Интерференция волн понятие о дифракции волн звуковые волны ультразвук и его применение конспект

Обновлено: 03.07.2024

Интерференцией называют изменение средней плотности потока энергии, которое вызвано суперпозицией волн.

Или немного иначе: Интерференцией называют сложение в пространстве волн, при этом возникает неизменное во времени амплитудное распределение суммарных колебаний.

Интерференцией волн света называют сложение волн, при котором можно наблюдать устойчивую во времени картину усиления или ослабления суммарных колебаний света в разных пространственных точках. Термин интерференция в науку ввел Т. Юнг.

Условия возникновения интерференции

Для того чтобы при наложении волн образовывалась устойчивая интерференционная картина необходимо, чтобы источники волн обладали одинаковой частотой и постоянной разностью фаз. Подобные источники называют когерентными (согласованными). Когерентными называют волны, которые созданы когерентными источниками.

Так, исключительно при наложении когерентных волн возникает устойчивая интерференционная картина.

В оптике для создания интерференционной картины когерентные волны получают:

делением амплитуды волны;
делением фронта волны.

Условие минимумов интерференции

$\frac<<\lambda> Амплитуда колебаний интерферирующих волн в рассматриваемой точке будет минимальной, если разность хода ( ) волн в этой точке содержит нечетное число длин полуволн (_0>$
):

$\Delta =\left(2m+1\right)\frac<<\lambda> _0>,\left(m=0,1,\dots \right) \qquad (1)$

$\frac<<\lambda> Допустим, что на отрезке укладывается _0>$
, тогда получается, одна волна отстает от другой на половину периода. Разность фаз этих волн оказывается равна , что означает – колебания происходят в противофазе. При сложении таких колебаний, амплитуда суммарной волны получится равной нулю.

Условие максимумов интерференции

$<\lambda> Амплитуда колебаний интерферирующих волн в рассматриваемой точке будет максимальной, если разность хода ( ) волн в этой точке содержит целое число длин волн (_0$
):

$\Delta =m<\lambda> _0,\left(m=0,1,\dots \right) \qquad (2)$

Определение дифракции

Слово дифракция с латинского языка означает разломанный.

Явление дифракции объясняют при помощи принципа Гюйгенса. Вторичные волны, которые испускаются участками вещества (среды), попадают за края препятствия, которое находится на пути движения волны. Согласно теории Френеля поверхность волны в любой произвольный момент времени – это не только огибающая вторичных волн, а результат их интерференции.

Условия, при которых наблюдается дифракция

Особенно явно дифракция проявляется тогда, когда размеры препятствия меньше или сравнимы с длиной волны.

Дифрагировать могут волны любой природы, как и интерферировать.

Условие минимумов интенсивности

При дифракции световой волны на одной щели при нормальном падении лучей условие минимума интенсивности записывается как:

где a – ширина щели; – угол дифракции; k – номер минимума; – длина волны.

Условие максимумов интенсивности

При дифракции световой волны на одной щели при нормальном падении лучей условие максимума интенсивности записывается как:

где – приближенная величина угла дифракции.

Условие главных максимумов интенсивности при дифракции на дифракционной решетке

Условие главных максимумов интенсивности дифракция света на дифракционной решетке при нормальном падении лучей записывают:

$<d\cdot \sin \varphi =\pm k\lambda> \ \left(k=1,2,3\dots \right) \qquad (4),$

где d – период (постоянная) решетки; k – номер главного максимума; – угол между нормалью к плоскости решетки и направлением дифрагированных волн.

Значение дифракции

Дифракция не дает возможности получать четкие изображения мелких предметов, так как не всегда можно считать, что свет распространяется строго по прямой. Вследствие этого, изображения могут быть размытыми, при этом увеличение не помогает увидеть детали предмета, если его размер сравним с длиной волны света. Явление дифракции накладывает границы на применимость законов геометрической оптики и определяет предел разрешающей способности оптических приборов.

