תופעת הדיפרקציה אופיינית לחלוטין לכל גל, למשל, גלים אלקטרומגנטיים או גלים על פני המים. מאמר זה מדבר על עקיפה של צליל. המאפיינים של תופעה זו נחשבים, מובאות דוגמאות לביטויה בחיי היומיום ובשימוש אנושי.
גל קול
לפני ששוקלים את עקיפה של צליל, כדאי לומר כמה מילים על מהו גל קול. זהו תהליך פיזיקלי של העברת אנרגיה בכל תווך חומרי מבלי להזיז חומר. גל הוא רטט הרמוני של חלקיקי חומר המתפשטים בתווך. למשל, באוויר, רעידות אלו מובילות להופעת אזורים של לחץ גבוה ונמוך, בעוד שבגוף מוצק, אלו כבר אזורים של מתח לחיצה ומתיחה.
גל קול מתפשט בתווך במהירות מסוימת, התלויה בתכונות המדיום (טמפרטורה, צפיפות ועוד). ב-20 oC באוויר, הקול עובר במהירות של כ-340 מטר לשנייה. בהתחשב בכך שאדם שומע תדרים מ-20 הרץ עד 20 קילו-הרץ, ניתן לקבועאורכי גל מגבילים מתאימים. לשם כך, אתה יכול להשתמש בנוסחה:
v=fλ.
כאשר f הוא תדירות התנודות, λ הוא אורך הגל שלהן, ו-v הוא מהירות התנועה. בהחלפת המספרים הנ ל, מסתבר שאדם שומע גלים עם אורכי גל מ-1.7 סנטימטרים עד 17 מטרים.
המושג של דיפרקציית גל
דיפרקציית קול היא תופעה שבה חזית גל מתכופפת כאשר היא נתקלת במכשול אטום לאורך דרכה.
דוגמה יומיומית בולטת לעקיפה היא הבאה: שני אנשים נמצאים בחדרים שונים בדירה ואינם רואים זה את זה. כשאחד מהם צועק משהו לשני, השני שומע צליל, כאילו מקורו בפתח המחבר בין החדרים.
ישנם שני סוגים של עקיפה של קול:
- כיפוף מסביב למכשול שמידותיו קטנות מאורך הגל. מכיוון שאדם שומע אורכי גל גדולים למדי של גלי קול (עד 17 מטר), סוג זה של עקיפה נמצא לעתים קרובות בחיי היומיום.
- שינוי של חזית הגלים בזמן שהוא עובר דרך חור צר. כולם יודעים שאם משאירים את הדלת פתוחה מעט, אז כל רעש מבחוץ, החודר למרווח הצר של הדלת הפתוחה מעט, ממלא את כל החדר.
ההבדל בין עקיפה של אור לזו של צליל
מכיוון שאנחנו מדברים על אותה תופעה, שאינה תלויה באופי הגלים, נוסחאות עקיפות הקול זהות לחלוטין לאלו של האור. למשל, כשעוברים דרך חריץ בדלת, אפשר לכתוב תנאי למינימום בדומה לזה של עקיפהפראונהופר על פער צר, כלומר:
sin(θ)=mλ/d, כאשר m=±1, 2, 3, …
כאן d הוא רוחב מרווח הדלת. נוסחה זו קובעת את האזורים בחדר שבהם לא יישמע צליל מבחוץ.
ההבדלים בין עקיפה של קול ואור הם כמותיים בלבד. העובדה היא שאורך הגל של האור הוא כמה מאות ננומטרים (400-700 ננומטר), שהם פי 100,000 פחות מאורך גלי הקול הקטנים ביותר. תופעת הדיפרקציה באה לידי ביטוי חזק אם ממדי הגל והמכשולים קרובים. מסיבה זו, בדוגמה שתוארה לעיל, שני אנשים, הנמצאים בחדרים שונים, אינם רואים זה את זה, אלא שומעים.
דיפרקציה של גלים קצרים וארוכים
בפסקה הקודמת ניתנת הנוסחה לעקיפה של צליל על ידי חריץ, בתנאי שחזית הגל שטוחה. מהנוסחה ניתן לראות שבערך קבוע של d, הזוויות θ יהיו קטנות יותר, ככל שהגלים λ ייפלו על החריץ קצרים יותר. במילים אחרות, גלים קצרים מתפצלים גרוע יותר מאשר ארוכים. הנה כמה דוגמאות מהחיים האמיתיים כדי לתמוך במסקנה זו.
- כשאדם הולך ברחוב בעיר ומגיע למקום בו מנגנים מוזיקאים, הוא שומע לראשונה תדרים נמוכים (בס). כשהוא מתקרב לנגנים, הוא מתחיל לשמוע תדרים גבוהים יותר.
- גלגול הרעם, שהתרחש לא הרחק מהמתבונן, נראה לו די גבוה (לא להתבלבל עם עוצמה) מאותו גלגול במרחק של כמה עשרות קילומטרים.
ההסבר לאפקטים שצוינו בדוגמאות אלה הוא היכולת הגדולה יותר של תדרים נמוכים של צליל להתעקם ויכולת הקליטה הפחותה שלהם בהשוואה לתדרים גבוהים.
מיקום אולטרה-סוני
זו שיטת ניתוח או התמצאות באזור. בשני המקרים, הרעיון הוא לפלוט גלים קוליים (λ<1, 7 ס"מ) מהמקור, ואז לשקף אותם מהאובייקט הנחקר ולנתח את הגל המוחזר על ידי המקלט. שיטה זו משמשת את האדם לניתוח המבנה הפגום של חומרים מוצקים, לחקר הטופוגרפיה של מעמקי הים ובכמה אזורים נוספים. באמצעות מיקום קולי, עטלפים ודולפינים מנווטים בחלל.
דיפרקציה של סאונד ומיקום אולטראסוני הן שתי תופעות קשורות. ככל שאורך הגל קצר יותר, כך הוא מתעקם גרוע יותר. יתר על כן, הרזולוציה של האות המוחזר שהתקבל תלויה ישירות באורך הגל. תופעת הדיפרקציה אינה מאפשרת להבחין בין שני עצמים, שהמרחק ביניהם קטן מאורך הגל המתעקם. מסיבות אלו, נעשה שימוש במיקום קולי ולא קולי או אינפרא-קולי.
