что такое дифракция звука
Дифракция звука и примеры ее проявления в быту. Ультразвуковая локация
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.
Вам будет интересно: Что такое условие? Множество значений слова
Звуковая волна распространяется в среде с некоторой скоростью, которая зависит от свойств среды (температуры, плотности и других). При 20 oC 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:
Понятие о дифракции волн
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:
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:
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.
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 Понравилась статья? Поделись с друзьями:
Дифракция звука: что это такое, примеры, применения
Содержание:
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.
Ключевым моментом в явлении дифракции является размер препятствия по отношению к длине волны: дифракция более интенсивна, когда препятствие имеет размеры, сопоставимые с длиной волны.
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.
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
Однако если дверь зала открыта, концерт можно будет услышать без проблем, даже когда оркестр остается вне поля зрения.
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.
Ссылки
Метод параллелограмма: примеры, решенные упражнения
Овес и овсяная вода: как использовать их, чтобы похудеть
Отражение звуковых волн, рефракция, дифракция, рассеяние.
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.
Когда отражения происходят от негладких (с шероховатостью) поверхностей, отраженные волны распространяются в различных направлениях. («Угол падения равен углу отражения»). В итоге в помещение создается диффузное рассеянное звуковое поле, что положительно влияет на качество звучания в зале.
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.
Интересный эффект достигается при падении сферической волны на отражающую плоскую поверхность. Образуется сферическая волна с центром, находящимся как бы за барьером. Её называют «мнимым источником» (метод «мнимых источников» применяют при расчетах звукового поле в архитектурной акустике).
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 сопоставима с размерами препятствия, то она огибает его частично. Звук становится меньше, появляются «акустические тени». При прохождении через отверстие звуковая волна начинает концентрироваться вперед, а края её становятся «размытыми».
Если длина волны меньше размера препятствия, то она отражается от него, а за препятствием образуется «акустическая тень». Через отверстие проходит только маленький узкий пучок. Когда вы, например, слушаете за колонной или балконом тембр звука, то он меняется. Так как низко- и среднечастотные составляющие огибают препятствие, а высокочастотные — нет.
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.
Дифракция звука и примеры ее проявления в быту. Ультразвуковая локация
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.
Вам будет интересно: Происхождение слова «медведь»: о чем говорят этимология и литература
Звуковая волна распространяется в среде с некоторой скоростью, которая зависит от свойств среды (температуры, плотности и других). При 20 oC 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:
Понятие о дифракции волн
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:
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:
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.
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 Понравилась статья? Поделись с друзьями:
Дифракция звука
Дифракцией называется огибание волнами препятствия. Дифракция анализируется с помощью принципа Гюйгенса. Степень такого огибания зависит от соотношения между длиной волны и размером препятствия или отверстия. Поскольку длина звуковой волны во много раз больше, чем световой, дифракция звуковых волн менее удивляет нас, нежели дифракция света. Так, можно разговаривать с кем-то стоящим за углом здания, хотя он и не виден. Звуковая волна с легкостью огибает угол, тогда как свет из-за малости своей длины волны дает резкие тени.
Рассмотрим дифракцию плоской звуковой волны, падающей на твердый плоский экран с отверстием. Для определения формы волнового фронта по другую сторону экрана нужно знать соотношение между длиной волны l и диаметром отверстия D. Если эти величины примерно одинаковы или l намного больше D, то получается полная дифракция: волновой фронт выходящей волны будет сферическим, а волна достигнет всех точек за экраном. Если же l несколько меньше D, то выходящая волна будет распространяться преимущественно в прямом направлении. И наконец, если l намного меньше D, то вся ее энергия будет распространяться по прямой. Эти случаи показаны на рисунке.
Дифракция наблюдается и тогда, когда на пути звука оказывается какое-либо препятствие. Если размеры препятствия намного больше длины волны, то звук отражается, а позади препятствия формируется зона акустической тени. Когда размеры препятствия сравнимы с длиной волны или меньше ее, звук дифрагирует в какой-то мере во всех направлениях. Это учитывается в архитектурной акустике. Так, например, иногда стены здания покрывают выступами с размерами порядка длины волны звука. (На частоте 100 Гц длина волны в воздухе около 3,5 м.) При этом звук, падая на стены, рассеивается во всех направлениях. В архитектурной акустике это явление называется диффузией звука.