Примеры решения задач

Задание

Почему нельзя наблюдать явление интерференции при помощи двух электрических лампочек?

Решение

Если включить одну электрическую лампу, потом добавить к ней еще, то увеличится освещенность, но не будет ни каких чередований темных и светлых полос (минимумов и максимумов освещенности). Это происходит потому, что волны света, которые испускаются лампами, являются не когерентными (несогласованными). Для того чтобы получать устойчивую во времени интерференционную картину световые волны должны иметь одинаковые частоты (длины волн) и постоянную во времени разность фаз. Атомы источников света, например, ламп испускают волны независимо друг от друга отдельными цугами. Цуги разных источников накладываются друг на друга. Амплитуда колебаний в произвольной точке пространства меняется во времени хаотически, в зависимости от разности фаз цугов волн. Устойчивого распределения максимумов и минимумов увидеть нельзя.

Задание	На дифракционную решетку перпендикулярно ее поверхности падает монохроматический пучок света с длиной волны $\lambda =5\cdot <10>^$ м. число штрихов на миллиметр решетки равно 500. Каков наибольший порядок спектра?
Решение	Сделаем рисунок.

Постоянная дифракционной решетки, длина волны и угол отклонения лучей , которые соответствуют дифракционному максимуму номер k, связывает формула:

$<d\cdot \sin \varphi =\pm k\lambda> \qquad (2.1),$

где k – порядок спектра, в случае монохромного света – это порядок максимума. Период решетки связан с числом штрихов на единицу длины решетки как:

$d=\frac<1> \qquad (2.2)$

$k=\frac<<\sin \varphi> > \qquad (2.3)$

$<\sin \varphi> Так как нам требуется найти максимальный порядок спектра, то$
следует положить равны одному, тогда:

$k=\frac<1> $

Можно провести вычисления:

$k=\frac<1> ^5\ \cdot 5\cdot ^>=4$

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Конспект урока

Тема: Звуковые волны. Применение ультразвука в технике и медицине.

Цель: показать разнообразие звука и звуковых волн, генерацию их и фиксирование;

инфразвук и ультразвук, их применение в технике и медицине (польза физики).

Оборудование: камертон с молоточком. Презентация.

Тип урока: изучение нового материала с использованием ИКТ.

Мотивационно – организационный момент:

Проверка готовности к уроку

Проверка наличия учащихся на уроке

Актуализация знаний:

основное свойство волны;

Блиц – опрос: Герц, амплитуда, период, метр, секунда, маятник, колебание, качели, частота, цикл

Объяснение нового материала:

№ 1: Вы никогда не пробовали выяснить, почему, когда вы стоите в соседней комнате и что-то говорите, то ваш голос слышит другой человек в другой комнате?

№ 2: Вспомните детство, как вы воплощали некоторые музыкальные фантазии на пустых бутылках? Это самый популярный и понятный способ для детей, чтобы понять что такое звуковые волны.

Теперь давайте приступим непосредственно к рассмотрению вопросов связанных с звуковыми волнами!

Звуковые волны – это вибрации, созданные в воздухе. Звуковые волны, как правило, отражаются от поверхности или объекта и таким образом создаётся устойчивая вибрация в воздухе. Например, если в замкнутом помещении находятся два человека, то их голоса будут отражаться от объектов, присутствующих в этой комнате, деревянная мебель, стены, кровати и т.д., и таким образом звук создается вокруг тех объектов, с которыми они взаимодействовали. Таким образом, мы слышим друг друга. Интересная ситуация будет происходить в космосе. Вы, наверное, слышали, что в космосе не может быть звука. А не может быть его потому, что в космосе нет воздуха и соответственно нечему вибрировать, тем самым, создавая звук!

Наука о звуках называется акустикой. Звук - это по сути колебания воздуха под давлением, то есть волны. Скорость звука в среднем в воздухе 1193 км/ч или составляет 331.46 м/с. ‎Скорость звука зависит от среды, через которую проходят волны, и часто является характеристикой основного показателя материала.

