Почему дифракция звука более очевидна чем дифракция света кратко

Обновлено: 05.07.2024

В дифракция звука это явление, возникающее, когда звук изгибается и распространяется вокруг отверстия или препятствия. Это что-то общее для всех волн: когда звуковая волна достигает отверстия или препятствия, точки ее плоскости становятся источниками и испускают другие дифрагированные.

Звук - это именно волна давления, которая распространяется через воздух, а также через воду и твердые тела. В отличие от света, который также является волной, звук не может распространяться в вакууме. Это потому, что свет работает совершенно иначе - это электромагнитная волна.

Ключевым моментом в явлении дифракции является размер препятствия по отношению к длине волны: дифракция более интенсивна, когда препятствие имеет размеры, сопоставимые с длиной волны.

В звуке длина волны порядка метров, а в свете - порядка сотен нанометров. Звук имеет человеческий масштаб, а свет - микробный.

Эта огромная разница в шкале длин волн звука и света лежит в основе того факта, что мы можем слышать разговор из-за угла, не имея возможности наблюдать за тем, кто говорит.

И дело в том, что звук может изгибаться за угол, в то время как свет продолжается прямо. Это явление кривизны при распространении звуковой волны и есть дифракция звука.

Звук

Под звуком понимаются волны давления, распространяющиеся по воздуху и входящие в слышимый диапазон.

Диапазон слышимости уха молодого человека с нарушением слуха составляет от 20 Гц до 20 000 Гц. Этот диапазон имеет тенденцию сужаться с возрастом.

Низкие тона или частоты находятся в диапазоне от 20 Гц до 256 Гц, средние тона - от 256 Гц до 2000 Гц. Высокие тона - от 2 кГц до 20 кГц.

Скорость звука в воздухе при атмосферном давлении 1 атм и температуре 0º C составляет 331 м / с. Взаимосвязь между скоростью v распространение волны с ее длиной волны λ и его частота F следующий:

Из этого соотношения мы получаем, что длина волны имеет следующие диапазоны:

- Низкие тона: от 16,5 м до 1,3 м.

- Средние тона: от 130 см до 17 см.

- Высокие тона: от 17 см до 1,7 см.

Примеры дифракции звука

Открытая дверь зрительного зала

Аудитория или концертный зал - это, как правило, закрытое пространство со стенами, которые поглощают звук, предотвращая отражение.

Однако если дверь зала открыта, концерт можно будет услышать без проблем, даже когда оркестр остается вне поля зрения.

Если вы находитесь прямо перед дверью, вы можете услышать весь спектр звуков. Однако, если вы находитесь в стороне, вы услышите низкие звуки, а высокие - нет.

Басовые звуки имеют длинную длину волны и поэтому могут окружать дверь и быть слышными за ней. Все из-за явления дифракции.

За коробкой динамика

Громкоговоритель или динамик излучают волны широкого диапазона длин. Коробка динамика сама по себе является препятствием, которое вызывает тень звук позади нее.

Эта звуковая тень отчетлива для высоких частот, которые не слышны за динамиком, в то время как басы и часть средних частот слышны, потому что они переворачивают устройство.

Описанный выше эксперимент лучше всего работает на открытом пространстве, потому что необходимо учитывать, что звук может отражаться от стен и других предметов, позволяя слышать все тона даже за динамиком.

Группа музыкантов на улице

Группа музыкантов, играющая на улице, слышна с перекрестка, откуда артистов не видно.

Причина, как мы говорили ранее, в том, что направление звука может изгибаться и пересекать угол, в то время как свет распространяется по прямой линии.

Однако этот эффект не одинаков для всех длин волн. Длинноволновые дифрагируют или удваиваются больше, чем коротковолновые.

По этой причине на поперечной улице, откуда музыкантов не видно, острые инструменты, такие как трубы и скрипки, плохо слышны, а барабаны и бас-барабаны слышны более отчетливо.

Кроме того, длинноволновые низкие тона меньше затухают с расстоянием, чем коротковолновые высокочастотные звуки.

Животные, использующие низкие частоты

Слоны излучают инфразвуковые волны очень низкой частоты и очень большой длины, чтобы общаться со своими сверстниками на больших расстояниях. Киты тоже так делают, что также позволяет им хорошо общаться на расстоянии.

Применение дифракции звука

Увеличенная зона слуха

Чтобы громкоговоритель имел большую зону прослушивания, ширина громкоговорителя должна быть меньше длины волны звука, который он излучает.

