El fenomen de la difracció és característic de qualsevol ona, per exemple, les ones electromagnètiques o les ones a la superfície de l'aigua. Aquest article parla de la difracció del so. Es consideren les característiques d'aquest fenomen, es donen exemples de la seva manifestació en la vida quotidiana i en l'ús humà.
Ona sonora
Abans de considerar la difracció del so, val la pena dir algunes paraules sobre què és una ona sonora. És un procés físic de transferència d'energia en qualsevol mitjà material sense moure matèria. Una ona és una vibració harmònica de partícules de matèria que es propaguen en un medi. Per exemple, a l'aire, aquestes vibracions provoquen l'aparició de zones d' alta i baixa pressió, mentre que en un cos sòlid ja són zones d'esforç de compressió i tracció.
Una ona sonora es propaga en un medi a una velocitat determinada, que depèn de les propietats del medi (temperatura, densitat i altres). A 20 oC a l'aire, el so viatja a aproximadament 340 m/s. Tenint en compte que una persona escolta freqüències de 20 Hz a 20 kHz, és possible determinarlongituds d'ona límit corresponents. Per fer-ho, podeu utilitzar la fórmula:
v=fλ.
On f és la freqüència de les oscil·lacions, λ és la seva longitud d'ona i v és la velocitat de moviment. Substituint els números anteriors, resulta que una persona sent ones amb longituds d'ona d'1,7 centímetres a 17 metres.
El concepte de difracció d'ones
La difracció del so és un fenomen en què un front d'ona es doblega quan troba un obstacle opac al seu pas.
Un exemple diari de difracció sorprenent és el següent: dues persones estan en habitacions diferents d'un apartament i no es veuen. Quan un d'ells crida alguna cosa a l' altre, el segon sent un so, com si la seva font fos a la porta que connecta les habitacions.
Hi ha dos tipus de difracció del so:
- Doblar-se al voltant d'un obstacle les dimensions del qual són més petites que la longitud d'ona. Com que una persona escolta ones sonores de longituds d'ona bastant grans (fins a 17 metres), aquest tipus de difracció es troba sovint a la vida quotidiana.
- Canvi del front d'ona quan passa per un forat estret. Tothom sap que si deixes la porta una mica entreoberta, qualsevol soroll de l'exterior, penetrant per l'estret buit de la porta lleugerament oberta, omple tota l'habitació.
La diferència entre la difracció de la llum i la del so
Com que estem parlant del mateix fenomen, que no depèn de la naturalesa de les ones, les fórmules de difracció del so són exactament les mateixes que per a la llum. Per exemple, quan es passa per una escletxa d'una porta, es pot escriure una condició per al mínim similar a la de la difraccióFraunhofer en una bretxa estreta, és a dir:
sin(θ)=mλ/d, on m=±1, 2, 3, …
Aquí d és l'amplada del buit de la porta. Aquesta fórmula determina les zones de l'habitació on no s'escoltarà el so de l'exterior.
Les diferències entre la difracció del so i la llum són purament quantitatives. El fet és que la longitud d'ona de la llum és de diversos centenars de nanòmetres (400-700 nm), que és 100.000 vegades menor que la longitud de les ones sonores més petites. El fenomen de la difracció es manifesta amb força si les dimensions de l'ona i els obstacles són propers. Per aquest motiu, en l'exemple descrit anteriorment, dues persones, en estar en habitacions diferents, no es veuen, sinó que escolten.
Difracció d'ones curtes i llargues
En el paràgraf anterior es dóna la fórmula per a la difracció del so per una escletxa, sempre que el front d'ona sigui pla. A partir de la fórmula es pot veure que a un valor constant de d, els angles θ seran més petits, com més curtes cauran les ones λ a la ranura. En altres paraules, les ones curtes es difracten pitjor que les llargues. Aquests són alguns exemples de la vida real per donar suport a aquesta conclusió.
- Quan una persona camina per un carrer de la ciutat i arriba a un lloc on toquen músics, primer escolta freqüències baixes (baix). Quan s'acosta als músics, comença a escoltar freqüències més altes.
- El tro, que es va produir no lluny de l'observador, li sembla força alt (no s'ha de confondre amb la intensitat) que el mateix tros a unes desenes de quilòmetres de distància.
L'explicació dels efectes assenyalats en aquests exemples és la major capacitat de difracció del so de les freqüències baixes i la seva menor capacitat d'absorció en comparació amb les freqüències altes.
Ubicació d'ultrasò
És un mètode d'anàlisi o orientació a la zona. En ambdós casos, la idea és emetre ones ultrasòniques (λ<1, 7 cm) des de la font, després reflectir-les des de l'objecte en estudi i analitzar l'ona reflectida pel receptor. Aquest mètode és utilitzat per l'home per analitzar l'estructura defectuosa dels materials sòlids, per estudiar la topografia de les profunditats marines i en algunes altres àrees. Utilitzant la ubicació d'ultrasons, els ratpenats i els dofins naveguen per l'espai.
La difracció del so i la localització ultrasònica són dos fenòmens relacionats. Com més curta és la longitud d'ona, pitjor es difracta. A més, la resolució del senyal reflectit rebut depèn directament de la longitud d'ona. El fenomen de la difracció no permet distingir entre dos objectes, la distància entre els quals és menor que la longitud de l'ona difractada. Per aquests motius, s'utilitza una ubicació ultrasònica en lloc d'una ubicació sonora o infrasònica.