Звуковые волны, проходящие через жидкости и твёрдые тела, могут изменяться. В газах скорость звука меньше, чем в жидкостях , а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах. В твёрдых телах скорость звука составляет 2000—6000 м/с.

Звуковые волны не могут передвигаться в среде вакуума и пустом пространстве, так как нет воздуха и нет ничего, чтобы могло предпринять обратные меры.

Когда звук распространяется через воду, звук движется в 4 раза быстрее, чем через воздух и составляет 1485 м/с.

№ 3: Почему мы видим молнию раньше, чем звук грома? Часто данный вопрос можно услышать как от детей, так и от взрослых. Скорость света гораздо больше чем скорость звука. Поэтому мы сначала видим молнию и только потом до нас доходит звук!

Если звуковые колебания быстрые, звук будет высоким и если колебания медленные, звук является низким.

Звуковые волны ощущаются не только ушами человека, но и все тело может чувствовать звуковые колебания на определенной частоте.

Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком ; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком , от 1 ГГц — гиперзвуком .

Среди слышимых звуков следует особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь ) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка ).

Звуковые волны кроме скорости распространения имеют характеристики: амплитуду, частоту, скорость, высоту и тембр звука.

Мир полон звуков и без музыки. Шумит улица, шумит заводской цех, а вдали от города шумит природа: ветром в листве деревьев, дождем в траве, морским прибоем. Человек так привык к шуму, что полная тишина для него — нелегкое испытание.

С утра до вечера объятые шумом, иногда сверх всякой меры, мы все же в любое мгновение можем выделить из этого шума музыкальный звук. Даже не ансамбль и не мелодию, а просто один-единственный звук. Ребёнок пиликнул на скрипке, трубач дунул в трубу, кто-то просто задел струну гитары — и мы уже отмечаем про себя: звучит музыкальный инструмент. Мы можем его даже и не видеть. Звук для нашего уха — это всего лишь колебания воздуха. Значит, в этих колебаниях содержится все, что отделяет музыкальный звук от шума. И все, что отличает один музыкальный звук от другого

Тембр определяется присутствием в звуке обертонов (призвуков) и зависит от источника звука. По тембру звуки очень разнообразны.

Громкость звука, величина, характеризующая слуховое ощущение для данного звука и которая не должна превышать порога болевого ощущения (величина звукового давления, при которой в ухе возникает ощущение боли).

Как можно получить (генерировать) звук?

Примером генерации может служить использование голосовых связок , динамиков или камертона . Большинство музыкальных инструментов основано на том же принципе. Исключением являются духовые инструменты , в которых звук генерируется за счёт взаимодействия потока воздуха с неоднородностями в инструменте.

Свойства звуковых (ультразвуковых)волн:

поглощения (его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63 %). По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань — 6,8 см; мышечная — 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе — 4,9 см),

преломление ( акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис — дерма — фасция — мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн).

Звуковые волны помогают животным и насекомым, чтобы обнаружить опасности. Волны выступают в качестве предупредительного сигнала о возможных атаках.

Собаки могут слышать ультразвуковые и инфразвуковые волны звука на более высокой частоте по сравнению с людьми.

Применение ультразвука.

Ультразвуковая диагностика (УЗИ)

Ультразвук используется для диагностики, терапевтического и хирургического лечения в различных областях клинической медицины. Способность ультразвука без существенного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от акустических неоднородностей используется для исследования внутренних органов. Ультразвуковые методы диагностики в ряде случаев позволяют более тонко различать структуру тканей, чем рентгеновские. Так обнаруживаются опухоли мягких тканей, часто не различимые др. способами.

Ультразвук применяют в акушерстве для диагностического исследования плода и беременной женщины, в нейрохирургии — для распознавания опухолей в головном мозге (эхоэнцефалография), в кардиологии — для изучения гемодинамики, выявления гипертрофии мышцы сердца. Микромассаж тканей, активация процессов обмена и локальное нагревание тканей.

