ปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนเป็นลักษณะเฉพาะของคลื่นใด ๆ เช่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือคลื่นบนผิวน้ำ บทความนี้กล่าวถึงการเลี้ยวเบนของเสียง พิจารณาคุณสมบัติของปรากฏการณ์นี้โดยยกตัวอย่างการสำแดงในชีวิตประจำวันและการใช้งานของมนุษย์
คลื่นเสียง
ก่อนที่จะพิจารณาการเลี้ยวเบนของเสียง ควรพูดสักสองสามคำเกี่ยวกับคลื่นเสียงว่าคืออะไร เป็นกระบวนการทางกายภาพของการถ่ายเทพลังงานในตัวกลางวัสดุใด ๆ โดยไม่มีวัตถุเคลื่อนที่ คลื่นคือการสั่นแบบฮาร์มอนิกของอนุภาคสสารที่แพร่กระจายในตัวกลาง ตัวอย่างเช่น ในอากาศ การสั่นสะเทือนเหล่านี้ทำให้เกิดพื้นที่ที่มีความกดอากาศสูงและต่ำ ในขณะที่ร่างกายที่แข็งแรง สิ่งเหล่านี้เป็นบริเวณที่เกิดความเครียดอัดและแรงดึง
คลื่นเสียงแพร่กระจายในตัวกลางด้วยความเร็วที่กำหนด ซึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลาง (อุณหภูมิ ความหนาแน่น และอื่นๆ) ที่อุณหภูมิ 20 oC ในอากาศ เสียงเดินทางด้วยความเร็วประมาณ 340 เมตร/วินาที เมื่อพิจารณาว่าบุคคลได้ยินความถี่ตั้งแต่ 20 Hz ถึง 20 kHz ก็เป็นไปได้ที่จะกำหนดความยาวคลื่นที่ จำกัด ที่สอดคล้องกัน ในการทำเช่นนี้ คุณสามารถใช้สูตร:
v=fλ.
โดยที่ f คือความถี่ของการแกว่ง λ คือความยาวคลื่นของพวกมัน และ v คือความเร็วของการเคลื่อนที่ แทนค่าตัวเลขข้างต้น ปรากฎว่าคนได้ยินคลื่นที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 1.7 เซนติเมตร ถึง 17 เมตร
แนวคิดของการเลี้ยวเบนของคลื่น
การเลี้ยวเบนของเสียงเป็นปรากฏการณ์ที่หน้าคลื่นโค้งเมื่อเจอสิ่งกีดขวางทึบแสงตลอดเส้นทาง
ตัวอย่างการเลี้ยวเบนที่เด่นชัดในแต่ละวันมีดังต่อไปนี้ คนสองคนอยู่ในห้องต่างๆ ของอพาร์ตเมนต์และไม่เห็นหน้ากัน เมื่อคนหนึ่งตะโกนบางอย่างให้อีกฝ่ายหนึ่ง คนที่สองได้ยินเสียง ราวกับว่าต้นทางอยู่ที่ประตูที่เชื่อมระหว่างห้อง
การเลี้ยวเบนของเสียงมีสองประเภท:
- โค้งงอสิ่งกีดขวางที่มีขนาดน้อยกว่าความยาวคลื่น เนื่องจากบุคคลได้ยินคลื่นเสียงที่มีความยาวคลื่นค่อนข้างมาก (ไม่เกิน 17 เมตร) การเลี้ยวเบนประเภทนี้มักพบได้ในชีวิตประจำวัน
- หน้าคลื่นเปลี่ยนเมื่อผ่านรูแคบๆ ทุกคนรู้ดีว่าถ้าคุณแง้มประตูทิ้งไว้เล็กน้อย เสียงรบกวนจากภายนอกที่แทรกเข้าไปในช่องว่างแคบๆ ของประตูที่เปิดออกเล็กน้อยก็จะเต็มห้องทั้งห้อง
ความแตกต่างระหว่างการเลี้ยวเบนของแสงและเสียง
เนื่องจากเรากำลังพูดถึงปรากฏการณ์เดียวกันซึ่งไม่ได้ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของคลื่น สูตรการเลี้ยวเบนของเสียงจึงเหมือนกันทุกประการกับแสง ตัวอย่างเช่น เมื่อผ่านร่องที่ประตู เราสามารถเขียนเงื่อนไขสำหรับค่าต่ำสุดที่คล้ายกับการเลี้ยวเบนFraunhofer บนช่องว่างแคบ ๆ นั่นคือ:
