Das Phänomen der Beugung ist charakteristisch für absolut alle Wellen, zum Beispiel elektromagnetische Wellen oder Wellen auf der Wasseroberfläche. Dieser Artikel spricht über die Beugung von Schall. Die Merkmale dieses Phänomens werden betrachtet, Beispiele für seine Manifestation im Alltag und beim menschlichen Gebrauch werden gegeben.
Schallwelle
Bevor wir uns mit der Schallbeugung befassen, lohnt es sich, ein paar Worte darüber zu sagen, was eine Schallwelle ist. Es ist ein physikalischer Prozess der Energieübertragung in jedem materiellen Medium, ohne Materie zu bewegen. Eine Welle ist eine harmonische Schwingung von Materieteilchen, die sich in einem Medium ausbreiten. Beispielsweise führen diese Schwingungen in Luft zur Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten, während es sich bei einem Festkörper bereits um Druck- und Zugspannungsgebiete handelt.
Eine Schallwelle breitet sich in einem Medium mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus, die von den Eigenschaften des Mediums (Temperatur, Dichte ua) abhängt. Bei 20 oC in Luft breitet sich Schall mit ungefähr 340 m/s aus. Wenn man bedenkt, dass eine Person Frequenzen von 20 Hz bis 20 kHz hört, ist es möglich, dies zu bestimmenentsprechenden Grenzwellenlängen. Dazu können Sie die Formel verwenden:
v=fλ.
Wobei f die Frequenz der Schwingungen ist, λ ihre Wellenlänge und v die Bewegungsgeschwindigkeit. Setzt man die obigen Zahlen ein, stellt sich heraus, dass eine Person Wellen mit Wellenlängen von 1,7 Zentimetern bis 17 Metern hört.
Das Konzept der Wellenbeugung
Schallbeugung ist ein Phänomen, bei dem sich eine Wellenfront krümmt, wenn sie auf ihrem Weg auf ein undurchsichtiges Hindernis trifft.
Ein markantes alltägliches Beispiel für Beugung ist das folgende: Zwei Personen befinden sich in verschiedenen Räumen einer Wohnung und sehen sich nicht. Wenn einer dem anderen etwas zuruft, hört der zweite ein Geräusch, als wäre seine Quelle in der Tür, die die Zimmer verbindet.
Es gibt zwei Arten von Schallbeugung:
- Biegen um ein Hindernis herum, dessen Abmessungen kleiner als die Wellenlänge sind. Da eine Person ziemlich große Wellenlängen von Schallwellen hört (bis zu 17 Meter), ist diese Art der Beugung im Alltag häufig anzutreffen.
- Änderung der Wellenfront beim Durchgang durch ein schmales Loch. Jeder weiß, dass, wenn man die Tür einen Sp alt offen lässt, jeder Lärm von außen, der durch den schmalen Sp alt der leicht geöffneten Tür dringt, den ganzen Raum erfüllt.
Der Unterschied zwischen der Lichtbeugung und der Schallbeugung
Da es sich um dasselbe Phänomen handelt, das nicht von der Natur der Wellen abhängt, sind die Schallbeugungsformeln genau die gleichen wie für Licht. Wenn man zum Beispiel durch einen Türsp alt geht, kann man für das Minimum eine ähnliche Bedingung schreiben wie für die BeugungFraunhofer auf einer schmalen Lücke, das heißt:
sin(θ)=mλ/d, wobei m=±1, 2, 3, …
Hier ist d die Breite des Türsp alts. Diese Formel bestimmt die Bereiche im Raum, in denen keine Geräusche von außen zu hören sind.
Die Unterschiede zwischen Schall- und Lichtbeugung sind rein quantitativ. Tatsache ist, dass die Wellenlänge des Lichts mehrere hundert Nanometer (400-700 nm) beträgt, was 100.000 Mal kürzer ist als die Länge der kleinsten Schallwellen. Das Phänomen der Beugung zeigt sich stark, wenn die Abmessungen der Welle und der Hindernisse nahe beieinander liegen. Aus diesem Grund sehen sich in dem oben beschriebenen Beispiel zwei Personen, die sich in verschiedenen Räumen befinden, nicht, sondern hören.
Beugung von kurzen und langen Wellen
Im vorigen Absatz ist die Formel für die Schallbeugung an einem Sp alt angegeben, vorausgesetzt, die Wellenfront ist flach. Aus der Formel ist ersichtlich, dass bei einem konstanten Wert von d die Winkel θ umso kleiner sind, je kürzer die Wellen λ auf den Schlitz fallen. Mit anderen Worten, kurze Wellen werden schlechter gebeugt als lange. Hier sind einige Beispiele aus dem wirklichen Leben, um diese Schlussfolgerung zu untermauern.
- Wenn jemand eine Stadtstraße hinuntergeht und an einen Ort kommt, an dem Musiker spielen, hört er zuerst tiefe Frequenzen (Bass). Als er sich den Musikern nähert, beginnt er, höhere Frequenzen zu hören.
- Das Donnergrollen, das sich unweit des Beobachters ereignete, erscheint ihm ziemlich hoch (nicht zu verwechseln mit Intensität) als das gleiche Donnergrollen einige zehn Kilometer entfernt.
Die Erklärung für die in diesen Beispielen festgestellten Effekte ist die größere Beugungsfähigkeit niedriger Schallfrequenzen und ihre geringere Absorptionsfähigkeit im Vergleich zu hohen Frequenzen.
Ultraschallortung
Es ist eine Analyse- oder Orientierungsmethode in der Umgebung. In beiden Fällen besteht die Idee darin, Ultraschallwellen (λ<1, 7 cm) von der Quelle auszusenden, sie dann vom zu untersuchenden Objekt zu reflektieren und die reflektierte Welle vom Empfänger zu analysieren. Diese Methode wird vom Menschen zur Analyse der fehlerhaften Struktur fester Materialien, zur Untersuchung der Topographie der Meerestiefen und in einigen anderen Bereichen verwendet. Mithilfe von Ultraschallortung navigieren Fledermäuse und Delfine im Weltraum.
Schallbeugung und Ultraschallortung sind zwei verwandte Phänomene. Je kürzer die Wellenlänge, desto schlechter wird gebeugt. Außerdem hängt die Auflösung des empfangenen reflektierten Signals direkt von der Wellenlänge ab. Das Phänomen der Beugung erlaubt es nicht, zwischen zwei Objekten zu unterscheiden, deren Abstand kleiner ist als die Länge der gebeugten Welle. Aus diesen Gründen wird eher Ultraschall als Schall- oder Infraschallortung verwendet.