- связана с разрушением тканей собственно звуковыми колебаниями: применяется фокусированный ультразвук с частотами порядка 106— 107 гц,

- с наложением ультразвуковых колебаний на хирургический инструмент: колебания на частотах 20—75 кгц с амплитудой 10—50 мкм. Ультразвуковые инструменты применяются для рассечения мягких и костных тканей, позволяя при этом существенно уменьшать усилие резания, кровопотери и болевые ощущения.

Травматологии и ортопедия

Ультразвук используют для сварки сломанных костей: при этих операциях костной стружкой, смешанной с жидкой пластмассой, заполняют пространство между костными отломками; под действием ультразвука образуется их соединение.

В настоящее время лечение ультразвуковыми колебаниями получили очень большое распространение. Используется, в основном, ультразвук частотой от 22 – 44 кГц и от 800 кГц до 3 МГц. Глубина проникновения ультразвука в ткани при ультразвуковой терапии составляет от 20 до 50 мм, при этом ультразвук оказывает механическое, термическое, физико-химическое воздействие, под его влиянием активизируются обменные процессы и реакции иммунитета. Ультразвук используемых в терапии характеристик обладает выраженным обезболивающим, спазмолитическим, противовоспалительным, противоаллергическим и общетонизирующим действием, он стимулирует крово- и лимфообращение, как уже было сказано, процессы регенерации; улучшает трофику тканей. Благодаря этому ультразвуковая терапия нашла широкое применение в клинике внутренних болезней, в артрологии, дерматологии, отоларингологии и др.

Используя явление отражения на границе различных сред, конструируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий, для определения уровня жидкости в больших, недоступных для прямого измерения ёмкостях.

Объединенные с компьютером, помогают контролировать качество сварных швов, бетонных опор и плит, а также для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельсов, крупных отливок, качественного проката и т.д.).

Даёт возможность видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде.

Гидроакустика (эхолот, гидролокатор)

Упругие волны являются единственным видом волн, хорошо распространяющимся в морской воде. На принципе отражения ультразвуковых импульсов от препятствий, возникающих на пути их распространения.

Ультразвуковую аппаратуру также с успехом применяют для резки и сверления металлов, стекла и других материалов.

Ультразвук можно использовать для измельчения вещества – например, для приготовления тонко размолотого цемента или асбеста, для получения однородных эмульсий, для очистки жидкости или газа от примесей.

Ультразвук в природе.

Целый ряд животных способен воспринимать и излучать частоты упругих волн значительно выше 20 кгц. Так, птицы болезненно реагируют на ультразвуковые частоты более 25 кгц, что используется, например, для отпугивания чаек от водоёмов с питьевой водой. Мелкие насекомые при своём полёте создают ультразвуковые волны. Летучие мыши, имея совсем слабое зрение, или вовсе не имея его, ориентируются в полёте и ловят добычу методом ультразвуковой локации. Они излучают своим голосовым аппаратом ультразвуковые импульсы с частотой повторения несколько Гц и несущей частотой 50—60 кГц. Дельфины излучают и воспринимают ультразвук до частот 170 кГц; метод ультразвуковой локации у них развит, по-видимому, ещё совершеннее, чем у летучей мыши.

Инфразвук — упругие волны с частотой менее 16 Гц .

Медузы и инфразвуки

На краю купола медузы расположены примитивные глаза, статоцисты и слуховые колбочки . Размеры их сравнимы с размерами булавочной головки. С их помощью медузы воспринимают инфразвуки с частотой 8—13 Гц.

Перед штормом усиливающийся ветер срывает гребни волн и захлёстывает их. Каждое такое захлопывание воды на гребне волны порождает акустический удар , создаются инфразвуковые колебания, расходящиеся на сотни километров, их улавливает медуза. Купол медузы усиливает инфразвуковые колебания как рупор, и передаёт на слуховые колбочки. Восприняв этот сигнал, медузы уходят на дно за 20 часов до начала шторма на данной местности.

