Դիֆրակցիայի երևույթը բնորոշ է բացարձակ ցանկացած ալիքի, օրինակ՝ էլեկտրամագնիսական ալիքներին կամ ջրի մակերեսի ալիքներին։ Այս հոդվածում խոսվում է ձայնի դիֆրակցիայի մասին։ Դիտարկվում են այս երևույթի առանձնահատկությունները, բերվում են դրա դրսևորման օրինակներ առօրյա կյանքում և մարդու օգտագործման մեջ։
Ձայնային ալիք
Ձայնի դիֆրակցիան դիտարկելուց առաջ արժե մի քանի խոսք ասել ձայնային ալիքի մասին: Դա ցանկացած նյութական միջավայրում էներգիա փոխանցելու ֆիզիկական գործընթաց է՝ առանց նյութի շարժման: Ալիքը նյութի մասնիկների ներդաշնակ թրթռումն է, որը տարածվում է միջավայրում։ Օրինակ՝ օդում այս թրթռումները հանգեցնում են բարձր և ցածր ճնշման տարածքների առաջացմանը, մինչդեռ պինդ մարմնում դրանք արդեն սեղմման և առաձգական սթրեսի տարածքներ են։
Ձայնային ալիքը տարածվում է միջավայրում որոշակի արագությամբ, որը կախված է միջավայրի հատկություններից (ջերմաստիճան, խտություն և այլն): Օդում 20 oC-ում ձայնը տարածվում է մոտավորապես 340 մ/վ արագությամբ: Հաշվի առնելով, որ մարդը լսում է 20 Հց-ից մինչև 20 կՀց հաճախականություններ, հնարավոր է որոշել.համապատասխան սահմանափակող ալիքի երկարությունները: Դա անելու համար կարող եք օգտագործել բանաձևը՝
v=fλ.
Որտեղ f-ը տատանումների հաճախականությունն է, λ՝ նրանց ալիքի երկարությունը, իսկ v՝ շարժման արագությունը։ Փոխարինելով վերը նշված թվերը՝ պարզվում է, որ մարդը լսում է 1,7 սանտիմետրից մինչև 17 մետր ալիքի երկարությամբ ալիքներ։
Ալիքի դիֆրակցիայի հայեցակարգ
Ձայնի դիֆրակցիան մի երևույթ է, երբ ալիքի ճակատը թեքվում է, երբ բախվում է անթափանց խոչընդոտի իր ճանապարհին:
Դիֆրակցիայի ամենօրյա վառ օրինակը հետևյալն է. երկու հոգի գտնվում են բնակարանի տարբեր սենյակներում և չեն տեսնում միմյանց: Երբ նրանցից մեկը մյուսի վրա ինչ-որ բան է բղավում, երկրորդը ձայն է լսում, կարծես դրա աղբյուրը սենյակները միացնող դռան մեջ է։
Կա ձայնի դիֆրակցիայի երկու տեսակ՝
- Կռանալ խոչընդոտի շուրջ, որի չափերը փոքր են ալիքի երկարությունից: Քանի որ մարդը լսում է ձայնային ալիքների բավականին մեծ ալիքների երկարություն (մինչև 17 մետր), դիֆրակցիայի այս տեսակը հաճախ հանդիպում է առօրյա կյանքում։
- Ալիքի ճակատի փոփոխություն, երբ այն անցնում է նեղ անցքից: Բոլորը գիտեն, որ եթե դուռը մի փոքր բաց թողնես, ապա դրսից ցանկացած աղմուկ, որը թափանցում է մի փոքր բաց դռան նեղ բացվածքը, լցվում է ամբողջ սենյակը։
Լույսի և ձայնի դիֆրակցիայի տարբերությունը
Քանի որ խոսքը միևնույն երևույթի մասին է, որը կախված չէ ալիքների բնույթից, ձայնի դիֆրակցիայի բանաձևերը ճիշտ նույնն են, ինչ լույսի համար։ Օրինակ, դռան ճեղքով անցնելիս կարելի է գրել նվազագույնի պայման, որը նման է դիֆրակցիայի պայմանին. Ֆրաունհոֆերը նեղ բացվածքի վրա, այսինքն՝
