Difrakcijas parādība ir raksturīga absolūti jebkuriem viļņiem, piemēram, elektromagnētiskajiem viļņiem vai viļņiem uz ūdens virsmas. Šajā rakstā ir runāts par skaņas difrakciju. Aplūkotas šīs parādības pazīmes, doti piemēri tās izpausmei ikdienā un cilvēku lietošanā.
Skaņas vilnis
Pirms apsvērt skaņas difrakciju, ir vērts pateikt dažus vārdus par to, kas ir skaņas vilnis. Tas ir fizisks enerģijas pārnešanas process jebkurā materiālā vidē, nepārvietojot vielu. Vilnis ir matērijas daļiņu harmoniska vibrācija, kas izplatās vidē. Piemēram, gaisā šīs vibrācijas izraisa augsta un zema spiediena apgabalu rašanos, savukārt cietā ķermenī tās jau ir spiedes un stiepes spriedzes zonas.
Skaņas vilnis vidē izplatās ar noteiktu ātrumu, kas ir atkarīgs no vides īpašībām (temperatūras, blīvuma un citiem). Pie 20 oC gaisā skaņa izplatās ar ātrumu aptuveni 340 m/s. Ņemot vērā, ka cilvēks dzird frekvences no 20 Hz līdz 20 kHz, ir iespējams noteiktatbilstošos ierobežojošos viļņu garumus. Lai to izdarītu, varat izmantot formulu:
v=fλ.
Kur f ir svārstību frekvence, λ ir to viļņa garums un v ir kustības ātrums. Aizstājot iepriekš minētos skaitļus, izrādās, ka cilvēks dzird viļņus ar viļņu garumu no 1,7 centimetriem līdz 17 metriem.
Viļņu difrakcijas jēdziens
Skaņas difrakcija ir parādība, kurā viļņu fronte saliecas, saskaroties ar necaurredzamu šķērsli savā ceļā.
Spilgts difrakcijas ikdienas piemērs ir šāds: divi cilvēki atrodas dažādās dzīvokļa istabās un neredz viens otru. Kad viens no viņiem kaut ko kliedz otram, otrs dzird skaņu, it kā tās avots būtu durvīs, kas savieno telpas.
Ir divi skaņas difrakcijas veidi:
- Izliecoties ap šķērsli, kura izmēri ir mazāki par viļņa garumu. Tā kā cilvēks dzird diezgan lielus skaņas viļņu garumus (līdz 17 metriem), šāda veida difrakcija bieži sastopama arī ikdienā.
- Viļņu frontes maiņa, tai izejot cauri šauram caurumam. Ikviens zina, ka, atstājot durvis nedaudz pavērtas, jebkurš troksnis no ārpuses, kas iekļūst nedaudz atvērto durvju šaurajā spraugā, aizpilda visu telpu.
Atšķirība starp gaismas un skaņas difrakciju
Tā kā mēs runājam par vienu un to pašu parādību, kas nav atkarīga no viļņu rakstura, skaņas difrakcijas formulas ir tieši tādas pašas kā gaismai. Piemēram, izejot caur spraugu durvīs, var uzrakstīt nosacījumu minimumam, kas ir līdzīgs difrakcijai. Fraunhofers uz šauras spraugas, tas ir:
sin(θ)=mλ/d, kur m=±1, 2, 3, …
Šeit d ir durvju spraugas platums. Šī formula nosaka telpas zonas, kurās netiks dzirdama skaņa no ārpuses.
Atšķirības starp skaņas un gaismas difrakciju ir tikai kvantitatīvas. Fakts ir tāds, ka gaismas viļņa garums ir vairāki simti nanometru (400-700 nm), kas ir 100 000 reižu mazāks par mazāko skaņas viļņu garumu. Difrakcijas parādība spēcīgi izpaužas, ja viļņa izmēri un šķēršļi ir tuvu. Šī iemesla dēļ iepriekš aprakstītajā piemērā divi cilvēki, atrodoties dažādās telpās, viens otru neredz, bet dzird.
Īso un garo viļņu difrakcija
Iepriekšējā rindkopā ir dota formula skaņas difrakcijai ar spraugu, ja viļņu fronte ir plakana. No formulas var redzēt, ka pie nemainīgas d vērtības leņķi θ būs mazāki, jo īsāki viļņi λ kritīs uz spraugas. Citiem vārdiem sakot, īsie viļņi izkliedējas sliktāk nekā garie. Šeit ir daži reālās dzīves piemēri, lai pamatotu šo secinājumu.
- Kad cilvēks iet pa pilsētas ielu un nonāk vietā, kur spēlē mūziķi, viņš vispirms dzird zemās frekvences (bass). Tuvojoties mūziķiem, viņš sāk dzirdēt augstākas frekvences.
- Pērkona gājiens, kas notika netālu no novērotāja, viņam šķiet diezgan augsts (nejaukt ar intensitāti) nekā tas pats ritiens dažus desmitus kilometru attālumā.
Šajos piemēros norādīto efektu skaidrojums ir zemo frekvenču skaņas lielāka spēja difrakcijai un to mazāka absorbcijas spēja salīdzinājumā ar augstām frekvencēm.
Ultraskaņas atrašanās vieta
Tā ir analīzes vai orientēšanās metode apgabalā. Abos gadījumos ideja ir izstarot ultraskaņas viļņus (λ<1, 7 cm) no avota, pēc tam atspoguļot tos no pētāmā objekta un analizēt uztvērēja atstaroto viļņu. Šo metodi cilvēki izmanto, lai analizētu cieto materiālu bojāto struktūru, pētītu jūras dzīļu topogrāfiju un dažos citos apgabalos. Izmantojot ultraskaņas atrašanās vietu, sikspārņi un delfīni pārvietojas kosmosā.
Skaņas difrakcija un ultraskaņas atrašanās vieta ir divas saistītas parādības. Jo īsāks viļņa garums, jo sliktāk tas difrakcijas. Turklāt saņemtā atstarotā signāla izšķirtspēja ir tieši atkarīga no viļņa garuma. Difrakcijas fenomens neļauj atšķirt divus objektus, kuru attālums ir mazāks par difrakcijas viļņa garumu. Šo iemeslu dēļ tiek izmantota ultraskaņas, nevis skaņas vai infraskaņas atrašanās vieta.
