Дифракция волн — это явление огибания волнами препятствий и проникновения в область геометрической тени. В акустике это приводит к распространению звука даже в тех местах, куда по законам геометрической акустики он проникать не должен. Данное явление становится особенно выраженным, когда размеры препятствия или отверстия сравнимы с длиной волны звука.
Дифракция наиболее выражена при выполнении следующих условий:
Размер препятствия или отверстия сопоставим с длиной волны: Если размер объекта значительно больше длины волны, дифракционные эффекты слабо выражены, и поведение волн близко к геометрической оптике.
Длина волны велика: Акустические волны, особенно в низкочастотном диапазоне (длина волны десятки сантиметров и более), демонстрируют значительные дифракционные эффекты даже на относительно больших объектах.
Однородность среды: Среда распространения должна быть однородной, чтобы не возникало дополнительных искажений волнового фронта, не связанных с дифракцией.
Рассмотрим случай, когда звуковая волна падает на узкую щель. Щель становится вторичным источником волн. В случае, если ширина щели a сравнима с длиной волны λ, на выходе наблюдается интенсивное огибание и появление характерного интерференционного рисунка. Если же a ≫ λ, волна практически не огибает края щели и продолжает распространяться прямолинейно.
Ширину главного дифракционного максимума можно оценить по выражению:
$$ \theta \approx \frac{\lambda}{a}, $$
где θ — угловая ширина основного дифракционного пучка.
Когда волна встречает непрозрачное препятствие, например цилиндр или плоский экран, она огибает его края. В результате в области геометрической тени появляются волны, что подтверждается опытами: звук слышен даже за препятствием.
Особенность дифракции на теле в том, что на краях возникают вторичные волны (по принципу Гюйгенса-Френеля), которые интерферируют и создают сложное акустическое поле.
Дифракция невозможна в рамках классической геометрической акустики, в которой звук рассматривается как луч. Только волновая теория, основывающаяся на уравнении Гельмгольца или волновом уравнении, способна адекватно описать огибание препятствий и проникновение волн в зону тени.
Появление звука в затенённых зонах объясняется принципом Гюйгенса: каждая точка волнового фронта становится источником сферических вторичных волн. Вблизи препятствий эти волны интерферируют, создавая итоговую картину распределения давления и скорости частиц среды.
При прохождении звуковой волны через отверстие или мимо препятствия можно построить диаграмму направленности рассеянной волны. В ней фиксируются значения интенсивности звука в различных направлениях от центра отверстия или от препятствия.
Для точного расчёта используют методы:
Слышимость за углом: Благодаря дифракции звуковая волна способна огибать углы зданий, что позволяет слышать источник даже при отсутствии прямой видимости.
Распространение звука на открытом воздухе: При наличии препятствий (деревья, здания, экраны) наблюдается огибание, что критично при проектировании акустических барьеров.
Комната с перегородками: В помещениях дифракционные эффекты становятся важными при оценке слышимости и распределения звука за ширмами и стенами.
Чем выше частота звука, тем короче его длина волны, а значит — меньше выражены дифракционные эффекты. В высокочастотном диапазоне (ультразвук) звуковые волны ведут себя почти как лучи, демонстрируя чёткие тени и слабое огибание.
Напротив, низкочастотные волны (например, инфразвук) обладают выраженной способностью проникать за препятствия и распространяться на большие расстояния, что особенно важно в сейсмоакустике и при наблюдении за крупными промышленными источниками шума.
В проектировании концертных залов и общественных помещений необходимо учитывать дифракционные эффекты. Правильное расположение рассеивающих элементов (отражателей, звуковых экранов) позволяет улучшить слышимость и равномерность распределения звукового давления даже в затенённых зонах.
Инженеры используют дифракционные расчёты для:
При акустической калибровке и измерении характеристик микрофонов, источников или преград необходимо учитывать искажения, вносимые дифракцией. Например, при определении направленности источника или акустического поля у края щели результаты без учёта дифракции будут существенно искажены.
Особенно важно это при работе с малогабаритными акустическими датчиками, в которых длина волны сравнима с размерами самого прибора.
Аналогично оптическим дифракционным решёткам, в акустике используются периодические структуры, которые формируют направленные пучки и интерференционные рисунки. Такие структуры позволяют:
Современная область — акустические метаповерхности — проектирует тонкие структуры, способные модулировать волны с высокой точностью, в том числе создавать эффекты дифракции даже при миниатюрных габаритах.
Дифракция не существует изолированно. В реальных задачах она тесно связана с:
Совместный анализ этих процессов необходим для создания точных акустических моделей.