sin(θ)=mλ/d, որտեղ m=±1, 2, 3, …
Ահա d-ն դռան բացվածքի լայնությունն է: Այս բանաձևը որոշում է սենյակի այն տարածքները, որտեղ դրսից ձայն չի լսվի:
Ձայնի և լույսի դիֆրակցիայի տարբերությունները զուտ քանակական են: Բանն այն է, որ լույսի ալիքի երկարությունը մի քանի հարյուր նանոմետր է (400-700 նմ), ինչը 100 000 անգամ պակաս է ամենափոքր ձայնային ալիքների երկարությունից։ Դիֆրակցիայի երևույթը խիստ դրսևորվում է, եթե ալիքի և խոչընդոտների չափերը մոտ են։ Այդ իսկ պատճառով վերը նկարագրված օրինակում երկու հոգի, գտնվելով տարբեր սենյակներում, միմյանց չեն տեսնում, այլ լսում։
Կարճ և երկար ալիքների դիֆրակցիա
Նախորդ պարբերությունում տրված է ճեղքով ձայնի ցրման բանաձևը՝ պայմանով, որ ալիքի ճակատը հարթ է։ Բանաձևից երևում է, որ d-ի հաստատուն արժեքի դեպքում θ անկյուններն ավելի փոքր կլինեն, այնքան կարճ ալիքները կընկնեն բացվածքի վրա։ Այլ կերպ ասած, կարճ ալիքները ավելի վատ են ցրվում, քան երկարները: Ահա մի քանի իրական կյանքի օրինակներ, որոնք հաստատում են այս եզրակացությունը:
- Երբ մարդը քայլում է քաղաքի փողոցով և գալիս է մի տեղ, որտեղ երաժիշտներ են նվագում, նա նախ լսում է ցածր հաճախականություններ (բաս): Երբ նա մոտենում է երաժիշտներին, նա սկսում է ավելի բարձր հաճախականություններ լսել։
- Ամպրոպի պտույտը, որը տեղի է ունեցել դիտորդից ոչ հեռու, նրան բավականին բարձր է թվում (չշփոթել ինտենսիվության հետ), քան նույն պտույտը մի քանի տասնյակ կիլոմետր հեռավորության վրա։
Այս օրինակներում նշված էֆեկտների բացատրությունը ցածր հաճախականությունների ձայնի ցրելու ավելի մեծ կարողությունն է և դրանց կլանման ավելի քիչ կարողությունը՝ համեմատած բարձր հաճախականությունների հետ:
Ուլտրաձայնային տեղորոշում
Տարածքի վերլուծության կամ կողմնորոշման մեթոդ է։ Երկու դեպքում էլ գաղափարն այն է, որ աղբյուրից արձակվեն ուլտրաձայնային ալիքներ (λ<1, 7 սմ), այնուհետև դրանք արտացոլվեն ուսումնասիրվող օբյեկտից և վերլուծեն արտացոլված ալիքը ստացողի կողմից։ Այս մեթոդը մարդն օգտագործում է պինդ նյութերի թերի կառուցվածքը վերլուծելու, ծովերի խորությունների տեղագրությունը և որոշ այլ տարածքներում ուսումնասիրելու համար։ Օգտագործելով ուլտրաձայնային տեղորոշում, չղջիկները և դելֆինները նավարկում են տիեզերքում:
Ձայնի դիֆրակցիան և ուլտրաձայնային տեղորոշումը երկու առնչվող երևույթներ են: Որքան կարճ է ալիքի երկարությունը, այնքան ավելի վատ է ցրվում: Ավելին, ստացված արտացոլված ազդանշանի լուծումը ուղղակիորեն կախված է ալիքի երկարությունից: Դիֆրակցիայի երևույթը թույլ չի տալիս տարբերակել երկու առարկա, որոնց միջև հեռավորությունը ցրված ալիքի երկարությունից փոքր է։ Այս պատճառներով օգտագործվում է ուլտրաձայնային, այլ ոչ թե ձայնային կամ ինֆրաձայնային տեղորոշում:
