დიფრაქციის ფენომენი დამახასიათებელია აბსოლუტურად ნებისმიერი ტალღისთვის, მაგალითად, ელექტრომაგნიტური ტალღების ან წყლის ზედაპირზე არსებული ტალღებისთვის. ამ სტატიაში საუბარია ხმის დიფრაქციაზე. განხილულია ამ ფენომენის თავისებურებები, მოყვანილია მისი გამოვლენის მაგალითები ყოველდღიურ ცხოვრებაში და ადამიანის გამოყენებაში.
ხმის ტალღა
ბგერის დიფრაქციის განხილვამდე, ღირს რამდენიმე სიტყვის თქმა იმის შესახებ, თუ რა არის ბგერის ტალღა. ეს არის ენერგიის გადაცემის ფიზიკური პროცესი ნებისმიერ მატერიალურ გარემოში მატერიის გადაადგილების გარეშე. ტალღა არის მატერიის ნაწილაკების ჰარმონიული ვიბრაცია, რომელიც ვრცელდება გარემოში. მაგალითად, ჰაერში ეს ვიბრაციები იწვევს მაღალი და დაბალი წნევის უბნების წარმოქმნას, ხოლო მყარ სხეულში ეს უკვე კომპრესიული და დაძაბულობის არეებია.
ბგერითი ტალღა ვრცელდება გარემოში გარკვეული სიჩქარით, რაც დამოკიდებულია გარემოს თვისებებზე (ტემპერატურა, სიმკვრივე და სხვა). ჰაერში 20 oC ჰაერში ხმა მოძრაობს დაახლოებით 340 მ/წმ. იმის გათვალისწინებით, რომ ადამიანს ესმის სიხშირეები 20 ჰც-დან 20 კჰც-მდე, შესაძლებელია დადგინდესშესაბამისი შეზღუდვის ტალღის სიგრძე. ამისათვის შეგიძლიათ გამოიყენოთ ფორმულა:
v=fλ.
სადაც f არის რხევების სიხშირე, λ არის მათი ტალღის სიგრძე და v არის მოძრაობის სიჩქარე. ზემოაღნიშნული რიცხვების ჩანაცვლებით, გამოდის, რომ ადამიანს ესმის ტალღების სიგრძე 1,7 სანტიმეტრიდან 17 მეტრამდე.
ტალღის დიფრაქციის კონცეფცია
ბგერის დიფრაქცია არის ფენომენი, რომლის დროსაც ტალღის ფრონტი იხრება, როდესაც იგი ხვდება გაუმჭვირვალე დაბრკოლებას მის გზაზე.
დიფრაქციის თვალსაჩინო მაგალითია შემდეგი: ორი ადამიანი ბინის სხვადასხვა ოთახშია და ერთმანეთს არ ხედავენ. როდესაც ერთი მათგანი რაღაცას უყვირებს მეორეს, მეორეს ესმის ხმა, თითქოს მისი წყარო ოთახების დამაკავშირებელ კარებშია.
არსებობს ხმის დიფრაქციის ორი ტიპი:
- მოხრა დაბრკოლების გარშემო, რომლის ზომები ტალღის სიგრძეზე მცირეა. ვინაიდან ადამიანს საკმაოდ დიდი ტალღის სიგრძე ესმის (17 მეტრამდე), ამ ტიპის დიფრაქცია ხშირად გვხვდება ყოველდღიურ ცხოვრებაში.
- ტალღის ფრონტის შეცვლა ვიწრო ხვრელში გავლისას. ყველამ იცის, რომ თუ კარს ოდნავ ღია დატოვებთ, მაშინ ნებისმიერი ხმაური გარედან, რომელიც ოდნავ გაღებული კარის ვიწრო უფსკრულის შეღწევით, მთელ ოთახს ავსებს.
სხვაობა სინათლისა და ბგერის დიფრაქციას შორის
რადგან ჩვენ ვსაუბრობთ ერთსა და იმავე ფენომენზე, რომელიც არ არის დამოკიდებული ტალღების ბუნებაზე, ხმის დიფრაქციის ფორმულები ზუსტად იგივეა, რაც სინათლისთვის. მაგალითად, კარის ჭრილში გავლისას შეიძლება დაწეროთ მინიმუმის მსგავსი პირობა დიფრაქციისთვის.ფრაუნჰოფერი ვიწრო უფსკრულით, ეს არის:
sin(θ)=mλ/d, სადაც m=±1, 2, 3, …
აქ d არის კარის უფსკრულის სიგანე. ეს ფორმულა განსაზღვრავს ოთახში იმ უბნებს, სადაც ხმა გარედან არ ისმის.
