Diffraktioilmiö on ominaista ehdottomasti kaikille aalloille, esimerkiksi sähkömagneettisille aalloille tai aallolle veden pinnalla. Tässä artikkelissa puhutaan äänen diffraktiosta. Tämän ilmiön piirteitä tarkastellaan, annetaan esimerkkejä sen ilmenemisestä jokapäiväisessä elämässä ja ihmisten käytössä.
Äänia alto
Ennen kuin harkitsee äänen diffraktiota, on syytä sanoa muutama sana siitä, mitä äänia alto on. Se on fyysinen prosessi, jossa energiaa siirretään missä tahansa aineellisessa väliaineessa liikuttamatta ainetta. A alto on ainehiukkasten harmoninen värähtely, joka etenee väliaineessa. Esimerkiksi ilmassa nämä värähtelyt johtavat korkean ja matalan paineen alueiden syntymiseen, kun taas kiinteässä kappaleessa nämä ovat jo puristus- ja vetojännityksen alueita.
Äänia alto etenee väliaineessa tietyllä nopeudella, joka riippuu väliaineen ominaisuuksista (lämpötila, tiheys ja muut). Ilman lämpötilassa 20 oC ääni etenee noin 340 m/s. Kun otetaan huomioon, että henkilö kuulee taajuuksia 20 Hz - 20 kHz, on mahdollista määrittäävastaavat rajoittavat aallonpituudet. Voit tehdä tämän käyttämällä kaavaa:
v=fλ.
Missä f on värähtelyjen taajuus, λ on niiden aallonpituus ja v on liikkeen nopeus. Korvaamalla yllä olevat luvut, käy ilmi, että ihminen kuulee a altoja, joiden aallonpituus on 1,7 senttimetristä 17 metriin.
A altodiffraktion käsite
Äänen diffraktio on ilmiö, jossa a altorintama taipuu, kun se kohtaa läpinäkymättömän esteen matkallaan.
Silmiinpistävä arjen esimerkki diffraktiosta on seuraava: kaksi ihmistä on asunnon eri huoneissa eivätkä näe toisiaan. Kun toinen heistä huutaa jotain toiselle, toinen kuulee äänen, ikään kuin sen lähde olisi huoneita yhdistävässä ovessa.
Äänen diffraktiota on kahta tyyppiä:
- Taivuttaminen esteen ympäri, jonka mitat ovat pienempiä kuin aallonpituus. Koska ihminen kuulee melko suuria äänia altojen aallonpituuksia (jopa 17 metriä), tällaista diffraktiota esiintyy usein jokapäiväisessä elämässä.
- A altorintaman muutos sen kulkiessa kapean reiän läpi. Kaikki tietävät, että jos jätät oven hieman raolleen, kaikki ulkopuolelta tuleva melu, joka tunkeutuu hieman avoimen oven kapeaan aukkoon, täyttää koko huoneen.
Valon ja äänen diffraktion välinen ero
Koska puhumme samasta ilmiöstä, joka ei riipu a altojen luonteesta, äänen diffraktiokaavat ovat täsmälleen samat kuin valolla. Esimerkiksi ovessa olevan raon läpi kuljetettaessa minimille voidaan kirjoittaa samanlainen ehto kuin diffraktiolleFraunhofer kapealla raolla eli:
sin(θ)=mλ/d, missä m=±1, 2, 3, …
Tässä d on oviraon leveys. Tämä kaava määrittää huoneen alueet, joissa ulkopuolelta tuleva ääni ei kuulu.
Äänen ja valon diffraktion väliset erot ovat puhtaasti kvantitatiivisia. Tosiasia on, että valon aallonpituus on useita satoja nanometrejä (400-700 nm), mikä on 100 000 kertaa pienempi kuin pienimpien äänia altojen pituus. Diffraktioilmiö ilmenee voimakkaasti, jos aallon ja esteiden mitat ovat lähellä. Tästä syystä yllä kuvatussa esimerkissä kaksi ihmistä eri huoneissa ollessaan eivät näe toisiaan, vaan kuulevat.
Lyhyiden ja pitkien a altojen diffraktio
Edellisessä kappaleessa on annettu kaava äänen diffraktiolle raon mukaan, mikäli a altorintama on tasainen. Kaavasta voidaan nähdä, että vakioarvolla d kulmat θ ovat sitä pienempiä, mitä lyhyemmät aallot λ putoavat rakoon. Toisin sanoen lyhyet aallot diffraktoituvat huonommin kuin pitkät. Tässä on joitain tosielämän esimerkkejä tämän päätelmän tueksi.
- Kun ihminen kävelee kaupungin kadulla ja tulee paikkaan, jossa muusikot soittavat, hän kuulee ensin matalat taajuudet (basso). Kun hän lähestyy muusikoita, hän alkaa kuulla korkeampia taajuuksia.
- Ukkonen, joka tapahtui lähellä tarkkailijaa, näyttää hänestä melko korke alta (ei pidä sekoittaa voimakkuuteen) kuin sama jyrä muutaman kymmenen kilometrin päässä.
Näissä esimerkeissä havaittujen vaikutusten selitys on matalataajuisten äänen suurempi kyky taittaa ja niiden pienempi kyky absorboitua korkeisiin taajuuksiin verrattuna.
Ultraäänisijainti
Se on analyysi- tai suuntautumismenetelmä alueella. Molemmissa tapauksissa ideana on lähettää ultraäänia altoja (λ<1, 7 cm) lähteestä, sitten heijastaa ne tutkittavasta kohteesta ja analysoida vastaanottimen heijastumaa. Tätä menetelmää ihminen käyttää kiinteiden materiaalien viallisen rakenteen analysointiin, meren syvyyksien topografian tutkimiseen ja joillakin muilla alueilla. Ultraäänipaikannusta käyttämällä lepakot ja delfiinit navigoivat avaruudessa.
Äänen diffraktio ja ultraäänisijainti ovat kaksi toisiinsa liittyvää ilmiötä. Mitä lyhyempi aallonpituus, sitä huonommin se taittuu. Lisäksi vastaanotetun heijastuneen signaalin resoluutio riippuu suoraan aallonpituudesta. Diffraktioilmiö ei salli kahden kohteen erottamista, joiden välinen etäisyys on pienempi kuin taittuneen aallon pituus. Näistä syistä käytetään pikemminkin ultraääntä kuin ääni- tai infraäänisijaintia.
