Difraktsiooninähtus on iseloomulik absoluutselt kõikidele lainetele, näiteks elektromagnetlainetele või lainetele veepinnal. See artikkel räägib heli difraktsioonist. Vaadeldakse selle nähtuse tunnuseid, tuuakse näiteid selle avaldumisest igapäevaelus ja inimkasutuses.
Helilaine
Enne heli difraktsiooni kaalumist tasub öelda paar sõna selle kohta, mis on helilaine. See on füüsiline protsess energia ülekandmiseks mis tahes materiaalses keskkonnas ilma ainet liigutamata. Laine on aineosakeste harmooniline vibratsioon, mis levib keskkonnas. Näiteks õhus põhjustavad need vibratsioonid kõrge ja madala rõhuga alasid, samas kui tahkes kehas on need juba surve- ja tõmbepinge piirkonnad.
Helilaine levib keskkonnas teatud kiirusega, mis sõltub keskkonna omadustest (temperatuur, tihedus ja muud). 20 oC õhus levib heli kiirusega ligikaudu 340 m/s. Arvestades, et inimene kuuleb sagedusi 20 Hz kuni 20 kHz, on võimalik kindlaks tehavastavad piiravad lainepikkused. Selleks võite kasutada valemit:
v=fλ.
Kus f on võnkumiste sagedus, λ on nende lainepikkus ja v on liikumiskiirus. Asendades ül altoodud arvud, selgub, et inimene kuuleb laineid lainepikkusega 1,7 sentimeetrit kuni 17 meetrini.
Laine difraktsiooni mõiste
Heli difraktsioon on nähtus, mille puhul lainefront paindub, kui see kohtab oma teel läbipaistmatut takistust.
Ilmekas igapäevane difraktsiooni näide on järgmine: kaks inimest on korteri erinevates ruumides ega näe üksteist. Kui üks neist teisele midagi karjub, kuuleb teine heli, justkui oleks selle allikas ruume ühendavas ukseavas.
Heli difraktsiooni on kahte tüüpi:
- Paindumine ümber takistuse, mille mõõtmed on lainepikkusest väiksemad. Kuna inimene kuuleb üsna suuri helilaineid (kuni 17 meetrit), esineb seda tüüpi difraktsiooni sageli igapäevaelus.
- Lainefrondi muutumine, kui see läbib kitsa augu. Kõik teavad, et kui jätate ukse veidi praokile, täidab iga väljast kostev müra, mis tungib läbi veidi avatud ukse kitsa pilu, kogu ruumi.
Erinevus valguse ja heli difraktsiooni vahel
Kuna me räägime samast nähtusest, mis ei sõltu lainete iseloomust, on heli difraktsiooni valemid täpselt samad, mis valguse puhul. Näiteks uksepilust läbides saab kirjutada difraktsiooniga sarnase miinimumi tingimuseFraunhofer kitsal vahel, see tähendab:
sin(θ)=mλ/d, kus m=±1, 2, 3, …
Siin d on uksepilu laius. See valem määrab ruumi alad, kuhu väljast tulevat heli ei kostu.
Heli ja valguse difraktsiooni erinevused on puht alt kvantitatiivsed. Fakt on see, et valguse lainepikkus on mitusada nanomeetrit (400-700 nm), mis on 100 000 korda väiksem kui väikseimate helilainete pikkus. Difraktsiooninähtus avaldub tugev alt, kui laine ja takistuste mõõtmed on lähedased. Sel põhjusel ei näe ülalkirjeldatud näites kaks inimest erinevates ruumides üksteist, vaid kuulevad.
Lühikeste ja pikkade lainete difraktsioon
Eelmises lõigus on antud pilu järgi heli difraktsiooni valem eeldusel, et lainefront on tasane. Valemist on näha, et konstantse väärtuse d korral on nurgad θ seda väiksemad, seda lühemad on lained λ pilule langevad. Teisisõnu, lühikesed lained difraktsioonivad halvemini kui pikad. Siin on mõned näited tegelikust elust, mis seda järeldust toetavad.
- Kui inimene kõnnib mööda linnatänavat ja jõuab kohta, kus mängivad muusikud, kuuleb ta kõigepe alt madalaid sagedusi (bassi). Muusikutele lähenedes hakkab ta kuulma kõrgemaid sagedusi.
- Vaatlejast mitte kaugel aset leidnud äikeserull näib talle üsna kõrge (mitte segi ajada intensiivsusega) kui sama veeremine mõnekümne kilomeetri kaugusel.
Nendes näidetes märgitud efektide selgitus on madala sagedusega heli suurem difraktsioonivõime ja nende väiksem võime neelduda võrreldes kõrgete sagedustega.
Ultraheli asukoht
See on analüüsi- või piirkonnas orienteerumise meetod. Mõlemal juhul on idee väljastada allikast ultrahelilaineid (λ<1, 7 cm), seejärel peegeldada need uuritavast objektist ja analüüsida vastuvõtja poolt peegeldunud lainet. Seda meetodit kasutavad inimesed tahkete materjalide defektse struktuuri analüüsimiseks, meresügavuse topograafia uurimiseks ja mõnes muus piirkonnas. Ultraheli asukoha abil navigeerivad nahkhiired ja delfiinid kosmoses.
Heli difraktsioon ja ultraheli asukoht on kaks omavahel seotud nähtust. Mida lühem on lainepikkus, seda halvem on selle difraktsioon. Pealegi sõltub vastuvõetud peegeldunud signaali eraldusvõime otseselt lainepikkusest. Difraktsiooninähtus ei võimalda eristada kahte objekti, mille vaheline kaugus on väiksem kui difraktsioonilaine pikkus. Nendel põhjustel kasutatakse pigem ultraheli, mitte heli või infraheli asukohta.
