Difrakcijos reiškinys būdingas absoliučiai bet kokioms bangoms, pavyzdžiui, elektromagnetinėms bangoms arba bangoms vandens paviršiuje. Šiame straipsnyje kalbama apie garso difrakciją. Apžvelgiamos šio reiškinio ypatybės, pateikiami jo pasireiškimo kasdieniame gyvenime ir žmonių vartojimo pavyzdžiai.
Garso banga
Prieš svarstant garso difrakciją, verta pasakyti keletą žodžių apie tai, kas yra garso banga. Tai fizinis energijos perdavimo procesas bet kurioje materialioje terpėje, nejudant medžiagos. Banga – materijos dalelių, sklindančių terpėje, harmoninis virpesys. Pavyzdžiui, ore dėl šių vibracijų atsiranda aukšto ir žemo slėgio sritys, o kietame kūne tai jau yra gniuždymo ir tempimo įtempių sritys.
Garso banga sklinda terpėje tam tikru greičiu, kuris priklauso nuo terpės savybių (temperatūros, tankio ir kt.). Esant 20 oC ore, garsas sklinda maždaug 340 m/s greičiu. Atsižvelgiant į tai, kad žmogus girdi dažnius nuo 20 Hz iki 20 kHz, galima nustatytiatitinkami ribiniai bangos ilgiai. Norėdami tai padaryti, galite naudoti formulę:
v=fλ.
Kur f yra virpesių dažnis, λ yra jų bangos ilgis, o v yra judėjimo greitis. Pakeitus aukščiau pateiktus skaičius, paaiškėja, kad žmogus girdi bangas, kurių bangos ilgis yra nuo 1,7 centimetro iki 17 metrų.
Bangų difrakcijos samprata
Garso difrakcija yra reiškinys, kai bangos frontas pasilenkia, kai savo kelyje susiduria su nepermatoma kliūtimi.
Ryškus kasdienis difrakcijos pavyzdys yra toks: du žmonės yra skirtinguose buto kambariuose ir vienas kito nemato. Kai vienas iš jų kažką šaukia kitam, antrasis išgirsta garsą, tarsi jo š altinis būtų kambarius jungiančiose duryse.
Yra dviejų tipų garso difrakcija:
- Lenkiant aplink kliūtį, kurios matmenys yra mažesni už bangos ilgį. Kadangi žmogus girdi gana didelius garso bangų ilgius (iki 17 metrų), tokia difrakcija dažnai sutinkama kasdieniame gyvenime.
- Bangos fronto pasikeitimas, kai jis praeina per siaurą skylę. Visi žino, kad jei paliekate duris šiek tiek praviras, bet koks triukšmas iš išorės, prasiskverbęs pro siaurą šiek tiek pravirų durų plyšį, užpildo visą kambarį.
Skirtumas tarp šviesos ir garso difrakcijos
Kadangi kalbame apie tą patį reiškinį, kuris nepriklauso nuo bangų pobūdžio, garso difrakcijos formulės yra lygiai tokios pačios kaip ir šviesos. Pavyzdžiui, einant pro plyšį duryse, galima parašyti minimumo sąlygą, panašią į difrakcijos sąlygą. Fraunhoferis ant siauro tarpo, tai yra:
sin(θ)=mλ/d, kur m=±1, 2, 3, …
Čia d yra durų tarpo plotis. Ši formulė nustato patalpas, kuriose nebus girdimas garsas iš išorės.
Garso ir šviesos difrakcijos skirtumai yra grynai kiekybiniai. Faktas yra tas, kad šviesos bangos ilgis yra keli šimtai nanometrų (400–700 nm), o tai yra 100 000 kartų mažesnė už mažiausių garso bangų ilgį. Difrakcijos reiškinys stipriai pasireiškia, jei bangos ir kliūčių matmenys yra artimi. Dėl šios priežasties aukščiau aprašytame pavyzdyje du žmonės, būdami skirtinguose kambariuose, vienas kito nemato, bet girdi.
Trumpųjų ir ilgųjų bangų difrakcija
Ankstesnėje pastraipoje pateikta garso difrakcijos pagal plyšį formulė, jei bangos frontas yra plokščias. Iš formulės matyti, kad esant pastoviai d reikšmei, kampai θ bus mažesni, tuo trumpesnės bangos λ kris į plyšį. Kitaip tariant, trumposios bangos difrakcija prasčiau nei ilgosios. Štai keletas pavyzdžių, patvirtinančių šią išvadą.
- Kai žmogus eina miesto gatve ir ateina į vietą, kur groja muzikantai, jis pirmiausia išgirsta žemus dažnius (bosus). Kai jis artėja prie muzikantų, jis pradeda girdėti aukštesnius dažnius.
- Perkūno slinkimas, įvykęs netoli nuo stebėtojo, jam atrodo gana aukštas (nepainioti su intensyvumu) nei tas pats griaustinis už kelių dešimčių kilometrų.
Šiuose pavyzdžiuose nurodytų efektų paaiškinimas yra didesnis žemo dažnio garso gebėjimas difrakcijai ir mažesnis jų gebėjimas sugerti, palyginti su aukštais dažniais.
Ultragarsinė vieta
Tai analizės arba orientavimosi srityje metodas. Abiem atvejais siekiama iš š altinio skleisti ultragarso bangas (λ<1, 7 cm), tada jas atspindėti nuo tiriamo objekto ir imtuvo atsispindėjusią bangą analizuoti. Šį metodą žmogus taiko kietų medžiagų defektinei struktūrai analizuoti, jūros gelmių topografijai tirti ir kai kuriose kitose srityse. Naudojant ultragarso vietą šikšnosparniai ir delfinai naršo erdvėje.
Garso difrakcija ir ultragarso vieta yra du susiję reiškiniai. Kuo trumpesnis bangos ilgis, tuo blogiau ji difrakcija. Be to, gauto atspindėto signalo skiriamoji geba tiesiogiai priklauso nuo bangos ilgio. Difrakcijos reiškinys neleidžia atskirti dviejų objektų, kurių atstumas yra mažesnis už difrakcinės bangos ilgį. Dėl šių priežasčių naudojama ultragarsinė, o ne garsinė ar infragarsinė vieta.