სხვაობა ბგერასა და სინათლის დიფრაქციას შორის არის წმინდა რაოდენობრივი. ფაქტია, რომ სინათლის ტალღის სიგრძე რამდენიმე ასეული ნანომეტრია (400-700 ნმ), რაც 100 000-ჯერ ნაკლებია ყველაზე პატარა ხმის ტალღების სიგრძეზე. დიფრაქციის ფენომენი ძლიერად ვლინდება, თუ ტალღის ზომები და დაბრკოლებები ახლოსაა. ამ მიზეზით, ზემოთ აღწერილ მაგალითში, ორი ადამიანი, რომლებიც სხვადასხვა ოთახში არიან, არ ხედავენ ერთმანეთს, არამედ ისმენენ.
მოკლე და გრძელი ტალღების დიფრაქცია
წინა აბზაცში მოცემულია ბგერის ჭრილით დიფრაქციის ფორმულა, იმ პირობით, რომ ტალღის ფრონტი ბრტყელია. ფორმულიდან ჩანს, რომ d-ის მუდმივი მნიშვნელობისას, θ კუთხეები უფრო მცირე იქნება, რაც უფრო მოკლეა λ ტალღები ჭრილზე. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მოკლე ტალღები უფრო უარესია, ვიდრე გრძელი. აქ მოცემულია რამდენიმე რეალური მაგალითი ამ დასკვნის გასამყარებლად.
- როდესაც ადამიანი დადის ქალაქის ქუჩაში და მიდის ისეთ ადგილას, სადაც მუსიკოსები უკრავენ, მას ჯერ დაბალი სიხშირის (ბასი) ესმის. როდესაც ის უახლოვდება მუსიკოსებს, ის იწყებს უფრო მაღალი სიხშირის მოსმენას.
- ჭექა-ქუხილი, რომელიც დაფიქსირდა დამკვირვებლისგან არც თუ ისე შორს, მას საკმაოდ მაღალი ეჩვენება (ინტენსივობაში არ უნდა აგვერიოს), ვიდრე იგივე ბრუნვა რამდენიმე ათეული კილომეტრის მოშორებით.
ამ მაგალითებში აღნიშნული ეფექტების ახსნა არის დაბალი სიხშირის ხმის დიფრაქციული უნარი და მათი ნაკლები შთანთქმის უნარი მაღალ სიხშირეებთან შედარებით.
ულტრაბგერითი მდებარეობა
ეს არის არეალის ანალიზის ან ორიენტაციის მეთოდი. ორივე შემთხვევაში, იდეა არის ულტრაბგერითი ტალღების (λ<1, 7 სმ) გამოსხივება წყაროდან, შემდეგ მათი ასახვა შესასწავლი ობიექტიდან და ასახული ტალღის ანალიზი მიმღების მიერ. ამ მეთოდს ადამიანი იყენებს მყარი მასალების დეფექტური სტრუქტურის გასაანალიზებლად, ზღვის სიღრმეების ტოპოგრაფიის შესასწავლად და ზოგიერთ სხვა ზონაში. ულტრაბგერითი მდებარეობის გამოყენებით ღამურები და დელფინები ნავიგაციას ახდენენ კოსმოსში.
ხმის დიფრაქცია და ულტრაბგერითი მდებარეობა ორი დაკავშირებული ფენომენია. რაც უფრო მოკლეა ტალღის სიგრძე, მით უფრო უარესია ის დიფრაქციით. უფრო მეტიც, მიღებული ასახული სიგნალის გარჩევადობა პირდაპირ დამოკიდებულია ტალღის სიგრძეზე. დიფრაქციის ფენომენი არ იძლევა საშუალებას განასხვავოს ორი ობიექტი, რომელთა შორის მანძილი დიფრაქციული ტალღის სიგრძეზე ნაკლებია. ამ მიზეზების გამო, გამოიყენება ულტრაბგერითი და არა ბგერითი ან ინფრაბგერითი მდებარეობა.
