پدیده پراش مشخصه مطلقاً هر موجی است، مثلاً امواج الکترومغناطیسی یا امواج روی سطح آب. این مقاله در مورد پراش صدا صحبت می کند. ویژگی های این پدیده در نظر گرفته شده، نمونه هایی از تجلی آن در زندگی روزمره و استفاده انسان آورده شده است.
موج صوتی
قبل از در نظر گرفتن پراش صوت، شایسته است چند کلمه در مورد اینکه موج صوتی چیست بگوییم. این یک فرآیند فیزیکی انتقال انرژی در هر محیط مادی بدون حرکت ماده است. موج یک ارتعاش هارمونیک از ذرات ماده است که در یک محیط منتشر می شود. به عنوان مثال، در هوا، این ارتعاشات منجر به پیدایش نواحی با فشار زیاد و کم می شود، در حالی که در یک جسم جامد، این نواحی از قبل دارای تنش فشاری و کششی هستند.
یک موج صوتی در یک محیط با سرعت معینی منتشر می شود که به ویژگی های محیط (دما، چگالی و غیره) بستگی دارد. در 20 oC در هوا، صدا تقریباً با سرعت 340 متر بر ثانیه حرکت می کند. با توجه به اینکه فرد فرکانس های 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز را می شنود، می توان تشخیص دادطول موج های محدود کننده مربوطه برای این کار می توانید از فرمول استفاده کنید:
v=fλ.
جایی که f فرکانس نوسانات است، λ طول موج آنها و v سرعت حرکت است. با جایگزینی اعداد فوق، معلوم می شود که شخص امواجی با طول موج های 1.7 سانتی متر تا 17 متر می شنود.
مفهوم پراش موج
پراش صدا پدیده ای است که در آن جبهه موج با برخورد با مانعی کدر در مسیر خود خم می شود.
یک مثال قابل توجه روزمره از پراش به شرح زیر است: دو نفر در اتاق های مختلف یک آپارتمان هستند و یکدیگر را نمی بینند. وقتی یکی از آنها چیزی برای دیگری فریاد می زند، دومی صدایی می شنود، گویی منبع آن در درگاهی است که اتاق ها را به هم وصل می کند.
دو نوع پراش صدا وجود دارد:
- خم شدن به دور مانعی که ابعاد آن کوچکتر از طول موج است. از آنجایی که شخص طول موج‌های نسبتاً بزرگی از امواج صوتی (تا 17 متر) را می‌شنود، این نوع پراش اغلب در زندگی روزمره یافت می‌شود.
- تغییر جبهه موج هنگام عبور از یک سوراخ باریک. همه می دانند که اگر در را کمی باز بگذارید، هر صدایی از بیرون که به شکاف باریک در کمی باز می رسد، کل اتاق را پر می کند.
تفاوت بین پراش نور و صدا
از آنجایی که ما در مورد یک پدیده صحبت می کنیم، که به ماهیت امواج بستگی ندارد، فرمول های پراش صدا دقیقاً مشابه نور هستند. به عنوان مثال، هنگام عبور از شکاف در، می توان یک شرط برای حداقل مشابه با شرایط پراش نوشت. Fraunhofer در یک شکاف باریک، یعنی:
sin(θ)=mλ/d، جایی که m=±1، 2، 3، …
در اینجا d عرض شکاف درب است. این فرمول مناطقی را در اتاق تعیین می کند که صدایی از بیرون شنیده نمی شود.
تفاوت بین پراش صدا و نور کاملاً کمی است. واقعیت این است که طول موج نور چند صد نانومتر (400-700 نانومتر) است که 100000 برابر کمتر از طول کوچکترین امواج صوتی است. اگر ابعاد موج و موانع نزدیک باشند، پدیده پراش به شدت آشکار می شود. به همین دلیل، در مثالی که در بالا توضیح داده شد، دو نفر که در اتاق های مختلف هستند، یکدیگر را نمی بینند، اما می شنوند.
پراش امواج کوتاه و بلند
در پاراگراف قبل، فرمول پراش صوت توسط یک شکاف به شرط صاف بودن جبهه موج ارائه شده است. از فرمول می توان دریافت که در یک مقدار ثابت d، زوایای θ کوچکتر خواهد بود، هر چه امواج λ روی شکاف کوتاهتر می افتند. به عبارت دیگر، امواج کوتاه بدتر از امواج بلند پراکنده می شوند. در اینجا چند مثال واقعی برای حمایت از این نتیجه وجود دارد.
- وقتی شخصی در خیابانی شهر قدم می زند و به جایی می رسد که نوازندگان در آن مشغول نواختن هستند، ابتدا فرکانس های پایین (بیس) را می شنود. وقتی به نوازندگان نزدیک می شود، شروع به شنیدن فرکانس های بالاتر می کند.
- رعد و برق که در فاصله‌ای نه چندان دور از ناظر رخ داد، به نظر او بسیار زیاد است (با شدت اشتباه گرفته نشود) تا همان غلت چند ده کیلومتری.
توضیح اثرات ذکر شده در این مثالها توانایی بیشتر فرکانسهای پایین صدا برای پراش و توانایی کمتر آنها در جذب در مقایسه با فرکانسهای بالا است.
موقعیت التراسونیک
روش تحلیل یا جهت گیری در منطقه است. در هر دو مورد، ایده این است که امواج مافوق صوت (λ<1، 7 سانتی‌متر) را از منبع ساطع کنیم، سپس آنها را از جسم مورد مطالعه منعکس کنیم و امواج منعکس شده را توسط گیرنده تجزیه و تحلیل کنیم. این روش توسط انسان برای تجزیه و تحلیل ساختار معیوب مواد جامد، بررسی توپوگرافی اعماق دریاها و در برخی مناطق دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از مکان مافوق صوت، خفاش ها و دلفین ها در فضا حرکت می کنند.
پراش صدا و مکان اولتراسونیک دو پدیده مرتبط هستند. هر چه طول موج کوتاهتر باشد، پراش آن بدتر است. علاوه بر این، وضوح سیگنال منعکس شده دریافتی به طور مستقیم به طول موج بستگی دارد. پدیده پراش به فرد اجازه نمی دهد بین دو جسم که فاصله بین آنها کمتر از طول موج پراکنده است، تمایز قائل شود. به این دلایل، محل استفاده از امواج مافوق صوت به جای صوتی یا مادون صوت است.
