Дифракция құбылысы кез келген толқындарға, мысалы, электромагниттік толқындарға немесе су бетіндегі толқындарға тән. Бұл мақалада дыбыстың дифракциясы туралы айтылады. Бұл құбылыстың ерекшеліктері қарастырылып, оның күнделікті өмірде және адам пайдалануында көрініс табуына мысалдар келтірілген.
Дыбыс толқыны
Дыбыс дифракциясын қарастырмас бұрын, дыбыс толқыны деген не екені туралы бірнеше сөз айтқан жөн. Бұл энергияны кез келген материалдық ортада материяны қозғалтпай берудің физикалық процесі. Толқын - ортада таралатын зат бөлшектерінің гармоникалық тербелісі. Мысалы, ауада бұл тербеліс жоғары және төмен қысым аймақтарының пайда болуына әкеліп соқтырады, ал қатты денеде бұл қазірдің өзінде қысу және созылу кернеуінің аймақтары.
Дыбыс толқыны ортада белгілі бір жылдамдықпен таралады, ол ортаның қасиеттеріне (температура, тығыздық және т.б.) байланысты. Ауада 20 oC температурада дыбыс шамамен 340 м/с жылдамдықпен таралады. Адамның 20 Гц-тен 20 кГц-ке дейінгі жиіліктерді еститінін ескере отырып, анықтауға болады.сәйкес шекті толқын ұзындықтары. Ол үшін мына формуланы қолдануға болады:
v=fλ.
Мұндағы f – тербеліс жиілігі, λ – олардың толқын ұзындығы, v – қозғалыс жылдамдығы. Жоғарыдағы сандарды ауыстырсақ, адам толқын ұзындығы 1,7 сантиметрден 17 метрге дейінгі толқындарды естиді.
Толқын дифракциясы туралы түсінік
Дыбыс дифракциясы – толқындық фронттың өз жолында мөлдір емес кедергіге тап болған кезде иілу құбылысы.
Күнделікті дифракцияның керемет мысалы мынада: екі адам пәтердің әртүрлі бөлмелерінде және бір-бірін көрмейді. Біреуі екіншісіне бірдеңе деп айқайласа, екіншісі дыбысты естиді, оның көзі бөлмелерді біріктіретін есікте жатқандай.
Дыбыс дифракциясының екі түрі бар:
- Өлшемдері толқын ұзындығынан кіші кедергінің айналасында иілу. Адам дыбыс толқындарының жеткілікті үлкен толқын ұзындығын (17 метрге дейін) еститіндіктен, дифракцияның бұл түрі күнделікті өмірде жиі кездеседі.
- Толқын фронтының тар тесіктен өткендегі өзгеруі. Есікті аздап саңылау қалдырсаңыз, сәл ашық есіктің тар аралығынан өтіп жатқан сырттан келген шу бүкіл бөлмені толтыратынын бәрі біледі.
Жарық пен дыбыс дифракциясының айырмашылығы
Толқындардың табиғатына тәуелді емес бір құбылыс туралы айтып отырғандықтан, дыбыс дифракция формулалары жарықпен бірдей. Мысалы, есіктің саңылауынан өткенде дифракцияға ұқсас минимумның шартын жазуға болады. Фраунгофер тар аралықта, яғни:
sin(θ)=mλ/d, мұндағы m=±1, 2, 3, …
Мұндағы d - есік саңылауының ені. Бұл формула бөлмедегі сырттан дыбыс естілмейтін аумақтарды анықтайды.
Дыбыс пен жарық дифракциясы арасындағы айырмашылықтар таза сандық. Өйткені, жарық толқынының ұзындығы бірнеше жүз нанометр (400-700 нм) құрайды, бұл ең кішкентай дыбыс толқындарының ұзындығынан 100 000 есе аз. Толқын мен кедергілердің өлшемдері жақын болса, дифракция құбылысы қатты көрінеді. Осы себепті жоғарыда сипатталған мысалда екі адам әртүрлі бөлмелерде бір-бірін көрмейді, бірақ естиді.
Қысқа және ұзын толқындардың дифракциясы
Алдыңғы абзацта толқын фронты жазық болған жағдайда дыбыстың саңылау арқылы дифракциялану формуласы берілген. Формуладан d тұрақты мәнінде θ бұрыштары кішірек болатынын, ұяшыққа λ толқындары қысқа түсетінін көруге болады. Басқаша айтқанда, қысқа толқындар ұзын толқындарға қарағанда нашар дифракцияланады. Міне, осы тұжырымды растайтын нақты өмірден алынған мысалдар.
- Адам қала көшесімен жүріп, музыканттар ойнайтын жерге келгенде, алдымен төмен жиіліктерді (бас дыбысын) естиді. Ол музыканттарға жақындаған сайын жоғары жиіліктерді ести бастайды.
- Бақылаушыдан алыс емес жерде болған күн күркіреуі оған бірнеше ондаған шақырым жердегі бір орамға қарағанда біршама жоғары болып көрінеді (қарқындылықпен шатастырмау керек).
Бұл мысалдарда көрсетілген әсерлердің түсіндірмесі жоғары жиіліктермен салыстырғанда дыбыстың төмен жиіліктерінің дифракциялану қабілетінің жоғарылығы және олардың жұтылуының аздығы болып табылады.
Ультрадыбыстық орын
Бұл аймақты талдау немесе бағдарлау әдісі. Екі жағдайда да идея көзден ультрадыбыстық толқындарды (λ<1, 7 см) шығару, содан кейін оларды зерттелетін объектіден көрсету және қабылдағыш арқылы шағылған толқынды талдау болып табылады. Бұл әдісті адам қатты материалдардың ақаулы құрылымын талдау үшін, теңіз тереңдігінің жер бедерін зерттеу үшін және басқа да кейбір аймақтарда қолданады. Ультрадыбыстық орынды пайдаланып, жарғанаттар мен дельфиндер ғарышта шарлайды.
Дыбыс дифракциясы мен ультрадыбыстық орналасу бір-бірімен байланысты екі құбылыс. Толқын ұзындығы неғұрлым қысқа болса, соғұрлым нашар дифракцияланады. Сонымен қатар, қабылданған шағылысқан сигналдың рұқсаты толқын ұзындығына тікелей байланысты. Дифракция құбылысы екі объектіні ажыратуға мүмкіндік бермейді, олардың арасындағы қашықтық дифракцияланған толқын ұзындығынан аз. Осы себептерге байланысты ол дыбыстық немесе инфрадыбыстық орналасудан гөрі ультрадыбыстық болып табылады.