Бионики создали технику, предсказывающую бури, работа которых основана на принципе работы инфрауха медузы. Такой прибор может предупредить о готовящейся буре за 15 часов, а не за два, как обычный морской барометр .

Домашнее задание:

Закрепление:

Где скорость звука больше, в воздухе или в железе? Может ли звук распространяться в вакууме?

Какова длина звуковой волны с частотой 200Гц в воздухе и в воде?

Сегодня в статье мы рассмотрим как происходит изменение звуковой волны при взаимодействии с отражающей поверхностью. Разберёмся в таких понятиях как рефракция, дифракция, рассеяние.

Отражение звуковых волн

Когда звуковая волна достигает какой-то границы в пределах среды (например, падает на стену помещения или переходит их воздуха в воду и т. п.), происходит отражение звуковой энергии. При этом угол падения волны равен углу отражения, а некоторая часть энергии теряется на поглощение, часть проходит через границу в другую среду.

Величину коэффициента поглощения материалов можно посмотреть в различных справочниках. При этом необходимо понимать, что величина коэффициента поглощения зависит от частоты. С повышением частоты она увеличивается.

Отраженные от стен помещения и других предметов звуковые волны определяют акустику концертных залов, студий и других помещений для прослушивания.

Изменяя соотношения различных коэффициент поглощения, материалов, можно влиять на структуру отраженных волн и влиять на качество звучания музыки и речи в помещении.

Также отражение волн зависит и от формы отражающей поверхности. Если, например, она в виде вогнутой, выпуклой чаши, то можно концентрировать или наоборот, рассеивать звук в определенной точке или направлении.

РЕФРАКЦИЯ (ПРЕЛОМЛЕНИЕ)

Изменение направления распространения волны при переходе из одной среды в другую называют рефракция.

Выше мы уже говорили, что часть звуковой волны отражается, часть энергии теряется на поглощение, а часть проходит через границу в другую среду. Если эта среда (в которую проходит волна) имеет другие физические свойства, например, температуру, плотность и др., то скорость звука в ней меняется, а звуковая волна из-за этого меняет направление своего распространения.

Рефракция происходит и при распространении в одной и той же среде (к примеру, в атмосфере). Ведь физические свойства её тоже постепенно меняются. Возьмём звуковую волну, распространяющуюся над поверхностью воды. Воздух над водой имеет более низкую температуру, чем в более высоких слоях. Поэтому скорость звуковой волны в более холодных слоях становиться меньше, а направление распространения волны изменяется вниз.

ДИФРАКЦИЯ

Звуковые волны могут огибать встретившиеся на их пути препятствия и проникать в область за ними. Вот эта способность к огибанию препятствий и называется дифракцией. Именно поэтому звук можно услышать не только в пределах прямой видимости источника.

Зависит дифракция от соотношения длины волны (частоты) и размера препятствия.

Если длина волны больше размера препятствия, то звуковая волна огибает его и проходит дальше, почти не меняя своей структуры и интенсивности . Это относится и к прохождению через отверстия. Она просто становиться источником сферической волны.

Современная пространственная стереофония учитывает это явление. Ведь разные частоты огибают голову и ушные раковины по-разному. Низкочастотные звуки проходят не меняя интенсивности, среднечастотные и высокочастотные образуют акустическую тень (из-за дифракции). В связи с этим интенсивность звука и тембр меняются в зависимости от расположения источника по отношению к голове, что влияет на его локализацию в пространстве.

РАССЕЯНИЕ

В то время, как часть звуковой волны огибает препятствие, часть отражается от него. Вот это и есть рассеяние звуковой волны.

Процессы дифракции и рассеяния могут сильно искажать структуру звукового поля вокруг микрофона и изменять его чувствительность.

Спасибо, что читаете New Style Sound. Подписывайтесь (RSS-лента) и делитесь статьями с друзьями.

А в следующей части мы поговорим об интерференции звуковых волн, принципе суперпозиции, про стоячие волны, биения, а также про эффект Доплера.

