ظاهرة الانعراج هي سمة مميزة لأي موجات ، على سبيل المثال ، الموجات الكهرومغناطيسية أو الموجات على سطح الماء. تتحدث هذه المقالة عن حيود الصوت. يتم النظر في ملامح هذه الظاهرة ، مع إعطاء أمثلة على مظاهرها في الحياة اليومية والاستخدام البشري.
موجة صوتية
قبل التفكير في حيود الصوت ، يجدر قول بضع كلمات حول ماهية الموجة الصوتية. إنها عملية فيزيائية لنقل الطاقة في أي وسط مادي دون تحريك المادة. الموجة هي اهتزاز توافقي لجسيمات المادة التي تنتشر في وسط. على سبيل المثال ، في الهواء ، تؤدي هذه الاهتزازات إلى ظهور مناطق ذات ضغط مرتفع ومنخفض ، بينما في الجسم الصلب ، فهذه بالفعل مناطق من الضغط والشد.
تنتشر الموجة الصوتية في وسط بسرعة معينة ، والتي تعتمد على خصائص الوسط (درجة الحرارة ، والكثافة ، وغيرها). عند 20oC في الهواء ، ينتقل الصوت بسرعة 340 م / ث تقريبًا. بالنظر إلى أن الشخص يسمع ترددات من 20 هرتز إلى 20 كيلو هرتز ، فمن الممكن تحديد ذلكالأطوال الموجية المحددة المقابلة. للقيام بذلك ، يمكنك استخدام الصيغة:
v=fλ.
حيث f هو تردد التذبذبات ، و هو الطول الموجي ، و v هي سرعة الحركة. باستبدال الأرقام المذكورة أعلاه ، اتضح أن الشخص يسمع موجات ذات أطوال موجية من 1.7 سم إلى 17 مترًا.
مفهوم حيود الموجة
حيود الصوت هو ظاهرة تنحني فيها واجهة الموجة عندما تواجه عائقًا معتمًا على طول مسارها.
أحد الأمثلة اليومية اللافتة للانحراف هو ما يلي: يوجد شخصان في غرف مختلفة في شقة ولا يرى أحدهما الآخر. عندما يصرخ أحدهما للآخر ، يسمع الثاني صوتًا ، كما لو كان مصدره في المدخل الذي يربط الغرف.
هناك نوعان من حيود الصوت:
- الانحناء حول عائق أبعاده أصغر من الطول الموجي. نظرًا لأن الشخص يسمع أطوال موجات كبيرة إلى حد ما من الموجات الصوتية (تصل إلى 17 مترًا) ، فغالبًا ما يوجد هذا النوع من الانعراج في الحياة اليومية.
- تغيير مقدمة الموجة لأنها تمر عبر ثقب ضيق. يعلم الجميع أنه إذا تركت الباب موارباً قليلاً ، فإن أي ضوضاء من الخارج تخترق الفجوة الضيقة للباب المفتوح قليلاً ، تملأ الغرفة بأكملها.
الفرق بين حيود الضوء وانحراف الصوت
نظرًا لأننا نتحدث عن نفس الظاهرة التي لا تعتمد على طبيعة الموجات ، فإن صيغ حيود الصوت هي نفسها تمامًا للضوء. على سبيل المثال ، عند المرور عبر شق في الباب ، يمكن للمرء أن يكتب شرطًا للحد الأدنى مشابهًا لشرط الانعراجفراونهوفر على فجوة ضيقة أي
sin (θ)=مλ / د ، حيث م=± 1 ، 2 ، 3 ، …
هنا d هو عرض فجوة الباب. تحدد هذه الصيغة المناطق في الغرفة التي لن يُسمع فيها الصوت من الخارج.
الفروق بين حيود الصوت والضوء كمية بحتة. الحقيقة هي أن الطول الموجي للضوء يبلغ عدة مئات من النانومترات (400-700 نانومتر) ، وهو أقل بمقدار 100000 مرة من طول أصغر الموجات الصوتية. تتجلى ظاهرة الانعراج بقوة إذا كانت أبعاد الموجة والعوائق قريبة. لهذا السبب ، في المثال الموصوف أعلاه ، شخصان ، في غرف مختلفة ، لا يرون بعضهم البعض ، لكنهم يسمعون.
انحراف الموجات القصيرة والطويلة
في الفقرة السابقة ، تم إعطاء صيغة حيود الصوت بواسطة الشق ، بشرط أن تكون مقدمة الموجة مسطحة. من الصيغة يمكن ملاحظة أنه عند القيمة الثابتة لـ d ، فإن الزوايا θ ستكون أصغر ، وكلما كانت الموجات λ أقصر ستقع على الفتحة. بمعنى آخر ، تنحرف الموجات القصيرة بشكل أسوأ من الموجات الطويلة. فيما يلي بعض الأمثلة الواقعية لدعم هذا الاستنتاج.
- عندما يسير شخص ما في أحد شوارع المدينة ويصل إلى مكان يعزف فيه الموسيقيون ، فإنه يسمع أولاً ترددات منخفضة (جهير). عندما يقترب من الموسيقيين ، يبدأ في سماع ترددات أعلى.
- دحرجة الرعد ، التي حدثت في مكان ليس بعيدًا عن الراصد ، تبدو له عالية جدًا (لا ينبغي الخلط بينها وبين الشدة) من نفس اللفة على بعد بضع عشرات من الكيلومترات.
تفسير التأثيرات المذكورة في هذه الأمثلة هو القدرة الأكبر للترددات المنخفضة للصوت على الانعراج وقدرتها الأقل على الامتصاص مقارنة بالترددات العالية.
موقع الموجات فوق الصوتية
إنها طريقة تحليل أو توجيه في المنطقة. في كلتا الحالتين ، تكمن الفكرة في إرسال موجات فوق صوتية (λ<1 ، 7 سم) من المصدر ، ثم عكسها من الكائن قيد الدراسة وتحليل الموجة المنعكسة بواسطة جهاز الاستقبال. يستخدم الإنسان هذه الطريقة لتحليل الهيكل المعيب للمواد الصلبة ، ودراسة تضاريس أعماق البحار ، وفي بعض المناطق الأخرى. باستخدام الموقع بالموجات فوق الصوتية ، تتنقل الخفافيش والدلافين في الفضاء.
حيود الصوت والموقع بالموجات فوق الصوتية ظاهرتان مرتبطتان. كلما كان الطول الموجي أقصر ، كلما كان انحرافه أسوأ. علاوة على ذلك ، فإن دقة الإشارة المنعكسة المستقبلة تعتمد بشكل مباشر على الطول الموجي. ظاهرة الحيود لا تسمح للتمييز بين كائنين ، المسافة بينهما أقل من طول الموجة المنعرجة. لهذه الأسباب ، يتم استخدام الموقع بالموجات فوق الصوتية بدلاً من الموقع الصوتي أو فوق الصوتي.
