Hiện tượng nhiễu xạ là đặc trưng của hoàn toàn bất kỳ sóng nào, ví dụ, sóng điện từ hoặc sóng trên bề mặt nước. Bài này nói về sự nhiễu xạ của âm thanh. Các đặc điểm của hiện tượng này được xem xét, đưa ra các ví dụ về biểu hiện của nó trong cuộc sống hàng ngày và việc sử dụng của con người.
Sóng âm
Trước khi xem xét sự nhiễu xạ của âm thanh, cần nói vài lời về sóng âm là gì. Nó là một quá trình vật lý chuyển năng lượng trong bất kỳ môi trường vật chất nào mà không cần vật chất chuyển động. Sóng là một dao động điều hòa của các hạt vật chất truyền trong một môi trường. Ví dụ, trong không khí, những rung động này dẫn đến sự xuất hiện của các vùng có áp suất cao và thấp, trong khi ở thể rắn, đây đã là những vùng chịu ứng suất nén và kéo.
Sóng âm truyền trong môi trường với tốc độ nhất định, tốc độ này phụ thuộc vào các đặc tính của môi trường (nhiệt độ, mật độ và các đặc tính khác). Ở 20oC trong không khí, âm thanh truyền đi với vận tốc khoảng 340 m / s. Coi một người nghe được tần số từ 20 Hz đến 20 kHz, có thể xác định đượccác bước sóng giới hạn tương ứng. Để làm điều này, bạn có thể sử dụng công thức:
v=fλ.
Trong đó f là tần số của dao động, λ là bước sóng của chúng và v là tốc độ chuyển động. Thay các số trên, người ta thấy một người nghe được sóng có bước sóng từ 1,7 cm đến 17 mét.
Khái niệm về nhiễu xạ sóng
Nhiễu xạ âm thanh là hiện tượng mặt sóng bị uốn cong khi gặp vật cản mờ trên đường đi của nó.
Một ví dụ nổi bật hàng ngày về hiện tượng nhiễu xạ như sau: hai người ở các phòng khác nhau của một căn hộ và không nhìn thấy nhau. Khi một trong số họ hét lên điều gì đó với người kia, người thứ hai sẽ nghe thấy âm thanh, như thể nguồn của nó nằm ở ngưỡng cửa nối các phòng.
Có hai loại nhiễu xạ âm thanh:
- Uốn quanh chướng ngại vật có kích thước nhỏ hơn bước sóng. Vì một người nghe thấy các bước sóng âm thanh có bước sóng khá lớn (lên đến 17 mét), nên loại nhiễu xạ này thường được tìm thấy trong cuộc sống hàng ngày.
- Thay đổi mặt trước của sóng khi nó đi qua một lỗ hẹp. Mọi người đều biết rằng nếu bạn để cửa hơi hé, thì bất kỳ tiếng động nào từ bên ngoài, xuyên qua khe hẹp của cánh cửa hơi mở, sẽ lấp đầy toàn bộ căn phòng.
Sự khác biệt giữa nhiễu xạ ánh sáng và âm thanh
Vì chúng ta đang nói về cùng một hiện tượng, không phụ thuộc vào bản chất của sóng, nên các công thức nhiễu xạ âm thanh hoàn toàn giống như đối với ánh sáng. Ví dụ, khi đi qua một khe cửa, người ta có thể viết một điều kiện cho cực tiểu tương tự như điều kiện cho nhiễu xạFraunhofer trên một khe hẹp, đó là:
sin (θ)=mλ / d, trong đó m=± 1, 2, 3,…
Ở đây d là chiều rộng của khe cửa. Công thức này xác định các khu vực trong phòng sẽ không nghe thấy âm thanh từ bên ngoài.
Sự khác biệt giữa nhiễu xạ âm thanh và ánh sáng hoàn toàn là định lượng. Thực tế là bước sóng của ánh sáng là vài trăm nanomet (400-700 nm), nhỏ hơn 100.000 lần so với độ dài của sóng âm thanh nhỏ nhất. Hiện tượng nhiễu xạ biểu hiện mạnh mẽ nếu kích thước của sóng và các vật cản gần nhau. Vì lý do này, trong ví dụ được mô tả ở trên, hai người ở các phòng khác nhau, không nhìn thấy nhau, nhưng nghe thấy.
Sự nhiễu xạ của sóng ngắn và sóng dài
Trong đoạn trước, công thức về nhiễu xạ âm thanh bởi một khe đã được đưa ra, với điều kiện là mặt trước của sóng là phẳng. Từ công thức có thể thấy rằng tại một giá trị không đổi của d, các góc θ sẽ càng nhỏ, sóng λ rơi trên khe càng ngắn. Nói cách khác, sóng ngắn nhiễu xạ kém hơn sóng dài. Dưới đây là một số ví dụ thực tế để hỗ trợ kết luận này.
- Khi một người đi trên đường phố và đến nơi có các nhạc công đang biểu diễn, đầu tiên anh ta nghe thấy tần số thấp (âm trầm). Khi đến gần các nhạc sĩ, anh ấy bắt đầu nghe thấy tần số cao hơn.
- Trận sấm sét xảy ra cách người quan sát không xa, đối với anh ta dường như khá cao (không nên nhầm với cường độ) so với cùng một cuộn sấm sét cách đó vài chục km.
Lời giải thích cho những tác động được nêu trong các ví dụ này là khả năng nhiễu xạ âm thanh ở tần số thấp lớn hơn và khả năng bị hấp thụ ít hơn so với tần số cao.
Vị trí siêu âm
Đó là một phương pháp phân tích hoặc định hướng trong khu vực. Trong cả hai trường hợp, ý tưởng là phát ra sóng siêu âm (λ<1, 7 cm) từ nguồn, sau đó phản xạ chúng từ vật thể đang nghiên cứu và phân tích sóng phản xạ bởi máy thu. Phương pháp này được con người sử dụng để phân tích cấu trúc khiếm khuyết của vật liệu rắn, để nghiên cứu địa hình ở độ sâu của biển và ở một số khu vực khác. Sử dụng vị trí siêu âm, dơi và cá heo điều hướng trong không gian.
Nhiễu xạ âm thanh và vị trí siêu âm là hai hiện tượng có liên quan với nhau. Bước sóng càng ngắn thì nhiễu xạ càng kém. Hơn nữa, độ phân giải của tín hiệu phản xạ nhận được phụ thuộc trực tiếp vào bước sóng. Hiện tượng nhiễu xạ không cho phép người ta phân biệt được hai vật mà khoảng cách giữa chúng nhỏ hơn độ dài của sóng nhiễu xạ. Vì những lý do này, nó là sóng siêu âm chứ không phải là vị trí sóng siêu âm hoặc sóng siêu âm được sử dụng.