Явление дифракции характерно для совершенно любых волн, например, электромагнитных или волн на поверхности воды. В данной статье рассказано о дифракции звука. Рассмотрены особенности этого явления, приведены примеры его проявления в быту и использования человеком.

Звуковая волна

Перед рассмотрением дифракции звука, стоит сказать несколько слов о том, что такое звуковая волна. Она представляет собой физический процесс передачи энергии в какой-либо материальной среде без перемещения материи. Волна представляет собой гармонические колебания частиц материи, которые распространяются в среде. Например, в воздухе эти колебания приводят к возникновению областей повышенного и пониженного давления, в твердом же теле это уже области напряжения сжатия и растяжения.

Звуковая волна распространяется в среде с некоторой скоростью, которая зависит от свойств среды (температуры, плотности и других). При 20 o C в воздухе звук движется со скоростью приблизительно 340 м/с. Учитывая, что человек слышит частоты от 20 Гц до 20 кГц, можно определить соответствующие предельные длины волн. Для этого можно воспользоваться формулой:

Где f - частота колебаний, λ - их длина волны, а v - скорость движения. Подставляя приведенные выше числа, получится, что человек слышит волны с длинами от 1,7 сантиметра до 17 метров.

Понятие о дифракции волн

Дифракция звука - это явление, которое заключается в изгибании волнового фронта, когда он встречает непрозрачное препятствие на пути своего следования.

Ярким бытовым примером дифракции является следующий: два человека находятся в разных комнатах квартиры и не видят друг друга. Когда один из них что-то кричит другому, то второй слышит звук, будто его источник находится в дверном проеме, соединяющим комнаты.

Дифракция звука бывает двух типов:

Огибание препятствия, размеры которого меньше длины волны. Поскольку человек слышит достаточно большие длины звуковых волн (до 17 метров), то этот тип дифракции встречается часто в быту.
Изменение фронта волны при ее прохождении через узкое отверстие. Каждый знает: если оставить дверь немного приоткрытой, то любой шум извне, проникая в узкую щель слегка открытой двери, заполняет все помещение.

Отличие дифракции света от таковой для звука

Поскольку речь идет об одном и том же явлении, которое не зависит от природы волн, то формулы дифракции звука являются точно такими же, как и для света. Например, при прохождении через щель в двери можно записать условие для минимума аналогичное, как для дифракции Фраунгофера на узкой щели, то есть:

Здесь d - ширина дверной щели. По этой формуле определяются зоны в помещении, где звука извне не будет слышно.

Отличия между звуковой и световой дифракциями носят исключительно количественный характер. Дело в том, что длина волны света составляет несколько сотен нанометров (400-700 нм), что в 100000 раз меньше длины самых маленьких волн звука. Явление же дифракции сильно проявляется, если размеры волны и препятствия близки. По этой причине в описанном выше примере два человека, находясь в разных комнатах, не видят друг друга, но слышат.

Дифракция коротких и длинных волн

В предыдущем пункте приведена формула для дифракции звука на щели при условии, что фронт волны является плоским. Из формулы видно, что при постоянной величине d, углы θ будут тем меньше, чем более короткие волны λ будут падать на щель. Иными словами, короткие волны дифрагируют хуже, чем длинные. Далее приведено несколько примеров из жизни, подтверждающих этот вывод.

Когда человек идет по улице города и подходит к месту, где играют музыканты, то он слышит сначала низкие частоты (басы). Приблизившись к музыкантам, он начинает слышать более высокие частоты.
Раскат грома, который произошел недалеко от наблюдателя, кажется ему достаточно высоким (не путать с интенсивностью), чем тот же раскат в несколько десятков километров от него.

Объяснение эффектов, отмеченных в этих примерах, заключается в большей способности низких частот звука дифрагировать и в меньшей их способности поглощаться в сравнении с частотами высокими.

Ультразвуковая локация

Она представляет собой метод анализа или ориентирования на местности. В обоих случаях идея заключается в испускании ультразвуковых волн (λ 3 ноября, 2018

Читайте также: