El fenómeno de la difracción es característico de absolutamente cualquier onda, por ejemplo, ondas electromagnéticas u ondas en la superficie del agua. Este artículo habla de la difracción del sonido. Se consideran las características de este fenómeno, se dan ejemplos de su manifestación en la vida cotidiana y el uso humano.
Onda sonora
Antes de considerar la difracción del sonido, vale la pena decir algunas palabras sobre lo que es una onda de sonido. Es un proceso físico de transferencia de energía en cualquier medio material sin mover materia. Una onda es una vibración armónica de partículas de materia que se propagan en un medio. Por ejemplo, en el aire, estas vibraciones dan lugar a la aparición de zonas de alta y baja presión, mientras que en un cuerpo sólido ya son zonas de tensión de compresión y tracción.
Una onda de sonido se propaga en un medio a cierta velocidad, que depende de las propiedades del medio (temperatura, densidad y otras). A 20 oC en el aire, el sonido viaja a aproximadamente 340 m/s. Considerando que una persona escucha frecuencias de 20 Hz a 20 kHz, es posible determinarcorrespondientes longitudes de onda limitantes. Para hacer esto, puedes usar la fórmula:
v=fλ.
Donde f es la frecuencia de las oscilaciones, λ es su longitud de onda y v es la velocidad del movimiento. Sustituyendo los números anteriores, resulta que una persona escucha ondas con longitudes de onda de 1,7 centímetros a 17 metros.
El concepto de difracción de ondas
La difracción del sonido es un fenómeno en el que un frente de onda se dobla cuando encuentra un obstáculo opaco en su camino.
Un llamativo ejemplo cotidiano de difracción es el siguiente: dos personas están en diferentes habitaciones de un apartamento y no se ven. Cuando uno de ellos le grita algo al otro, el segundo escucha un sonido, como si su fuente estuviera en la puerta que conecta las habitaciones.
Hay dos tipos de difracción de sonido:
- Doblarse alrededor de un obstáculo cuyas dimensiones son más pequeñas que la longitud de onda. Dado que una persona escucha longitudes de onda de ondas de sonido bastante grandes (hasta 17 metros), este tipo de difracción se encuentra a menudo en la vida cotidiana.
- Cambio del frente de onda al pasar por un agujero estrecho. Todo el mundo sabe que si deja la puerta un poco entreabierta, cualquier ruido del exterior, penetrando el estrecho espacio de la puerta ligeramente abierta, llena toda la habitación.
La diferencia entre la difracción de la luz y la del sonido
Como estamos hablando del mismo fenómeno, que no depende de la naturaleza de las ondas, las fórmulas de difracción del sonido son exactamente las mismas que para la luz. Por ejemplo, al pasar por una rendija en una puerta, se puede escribir una condición para el mínimo similar a la de la difracciónFraunhofer en un espacio estrecho, es decir:
sen(θ)=mλ/d, donde m=±1, 2, 3, …
Aquí d es el ancho del espacio de la puerta. Esta fórmula determina las áreas de la habitación donde no se escuchará el sonido del exterior.
Las diferencias entre la difracción del sonido y la luz son puramente cuantitativas. El hecho es que la longitud de onda de la luz es de varios cientos de nanómetros (400-700 nm), que es 100 000 veces menor que la longitud de las ondas sonoras más pequeñas. El fenómeno de la difracción se manifiesta fuertemente si las dimensiones de la onda y los obstáculos están cerca. Por esta razón, en el ejemplo descrito anteriormente, dos personas, estando en habitaciones diferentes, no se ven, sino que escuchan.
Difracción de ondas cortas y largas
En el párrafo anterior se da la fórmula para la difracción del sonido por una rendija, siempre que el frente de onda sea plano. De la fórmula se puede ver que a un valor constante de d, los ángulos θ serán tanto más pequeños cuanto más cortas sean las ondas λ que caerán en la ranura. En otras palabras, las ondas cortas se difractan peor que las largas. Aquí hay algunos ejemplos de la vida real para apoyar esta conclusión.
- Cuando una persona camina por una calle de la ciudad y llega a un lugar donde están tocando músicos, primero escucha frecuencias bajas (bajos). A medida que se acerca a los músicos, comienza a escuchar frecuencias más altas.
- El retumbar del trueno, que se produjo no muy lejos del observador, le parece bastante más alto (que no debe confundirse con la intensidad) que el mismo retumbar a unas decenas de kilómetros de distancia.
La explicación de los efectos observados en estos ejemplos es la mayor capacidad de difracción de las bajas frecuencias del sonido y su menor capacidad de absorción en comparación con las altas frecuencias.
Ubicación ultrasónica
Es un método de análisis u orientación en el área. En ambos casos, la idea es emitir ondas ultrasónicas (λ<1, 7 cm) desde la fuente, luego reflejarlas desde el objeto en estudio y analizar la onda reflejada por el receptor. Este método es utilizado por el hombre para analizar la estructura defectuosa de los materiales sólidos, para estudiar la topografía de las profundidades del mar y en algunas otras áreas. Usando la ubicación ultrasónica, los murciélagos y los delfines navegan en el espacio.
La difracción del sonido y la localización ultrasónica son dos fenómenos relacionados. Cuanto más corta es la longitud de onda, peor se difracta. Además, la resolución de la señal reflejada recibida depende directamente de la longitud de onda. El fenómeno de la difracción no permite distinguir entre dos objetos cuya distancia es menor que la longitud de la onda difractada. Por estas razones, se utiliza la ubicación ultrasónica en lugar de la sónica o infrasónica.
