Il fenomeno della diffrazione è caratteristico di qualsiasi onda, ad esempio onde elettromagnetiche o onde sulla superficie dell'acqua. Questo articolo parla della diffrazione del suono. Vengono considerate le caratteristiche di questo fenomeno, vengono forniti esempi della sua manifestazione nella vita quotidiana e dell'uso umano.
Onda sonora
Prima di considerare la diffrazione del suono, vale la pena dire qualche parola su cos'è un'onda sonora. È un processo fisico di trasferimento di energia in qualsiasi mezzo materiale senza spostare la materia. Un'onda è una vibrazione armonica di particelle di materia che si propagano in un mezzo. Ad esempio, nell'aria queste vibrazioni portano all'emergere di aree di alta e bassa pressione, mentre in un corpo solido queste sono già aree di sollecitazione di compressione e trazione.
Un'onda sonora si propaga in un mezzo a una certa velocità, che dipende dalle proprietà del mezzo (temperatura, densità e altre). A 20 oC nell'aria, il suono viaggia a circa 340 m/s. Considerando che una persona sente frequenze da 20 Hz a 20 kHz, è possibile determinarelunghezze d'onda limite corrispondenti. Per fare ciò, puoi utilizzare la formula:
v=fλ.
Dove f è la frequenza delle oscillazioni, λ è la loro lunghezza d'onda e v è la velocità del movimento. Sostituendo i numeri sopra, si scopre che una persona sente onde con lunghezze d'onda da 1,7 centimetri a 17 metri.
Il concetto di diffrazione dell'onda
La diffrazione del suono è un fenomeno in cui un fronte d'onda si piega quando incontra un ostacolo opaco lungo il suo percorso.
Un sorprendente esempio quotidiano di diffrazione è il seguente: due persone si trovano in stanze diverse di un appartamento e non si vedono. Quando uno di loro grida qualcosa all' altro, il secondo sente un suono, come se la sua fonte fosse nella porta che collega le stanze.
Ci sono due tipi di diffrazione del suono:
- Piegarsi attorno a un ostacolo le cui dimensioni sono inferiori alla lunghezza d'onda. Poiché una persona sente onde sonore piuttosto grandi (fino a 17 metri), questo tipo di diffrazione si trova spesso nella vita di tutti i giorni.
- Cambiamento del fronte d'onda mentre passa attraverso un foro stretto. Tutti sanno che se si lascia la porta un po' socchiusa, qualsiasi rumore proveniente dall'esterno, penetrando nello stretto spiraglio della porta leggermente aperta, riempie l'intera stanza.
La differenza tra la diffrazione della luce e quella del suono
Dato che stiamo parlando dello stesso fenomeno, che non dipende dalla natura delle onde, le formule di diffrazione del suono sono esattamente le stesse della luce. Ad esempio, quando si passa attraverso una fessura di una porta, si può scrivere una condizione per il minimo simile a quella per la diffrazioneFraunhofer su uno stretto divario, ovvero:
sin(θ)=mλ/d, dove m=±1, 2, 3, …
Qui d è la larghezza della fessura della porta. Questa formula determina le aree della stanza in cui non si sentirà il suono dall'esterno.
Le differenze tra la diffrazione del suono e della luce sono puramente quantitative. Il fatto è che la lunghezza d'onda della luce è di diverse centinaia di nanometri (400-700 nm), che è 100.000 volte inferiore alla lunghezza delle onde sonore più piccole. Il fenomeno della diffrazione si manifesta fortemente se le dimensioni dell'onda e gli ostacoli sono vicini. Per questo, nell'esempio sopra descritto, due persone, trovandosi in stanze diverse, non si vedono, ma sentono.
Diffrazione di onde corte e lunghe
Nel paragrafo precedente viene data la formula per la diffrazione del suono per una fenditura, purché il fronte d'onda sia piatto. Dalla formula si può vedere che ad un valore costante di d, gli angoli θ saranno tanto piccoli, tanto più brevi saranno le onde λ che cadranno sulla fessura. In altre parole, le onde corte si diffrangono peggio di quelle lunghe. Ecco alcuni esempi di vita reale a sostegno di questa conclusione.
- Quando una persona cammina per una strada cittadina e arriva in un luogo dove stanno suonando dei musicisti, sente prima le frequenze basse (bassi). Mentre si avvicina ai musicisti, inizia a sentire frequenze più alte.
- Il rombo del tuono, avvenuto non lontano dall'osservatore, gli sembra piuttosto alto (da non confondere con l'intensità) dello stesso rombo a poche decine di chilometri di distanza.
La spiegazione degli effetti osservati in questi esempi è la maggiore capacità di diffrazione delle basse frequenze del suono e la loro minore capacità di essere assorbite rispetto alle alte frequenze.
Posizione a ultrasuoni
È un metodo di analisi o orientamento nell'area. In entrambi i casi, l'idea è di emettere onde ultrasoniche (λ<1, 7 cm) dalla sorgente, quindi rifletterle dall'oggetto in studio e analizzare l'onda riflessa dal ricevitore. Questo metodo viene utilizzato dall'uomo per analizzare la struttura difettosa dei materiali solidi, per studiare la topografia delle profondità marine e in alcune altre aree. Usando la localizzazione ultrasonica, pipistrelli e delfini navigano nello spazio.
La diffrazione del suono e la localizzazione degli ultrasuoni sono due fenomeni correlati. Più corta è la lunghezza d'onda, peggiore è la diffrazione. Inoltre, la risoluzione del segnale riflesso ricevuto dipende direttamente dalla lunghezza d'onda. Il fenomeno della diffrazione non permette di distinguere tra due oggetti la cui distanza è minore della lunghezza dell'onda diffratta. Per questi motivi, viene utilizzata la localizzazione ultrasonica anziché sonica o infrasonica.