Существует особая конструкция рупора, в которой используется преимущество дифракции звука: это рупор для рассеивания.

Принято считать, что чем больше диафрагма рога, тем большую площадь он покрывает. Однако в дисперсионном рупоре диафрагма мала, и ее форма заставляет звук усиливаться, используя явление дифракции звука.

Форма рожка похожа на прямоугольную горловину или выходной рупор, размер которой меньше длины волны, которую он излучает.

При правильной установке этого типа громкоговорителей короткая сторона прямоугольной горловины должна располагаться горизонтально, а длинная - вертикально. Таким образом достигается большая ширина горизонтального покрытия и направленность звука параллельно земле.

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

Соответственно дифракция звука ( и ультразвука) - отклонение поведения звука от законов геометрической ( лучевой) акустики, обусловленное волно вой природой звука. Звуковые поля, созданные дифракцией исход ной волны на препятствиях, называют рассеянными или дифрагированными волнами. [4]

В результате дифракции звука коэффициент звукопоглощения штучных поглотителей значительно возрастает. [6]

Акустическая дифракция ( дифракция звука ) - явление, при котором изменяется направление звуковой волны в результате огибания препятствий, захождения звуковых волн в область акустической тени. [7]

Это отклонение называется дифракцией звука . [8]

Теоретически решены многие весьма трудные вопросы излучения и дифракции звука . [9]

Всеэти элементы выполняются таким образом, чтобы обеспечить необходимую герметичность, так как в жестких стенках наблюдается своеобразное проявление дифракции звука - усиление звукопроводности щелей и отверстий. Это происходит потому, что звуковая волна, падающая на большую по площади жесткую непоглощающую стенку, рассеивается в разные стороны. Так как все точки, через которые проходит фронт волны, согласно принципу Гюйгенса, являются источником вторичных волн, то к отверстию, кроме звуковой волны, от источника придет и часть энергии волны, отраженной от прилежащей к отверстию площади стены, в результате плотность звуковой энергии увеличивается, а отверстие проводит эту энергию в соседнее помещение. Образуется как бы акустическая воронка. [10]

Наблюдение, правда, более слабого рассеянного сигнала при небольших отклонениях от условий резонанса, что можно делать либо перемещая приемную пластинку П, либо меняя частоту одной из взаимодействующих волн, связано с дифракцией звука на конечной апертуре излучателей. [11]

РАССЕЯНИЕ волн - явление возникновения вторичных волн в направлениях, не совпадающих с направлением распространения падающей волны и некогерентных с этой волной, вследствие нерегулярных локальных изменений свойств среды, в которой распространяется исходная волна; звука - возникновение дополнительных полей при дифракции звука на препятствиях в среде, ее неоднородностях, а также на неровных и неоднородных границах сред; света [ вынужденное в веществе вызывается изменением движения входящих в его состав микрочастиц под влиянием световой волны большой интенсивности; когерентное происходит, когда фаза падающей волны однозначно определяет фазу рассеянной волны; комбинационное содержит наряду с частотами излучения источника света также смещенные частоты; Мандельштама - Бриллюэна вызывается конденсированной средой в результате его взаимодействия с собственными упругими колебаниями этой среды; молекулярное вызывается тепловыми флуктуациями среды, в которой он распространяется; неупругое сопровождается изменением частоты фотонов; резонансное происходит в условиях, когда частота световых волн близка к частоте собственных колебаний электронов в атомах среды; рэлеевское возникает в мутных средах с размерами неоднородностей меньше длины волны света, а также при неизменной его частоте; тиндалевское происходит в мутных средах, когда размеры оптических неоднородностей много меньше длины волны света; упругое происходи. [12]

Это объясняется тем, что дифракционные эффекты ( см. Дифракция звука ) приводят к такому выравниванию создаваемого поля, что уже на расстоянии в несколько поперечников излучателя поло становится практически неотличимым от поля малого мононоля с той же объемной скоростью. [14]

Несколько дефектов могут изображаться звуковым лучом одновременно ( рис. 10.3, б), если один из них полностью не затеняет других. Однако небольшой дефект, находящийся за более крупным, иногда все же еще может быть выявлен благодаря дифракции звука на более близком дефекте. По ориентировочной геометрической оценке, эхо от задней стенки должно исчезнуть, если дефект как раз полностью заполняет все поперечное сечение луча. [15]

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.

Читайте также: