O fenômeno da difração é característico de absolutamente todas as ondas, por exemplo, ondas eletromagnéticas ou ondas na superfície da água. Este artigo fala sobre a difração do som. As características desse fenômeno são consideradas, exemplos de sua manifestação na vida cotidiana e no uso humano são dados.
Onda sonora
Antes de considerar a difração do som, vale a pena dizer algumas palavras sobre o que é uma onda sonora. É um processo físico de transferência de energia em qualquer meio material sem mover a matéria. Uma onda é uma vibração harmônica de partículas de matéria que se propagam em um meio. Por exemplo, no ar, essas vibrações levam ao surgimento de áreas de alta e baixa pressão, enquanto em um corpo sólido, essas já são áreas de tensão de compressão e tração.
Uma onda sonora se propaga em um meio a uma certa velocidade, que depende das propriedades do meio (temperatura, densidade e outras). A 20 oC no ar, o som viaja a aproximadamente 340 m/s. Considerando que uma pessoa ouve frequências de 20 Hz a 20 kHz, é possível determinarcomprimentos de onda limitantes correspondentes. Para fazer isso, você pode usar a fórmula:
v=fλ.
Onde f é a frequência das oscilações, λ é o seu comprimento de onda e v é a velocidade do movimento. Substituindo os números acima, verifica-se que uma pessoa ouve ondas com comprimentos de onda de 1,7 centímetros a 17 metros.
O conceito de difração de ondas
A difração do som é um fenômeno no qual uma frente de onda se curva quando encontra um obstáculo opaco ao longo de seu caminho.
Um exemplo cotidiano marcante de difração é o seguinte: duas pessoas estão em cômodos diferentes de um apartamento e não se veem. Quando um deles grita algo para o outro, o segundo ouve um som, como se sua fonte estivesse na porta que liga os quartos.
Existem dois tipos de difração de som:
- Curvação em torno de um obstáculo cujas dimensões são menores que o comprimento de onda. Como uma pessoa ouve comprimentos de onda bastante grandes de ondas sonoras (até 17 metros), esse tipo de difração é frequentemente encontrado na vida cotidiana.
- Mudança da frente de onda ao passar por um buraco estreito. Todo mundo sabe que, se você deixar a porta entreaberta, qualquer ruído do lado de fora, penetrando no estreito espaço da porta ligeiramente aberta, enche a sala inteira.
A diferença entre a difração da luz e a do som
Como estamos falando do mesmo fenômeno, que não depende da natureza das ondas, as fórmulas de difração do som são exatamente as mesmas da luz. Por exemplo, ao passar por uma fenda em uma porta, pode-se escrever uma condição para o mínimo semelhante à da difraçãoFraunhofer em uma lacuna estreita, ou seja:
sin(θ)=mλ/d, onde m=±1, 2, 3, …
Aqui d é a largura do vão da porta. Esta fórmula determina as áreas da sala onde o som externo não será ouvido.
As diferenças entre difração de som e luz são puramente quantitativas. O fato é que o comprimento de onda da luz é de várias centenas de nanômetros (400-700 nm), que é 100.000 vezes menor que o comprimento das menores ondas sonoras. O fenômeno da difração se manifesta fortemente se as dimensões da onda e os obstáculos estiverem próximos. Por esta razão, no exemplo descrito acima, duas pessoas, estando em salas diferentes, não se veem, mas ouvem.
Difração de ondas curtas e longas
No parágrafo anterior, a fórmula para a difração do som por uma fenda é dada, desde que a frente de onda seja plana. A partir da fórmula pode-se ver que em um valor constante de d, os ângulos θ serão menores, quanto mais curtas as ondas λ cairão na ranhura. Em outras palavras, ondas curtas difratam pior que as longas. Aqui estão alguns exemplos da vida real para apoiar esta conclusão.
- Quando uma pessoa anda por uma rua da cidade e chega a um lugar onde os músicos estão tocando, ela primeiro ouve as baixas frequências (graves). Ao se aproximar dos músicos, ele começa a ouvir frequências mais altas.
- O estrondo do trovão, que ocorreu não muito longe do observador, parece-lhe bastante alto (não confundir com intensidade) do que o mesmo estrondo a algumas dezenas de quilômetros de distância.
A explicação para os efeitos observados nesses exemplos é a maior capacidade de difração do som de baixas frequências e sua menor capacidade de ser absorvida em comparação com as altas frequências.
Localização ultrassônica
É um método de análise ou orientação na área. Em ambos os casos, a ideia é emitir ondas ultrassônicas (λ<1, 7 cm) da fonte, depois refleti-las do objeto em estudo e analisar a onda refletida pelo receptor. Este método é usado pelo homem para analisar a estrutura defeituosa de materiais sólidos, para estudar a topografia das profundezas do mar e em algumas outras áreas. Usando localização ultrassônica, morcegos e golfinhos navegam no espaço.
A difração do som e a localização ultrassônica são dois fenômenos relacionados. Quanto menor o comprimento de onda, pior ele difrata. Além disso, a resolução do sinal refletido recebido depende diretamente do comprimento de onda. O fenômeno da difração não permite distinguir entre dois objetos, cuja distância entre eles é menor que o comprimento da onda difratada. Por essas razões, é a localização ultrassônica em vez de sônica ou infrassônica que é usada.