sin(θ)=mλ/d โดยที่ m=±1, 2, 3, …
นี่คือความกว้างของช่องว่างประตู สูตรนี้กำหนดพื้นที่ในห้องที่ไม่ได้ยินเสียงจากภายนอก
ความแตกต่างระหว่างการเลี้ยวเบนของเสียงและแสงเป็นเพียงเชิงปริมาณเท่านั้น ความจริงก็คือความยาวคลื่นของแสงคือหลายร้อยนาโนเมตร (400-700 นาโนเมตร) ซึ่งน้อยกว่าความยาวคลื่นเสียงที่เล็กที่สุด 100,000 เท่า ปรากฏการณ์ของการเลี้ยวเบนจะแสดงออกมาอย่างชัดเจนหากขนาดของคลื่นและสิ่งกีดขวางอยู่ใกล้กัน ด้วยเหตุผลนี้ ในตัวอย่างที่อธิบายข้างต้น คนสองคนอยู่คนละห้องกัน ไม่เจอกัน แต่ได้ยิน
การเลี้ยวเบนของคลื่นสั้นและยาว
ในย่อหน้าก่อนหน้านี้ ให้สูตรสำหรับการเลี้ยวเบนของเสียงโดยกรีด โดยที่หน้าคลื่นแบน จากสูตรจะเห็นได้ว่าที่ค่าคงที่ของ d มุม θ จะยิ่งเล็กลง คลื่นที่สั้นลง λ จะตกลงบนช่อง กล่าวอีกนัยหนึ่ง คลื่นสั้นกระจายตัวได้แย่กว่าคลื่นยาว ต่อไปนี้คือตัวอย่างบางส่วนในชีวิตจริงที่สนับสนุนข้อสรุปนี้
- เมื่อมีคนเดินไปตามถนนในเมืองและมาถึงสถานที่ที่นักดนตรีกำลังเล่นอยู่ เขาจะได้ยินเสียงความถี่ต่ำ (เบส) เป็นครั้งแรก เมื่อเขาเข้าใกล้นักดนตรี เขาก็เริ่มได้ยินเสียงความถี่สูงขึ้น
- ม้วนฟ้าซึ่งเกิดขึ้นไม่ไกลจากผู้สังเกต ดูเหมือนว่าเขาค่อนข้างสูง (เพื่อไม่ให้สับสนกับความรุนแรง) มากกว่าม้วนเดียวกันที่อยู่ห่างออกไปสองสามสิบกิโลเมตร
คำอธิบายสำหรับเอฟเฟกต์ที่ระบุไว้ในตัวอย่างเหล่านี้คือความสามารถที่มากขึ้นของเสียงความถี่ต่ำในการเลี้ยวเบนและความสามารถในการดูดซับเสียงที่น้อยกว่าเมื่อเทียบกับความถี่สูง
ตำแหน่งอัลตราโซนิก
เป็นวิธีวิเคราะห์หรือปฐมนิเทศในพื้นที่ ในทั้งสองกรณี แนวคิดคือการปล่อยคลื่นอัลตราโซนิก (λ<1, 7 ซม.) จากแหล่งกำเนิด จากนั้นสะท้อนจากวัตถุที่ศึกษาและวิเคราะห์คลื่นสะท้อนโดยเครื่องรับ มนุษย์ใช้วิธีนี้ในการวิเคราะห์โครงสร้างที่บกพร่องของวัสดุที่เป็นของแข็ง เพื่อศึกษาภูมิประเทศของความลึกของทะเล และในพื้นที่อื่นๆ การใช้ตำแหน่งอัลตราโซนิก ค้างคาวและโลมาจะนำทางในอวกาศ
การเลี้ยวเบนของเสียงและตำแหน่งอัลตราโซนิกเป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกันสองประการ ยิ่งความยาวคลื่นสั้นมากเท่าไร ก็ยิ่งเกิดการเลี้ยวเบนที่แย่ลงเท่านั้น นอกจากนี้ ความละเอียดของสัญญาณสะท้อนที่ได้รับจะขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นโดยตรง ปรากฏการณ์ของการเลี้ยวเบนไม่อนุญาตให้บุคคลหนึ่งแยกแยะระหว่างวัตถุสองชิ้น ระยะห่างระหว่างวัตถุซึ่งน้อยกว่าความยาวของคลื่นเลี้ยวเบน ด้วยเหตุผลเหล่านี้ จึงเป็นอัลตราโซนิกมากกว่าตำแหน่งที่ใช้คลื่นเสียงหรืออินฟราเรด