Jev difrakce je charakteristický pro absolutně jakékoli vlny, například elektromagnetické vlny nebo vlny na hladině vody. Tento článek pojednává o difrakci zvuku. Jsou zvažovány rysy tohoto jevu, jsou uvedeny příklady jeho projevu v každodenním životě a lidském použití.
Zvuková vlna
Než se budeme zabývat difrakcí zvuku, stojí za to říci pár slov o tom, co je to zvuková vlna. Jde o fyzikální proces přenosu energie v jakémkoli hmotném médiu bez pohybu hmoty. Vlna je harmonická vibrace částic hmoty, která se šíří v médiu. Například ve vzduchu tyto vibrace vedou ke vzniku oblastí vysokého a nízkého tlaku, zatímco v pevném tělese se již jedná o oblasti tlakového a tahového napětí.
Zvuková vlna se šíří v médiu určitou rychlostí, která závisí na vlastnostech média (teplota, hustota a další). Při 20 oC ve vzduchu se zvuk šíří rychlostí přibližně 340 m/s. Vzhledem k tomu, že člověk slyší frekvence od 20 Hz do 20 kHz, je možné určitodpovídající mezní vlnové délky. K tomu můžete použít vzorec:
v=fλ.
Kde f je frekvence oscilací, λ je jejich vlnová délka a v je rychlost pohybu. Nahrazením výše uvedených čísel se ukáže, že člověk slyší vlny o vlnových délkách od 1,7 centimetru do 17 metrů.
Koncept vlnové difrakce
Zvuková difrakce je jev, při kterém se čelo vlny ohýbá, když na své cestě narazí na neprůhlednou překážku.
Nápadný každodenní příklad difrakce je následující: dva lidé jsou v různých místnostech bytu a nevidí se. Když jeden z nich něco křičí na druhého, druhý slyší zvuk, jako by jeho zdroj byl ve dveřích spojujících pokoje.
Existují dva typy zvukové difrakce:
- Ohýbání kolem překážky, jejíž rozměry jsou menší než vlnová délka. Protože člověk slyší poměrně velké vlnové délky zvukových vln (až 17 metrů), tento typ difrakce se často vyskytuje v každodenním životě.
- Změna čela vlny při průchodu úzkým otvorem. Každý ví, že když necháte dveře trochu pootevřené, pak jakýkoli hluk zvenčí, pronikající úzkou mezerou pootevřených dveří, naplní celou místnost.
Rozdíl mezi difrakcí světla a ohybu zvuku
Vzhledem k tomu, že mluvíme o stejném jevu, který nezávisí na povaze vlnění, jsou vzorce pro ohyb zvuku úplně stejné jako u světla. Například při průchodu štěrbinou ve dveřích lze napsat podmínku pro minimum podobnou té pro difrakciFraunhofer na úzké mezeře, to je:
sin(θ)=mλ/d, kde m=±1, 2, 3, …
Zde d je šířka mezery dveří. Tento vzorec určuje oblasti v místnosti, kde zvuk zvenčí není slyšet.
Rozdíly mezi ohybem zvuku a světla jsou čistě kvantitativní. Faktem je, že vlnová délka světla je několik set nanometrů (400-700 nm), což je 100 000krát méně než délka nejmenších zvukových vln. Jev difrakce se silně projevuje, jsou-li rozměry vlny a překážky blízko. Z tohoto důvodu se ve výše popsaném příkladu dva lidé, kteří jsou v různých místnostech, navzájem nevidí, ale slyší.
Dfrakce krátkých a dlouhých vln
V předchozím odstavci je uveden vzorec pro difrakci zvuku štěrbinou za předpokladu, že čelo vlny je ploché. Ze vzorce je vidět, že při konstantní hodnotě d budou úhly θ tím menší, čím kratší budou vlny λ dopadat na štěrbinu. Jinými slovy, krátké vlny se ohýbají hůře než dlouhé. Zde je několik příkladů ze skutečného života na podporu tohoto závěru.
- Když člověk jde po městské ulici a přijde na místo, kde hrají hudebníci, slyší nejprve nízké frekvence (basy). Když se přiblíží k hudebníkům, začne slyšet vyšší frekvence.
- Kolem hromu, ke kterému došlo nedaleko od pozorovatele, se mu zdá dosti vysoký (nezaměňovat s intenzitou) než stejný val o několik desítek kilometrů dál.
Vysvětlením efektů uvedených v těchto příkladech je větší schopnost nízkých frekvencí zvuku se ohýbat a jejich menší schopnost absorbovat ve srovnání s frekvencemi vysokými.
Ultrazvukové umístění
Jedná se o metodu analýzy nebo orientace v oblasti. V obou případech je myšlenkou emitovat ultrazvukové vlny (λ<1, 7 cm) ze zdroje, poté je odrazit od studovaného objektu a analyzovat odraženou vlnu přijímačem. Tuto metodu používá člověk k analýze vadné struktury pevných materiálů, ke studiu topografie mořských hlubin a v některých dalších oblastech. Pomocí ultrazvukové lokace se netopýři a delfíni pohybují ve vesmíru.
Zvuková difrakce a umístění ultrazvuku jsou dva související jevy. Čím kratší vlnová délka, tím horší difrakce. Navíc rozlišení přijímaného odraženého signálu přímo závisí na vlnové délce. Fenomén difrakce neumožňuje rozlišit dva objekty, jejichž vzdálenost je menší než délka difraktované vlny. Z těchto důvodů se používá spíše ultrazvukové než ultrazvukové nebo infrazvukové umístění.
