8.7. Дифракція хвиль

Дифракцією називають сукупність явищ, пов’язаних із поширенням хвиль у середовищі з наявними у ньому перешкодами чи неоднорідностями скінченних розмірів. Зокрема, одним з проявів дифракції є огинання хвилею перешкод, розміри яких співмірні з довжиною хвилі.

Пояснення дифракційних явищ базується на принципі Гюйгенса - Френеля, суть якого полягає у тому, що довільна точка фронту хвилі є джерелом вторинної хвилі, вторинні ж хвилі когерентні і можуть інтерферувати.

Принцип Гюйгенса - Френеля дозволяє пояснити поширення хвиль довільної фізичної природи в ізотропних, неоднорідних та анізотропних середовищах, а також отримати математичні вирази для закономірностей, що характеризують відбивання і заломлення хвиль на межі двох середовищ.

8.8. Звукові хвилі

Звуковими хвилями називають пружні хвилі з частотою коливань в межах від 16 Гц до 20000 Гц, що поширюються у суцільних середовищах і можуть сприйматися вухом людини. Пружні хвилі, частота коливань у яких більша за 20000 Гц, називають ультразвуковими, а пружні хвилі, частота яких менша за 16 Гц – інфразвуковими. Розділ фізики, у якому вивчають закономірності збудження, поширення, сприймання звукових хвиль та їх взаємодію з речовиною, називають акустикою.

Швидкість поширення звукових хвиль в різних середовищах визначається пружними властивостями середовища і не залежить від частоти коливання у хвилі. Нагадаємо, що у твердих тілах поширюються поздовжні й поперечні звукові хвилі, швидкості поширення яких даються виразами (8.14) та (8.17):

, .

У рідинах і газах поширюються лише поздовжні хвилі, швидкості поширення яких даються виразами (8.15) : і, зокрема для газів,(8.15) може бути зведений до вигляду: , тобто (8.16).

Ділянку середовища, у якій поширюються звукові хвилі, називають звуковим полем. Під час поширення звукових хвиль має місце перенесення енергії у напрямку їх поширення. Інтенсивністю або силою звуку називають величину, що чисельно дорівнює середній енергії , яку переносить звукова хвиля через одиничну площадку , перпендикулярну до напрямку поширення звукової хвилі, за одиницю часу:

(8.32)

Мінімальну силу звуку, яку ще може сприйняти вухо людини, називають порогом чутності. Поріг чутності для людського вуха залежить від частоти коливань. Найбільша чутливість вуха людини є у діапазоні частот 1000-3000 Гц. Для об’єктивної оцінки, незалежної від чутності вуха конкретної людини, за поріг чутності вибрана величина , достатньо близька до реального порогу в згаданому діапазоні частот.

Силу звуку, вище якої втрачається відчуття звуку і настає больове відчуття, називають порогом больового відчуття. На рис. 54 показано залежність порогу чутності й порогу больового відчуття від частоти звукових коливань.

Область інтенсивностей звуку, обмежену наведеними кривими, називають областю чутності. З рис. 54 видно, що людське вухо слабо відчуває зміну . А тому, оскільки значення , наведені на рис. 54, суттєво (на декілька порядків величини) відрізняються між собою, зручно ввести величини, що є логарифмами від . Для цього вводять поняття рівня сили звуку (фізіологічно: рівень гучності):

, (8.33)

де , – коефіцієнт пропорційності.

Вибір коефіцієнта довільний. Якщо взяти , то рівень сили звуку вимірюватиметься в одиницях, які називають „Бел”. На практиці використовують і тоді вираз (8.33) записується у вигляді:

(8.34)

Одиницею рівня сили звуку у разі даного запису буде величина децибел (дБ), яка у 10 разів менша за Бел.