγια, τα μικρά κύματα διαθλούν χειρότερα από τα μακρά. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα από την πραγματική ζωή που υποστηρίζουν αυτό το συμπέρασμα.
- Όταν κάποιος περπατά σε έναν δρόμο της πόλης και έρχεται σε ένα μέρος όπου παίζουν μουσικοί, ακούει πρώτα χαμηλές συχνότητες (μπάσο). Καθώς πλησιάζει τους μουσικούς, αρχίζει να ακούει υψηλότερες συχνότητες.
- Η κύλιση της βροντής, που σημειώθηκε όχι μακριά από τον παρατηρητή, του φαίνεται αρκετά υψηλή (δεν πρέπει να συγχέεται με την ένταση) από την ίδια κούρσα μερικές δεκάδες χιλιόμετρα μακριά.
Η εξήγηση για τα εφέ που σημειώνονται σε αυτά τα παραδείγματα είναι η μεγαλύτερη ικανότητα διάθλασης των χαμηλών συχνοτήτων ήχου και η μικρότερη ικανότητά τους να απορροφώνται σε σύγκριση με τις υψηλές συχνότητες.
Θέση υπερήχων
Είναι μια μέθοδος ανάλυσης ή προσανατολισμού στην περιοχή. Και στις δύο περιπτώσεις, η ιδέα είναι να εκπέμπονται υπερηχητικά κύματα (λ<1, 7 cm) από την πηγή, στη συνέχεια να ανακλώνται από το υπό μελέτη αντικείμενο και να αναλύεται το ανακλώμενο κύμα από τον δέκτη. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο για την ανάλυση της ελαττωματικής δομής των στερεών υλικών, για τη μελέτη της τοπογραφίας των θαλάσσιων βάθους και σε ορισμένες άλλες περιοχές. Χρησιμοποιώντας τοποθεσία υπερήχων, οι νυχτερίδες και τα δελφίνια πλοηγούνται στο διάστημα.
Η περίθλαση του ήχου και η θέση υπερήχων είναι δύο σχετικά φαινόμενα. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος, τόσο χειρότερα περιθλά. Επιπλέον, η ανάλυση του λαμβανόμενου ανακλώμενου σήματος εξαρτάται άμεσα από το μήκος κύματος. Το φαινόμενο της περίθλασης δεν επιτρέπει σε κάποιον να διακρίνει δύο αντικείμενα, η απόσταση μεταξύ των οποίων είναι μικρότερη από το μήκος του κύματος που διαθλάται. Για αυτούς τους λόγους, χρησιμοποιείται η θέση υπερήχων και όχι ηχητική ή υπερηχητική.
