Uklon in interferenca zvoka

Zvok se prenaša od izvora do sprejemnika kot longitudinalno valovanje. Tako kot pri drugih valovanjih, lahko tudi pri zvoku opazujemo tipične valovne pojave:

V tem gradivu bomo podrobneje spoznali:

zvoka. Našteti pojavi niso značilni samo za zvok. Lahko jih srečamo tudi pri drugih vrstah valovanja, npr. valovanje vodne gladine, svetlobnem valovanju, radijskih valovih itd.

Zvok zadene ob oviro in se ob njej ukloni. Namesto, da bi se širil le naravnost (stran od izvora), se za oviro širi tudi v področje, ki ga izvor "ne vidi". Pravimo, da se zvok za oviro širi tudi v valovno senco. To je razlog, da na odprtem slišimo zvok, čeprav izvora zvoka ne vidimo, ker ga zastira nek predmet.

Koliko se bo zvok uklonil ob oviri, je odvisno od njegove valovne dolžine. Uklon je namreč večji pri večji valovni dolžini.

Uklon zvoka lahko razložimo s pomočjo Huygensovega načela. Ta pravi, da je vsaka točka valovne fronte (na primer enega hriba v valovanju) izvor novih, elementarnih valov. Pravimo jim Huygensovi izvori. Elementarni valovi imajo obliko polkrogle in se širijo naprej z enako hitrostjo kot prvotni val. Ovojnica teh valov tvori naslednjo valovno fronto.

Na celotni valovni fronti, ki zadene odprtino v oviri, si mislimo postavljenih neskončno število elementarnih izvorov. Ti oddajajo polkrogelne elementarne valove v smeri širjenja prvotnega vala. Elementarni valovi se seštevajo in ovojnica teh valov tvori po eni valovni dolžini novo valovno fronto - slika 3.

V širini odprtine se fronte elementarnih izvorov seštejejo tako, da je ovojnica ravna črta. Dobimo valovanje, enako kot pred oviro. Tik ob oviri ima ovojnica obliko polkrogle. Valovanje se zato širi tudi za oviro. Pod kakšnim največjim kotom se širi, je odvisno od širine odprtine. Pri širši odprtini je kot manjši - slika 4. Če je širina odprtine , je kot enak ; snop je polkrogla.

Širina odprtine določa prvo slabljenje vala zaradi interference sosednjih elementarnih izvorov, kar bomo videli v naslednjem poglavju.

Interferenca med valovi nastane, ko se na istem mestu srečata dva ali več valov. Običajno pride do tega, ko imamo več izvorov valovanja ali ko se valovi odbijajo od sten. Valovi se natovarjajo drug na drugega, se seštevajo ali odštevajo, ojačajo ali oslabijo.

V tem poglavju bomo predpostavili, da nihata dva razmaknjena izvora sočasno. To lahko dosežemo tudi tako, da postavimo oviro z dvema ozkima odprtinama daleč od zvočnika. Do ovire prihajajo ravne valovne fronte (glej sliko 5). Videli smo, da postane vsaka ozka odprtina izvor novega valovanja - Huygensov izvor. Ti dve odprtini torej postaneta sočasna izvora polkrogelnih valov. Sočasnost pomeni, da ob istem času oddata hrib ali dolino. Valovanji obeh izvorov se seštevata. Opazujemo lahko ojačanje ali slabljenje zvoka - odvisno od tega, kam za oviro se postavimo.

Predstavljajmo si, da ravno zvočno valovanje zadene oviro, v kateri sta dve odprtini, ki sta razmaknjeni za d - glej sliko 5.

Vsaka odprtina je izvor polkrogelnega valovanja. Vala obeh izvorov se natovorita drug na drugega in seštejeta. Dovolj stran od ovire se na simetrali med odprtinama vedno srečata hriba (ali dolini) iz obeh izvorov. Zvok se v tej smeri ojača - slika 5.

Zvok pa se ojača tudi pod nekim drugim kotom glede na navpičnico (simetralo), če je izpolnjen pogoj, da se srečata dva hriba ali dve dolini. Takrat je zakasnitev obeh valov enaka večkratniku valovne dolžine in vala se seštevata - slika 6.

Poglejmo, za kakšen kot se valovanje ojači. Na sliki 6 opazimo pravokotni trikotnik z:

V tem trikotniku njem velja:

Valovi pa se lahko v določeni smeri tudi odštevajo. V tej smeri bo zvok močno oslabljen.

Vzemimo dve ozki odprtini na kateri vpada ravni zvočni val. Vsaka odprtina je izvor polkrogelnega valovanja, kot je nakazano na slika 7.

Pod določenim kotom glede na pravokotnico nad oviro se valova odštejeta. To se zgodi, ko pade hrib enega vala na dolino drugega. Takrat sta vala zamaknjena (slika 7) za , ali na splošno:

Tu je N nič in naravna števila. Pogoj, da se to zgodi, je:

Zvočni val vpade:

Če zvok ne vpada pravokotno na mejo dveh sredstev, se mu spremeni smer širjenja. Pojavu pravimo lom valovanja. Pri prehodu v drugo snov pa se spremeni tudi valovna dolžina zvoka.

Predpostavimo najprej, da vpada val pravokotno na mejno ploskev dveh snovi. Poglejmo, kako se spremeni valovna dolžina .

V obeh snoveh naredi val v času ene periode pot :

Enačbi delimo:

Kaj pa, če valovni žarek ne vpada pravokotno na mejno ploskev?

Poglejmo si sliko 10. Valovni žarek zadene pod kotom mejno ploskev dveh snovi. Predpostavimo, da je hitrost valovanja v snovi, iz katere valovanje vpada, večja od hitrosti v snovi, v katero se lomi.

Naj bo hitrost valovanja v prvi snovi , v drugi pa in velja:

Val pri prehodu v drugo snov spremeni smer gibanja. Pravimo, da se ukloni.

Poglejmo sliko 10. Valovne fronte vpadajo na mejno ploskev med obema snovema. Valovna fronta mora biti vedno pravokotna na valovni žarek. Levi rob vala je že zadel mejno ploskev, desni rob pa mora še narediti pot .

Enako velja za val, ki je že vpadel v spodnjo snov. Levi rob fronte vala je že zadel mejno ploskev, desni rob pa mora še narediti pot .

Poglejmo si trikotnika, označena ob mejni ploskvi. Velja:

Enačbi med samo delimo: