Het fenomeen van diffractie is kenmerkend voor absoluut alle golven, bijvoorbeeld elektromagnetische golven of golven op het wateroppervlak. Dit artikel gaat over de diffractie van geluid. De kenmerken van dit fenomeen worden overwogen, voorbeelden van de manifestatie ervan in het dagelijks leven en menselijk gebruik worden gegeven.
Geluidsgolf
Alvorens de diffractie van geluid in overweging te nemen, is het de moeite waard om een paar woorden te zeggen over wat een geluidsgolf is. Het is een fysiek proces van het overbrengen van energie in elk materieel medium zonder materie te verplaatsen. Een golf is een harmonische trilling van materiedeeltjes die zich in een medium voortplanten. In lucht leiden deze trillingen bijvoorbeeld tot het ontstaan van gebieden met hoge en lage druk, terwijl dit in een vast lichaam al gebieden zijn met druk- en trekspanning.
Een geluidsgolf plant zich voort in een medium met een bepaalde snelheid, die afhangt van de eigenschappen van het medium (temperatuur, dichtheid en andere). Bij 20 oC in lucht reist geluid met ongeveer 340 m/s. Aangezien een persoon frequenties hoort van 20 Hz tot 20 kHz, is het mogelijk om te bepalen:overeenkomstige beperkende golflengten. Om dit te doen, kunt u de formule gebruiken:
v=fλ.
Waar f de frequentie van oscillaties is, is λ hun golflengte en is v de bewegingssnelheid. Door de bovenstaande getallen te vervangen, blijkt dat een persoon golven hoort met golflengten van 1,7 centimeter tot 17 meter.
Het concept van golfdiffractie
Geluidsdiffractie is een fenomeen waarbij een golffront buigt wanneer het een ondoorzichtig obstakel op zijn pad tegenkomt.
Een opvallend alledaags voorbeeld van diffractie is het volgende: twee mensen bevinden zich in verschillende kamers van een appartement en zien elkaar niet. Wanneer een van hen iets naar de ander roept, hoort de tweede een geluid, alsof de bron zich in de deuropening bevindt die de kamers verbindt.
Er zijn twee soorten geluidsdiffractie:
- Buigen rond een obstakel waarvan de afmetingen kleiner zijn dan de golflengte. Aangezien een persoon vrij grote golflengten van geluidsgolven hoort (tot 17 meter), wordt dit type diffractie vaak in het dagelijks leven aangetroffen.
- Verandering van het golffront als het door een smal gat gaat. Iedereen weet dat als je de deur op een kier laat staan, elk geluid van buiten, dat door de nauwe opening van de enigszins openstaande deur binnendringt, de hele kamer vult.
Het verschil tussen de diffractie van licht en die van geluid
Omdat we het over hetzelfde fenomeen hebben, dat niet afhangt van de aard van de golven, zijn de geluidsdiffractieformules precies hetzelfde als voor licht. Wanneer men bijvoorbeeld door een spleet in een deur gaat, kan men een voorwaarde schrijven voor het minimum dat vergelijkbaar is met dat voor diffractieFraunhofer op een smalle opening, dat wil zeggen:
sin(θ)=mλ/d, waarbij m=±1, 2, 3, …
Hier is d de breedte van de deuropening. Deze formule bepa alt de gebieden in de kamer waar geluid van buitenaf niet hoorbaar is.
De verschillen tussen geluids- en lichtdiffractie zijn puur kwantitatief. Feit is dat de golflengte van licht enkele honderden nanometers (400-700 nm) is, wat 100.000 keer korter is dan de lengte van de kleinste geluidsgolven. Het fenomeen van diffractie komt sterk tot uiting als de afmetingen van de golf en de obstakels dichtbij zijn. Om deze reden, in het hierboven beschreven voorbeeld, zien twee mensen, die zich in verschillende kamers bevinden, elkaar niet, maar horen.
Diffractie van korte en lange golven
In de vorige paragraaf is de formule voor de diffractie van geluid door een spleet gegeven, op voorwaarde dat het golffront vlak is. Uit de formule blijkt dat bij een constante waarde van d, de hoeken θ kleiner zullen zijn, hoe korter de golven λ op de gleuf zullen vallen. Met andere woorden, korte golven buigen slechter af dan lange. Hier zijn enkele praktijkvoorbeelden om deze conclusie te ondersteunen.
- Als iemand door een stadsstraat loopt en op een plek komt waar muzikanten spelen, hoort hij eerst lage frequenties (bas). Als hij de muzikanten nadert, begint hij hogere frequenties te horen.
- De donderslag, die niet ver van de waarnemer plaatsvond, lijkt hem vrij hoog (niet te verwarren met intensiteit) dan dezelfde rol op enkele tientallen kilometers afstand.
De verklaring voor de effecten die in deze voorbeelden worden opgemerkt, is het grotere vermogen van lage frequenties van geluid om te buigen en hun minder vermogen om te worden geabsorbeerd in vergelijking met hoge frequenties.
Ultrasone locatie
Het is een methode van analyse of oriëntatie in het gebied. In beide gevallen is het de bedoeling om ultrasone golven (λ<1, 7 cm) vanaf de bron uit te zenden, deze vervolgens vanaf het te bestuderen object te reflecteren en de gereflecteerde golf door de ontvanger te analyseren. Deze methode wordt door de mens gebruikt om de gebrekkige structuur van vaste materialen te analyseren, om de topografie van de zeebodems te bestuderen en in sommige andere gebieden. Met behulp van ultrasone locatie navigeren vleermuizen en dolfijnen in de ruimte.
Geluidsdiffractie en ultrasone locatie zijn twee verwante fenomenen. Hoe korter de golflengte, hoe slechter het buigt. Bovendien is de resolutie van het ontvangen gereflecteerde signaal direct afhankelijk van de golflengte. Het fenomeen van diffractie maakt het niet mogelijk om onderscheid te maken tussen twee objecten, waarvan de afstand kleiner is dan de lengte van de afgebogen golf. Om deze redenen is het ultrasone in plaats van sonische of infrasone locatie die wordt gebruikt.
