Kırınım olgusu, örneğin elektromanyetik dalgalar veya su yüzeyindeki dalgalar gibi kesinlikle herhangi bir dalganın özelliğidir. Bu makale sesin kırınımı hakkında konuşuyor. Bu fenomenin özellikleri ele alınmakta, günlük yaşamda ve insan kullanımında tezahürünün örnekleri verilmektedir.
Ses dalgası
Sesin kırınımını düşünmeden önce, ses dalgasının ne olduğu hakkında birkaç söz söylemekte fayda var. Maddeyi hareket ettirmeden herhangi bir maddi ortamda enerji transferinin fiziksel bir işlemidir. Dalga, bir ortamda yayılan madde parçacıklarının harmonik titreşimidir. Örneğin havada, bu titreşimler yüksek ve alçak basınç alanlarının ortaya çıkmasına neden olurken, katı bir gövdede bunlar zaten basınç ve çekme gerilimi alanlarıdır.
Bir ses dalgası, ortamın özelliklerine (sıcaklık, yoğunluk ve diğerleri) bağlı olarak bir ortamda belirli bir hızda yayılır. Havada 20 oC'de ses yaklaşık 340 m/sn hızla yayılır. Bir kişinin 20 Hz'den 20 kHz'e kadar olan frekansları duyduğunu düşünürsek,karşılık gelen sınırlayıcı dalga boyları. Bunu yapmak için şu formülü kullanabilirsiniz:
v=fλ.
f, salınımların frekansı, λ dalga boyları ve v hareket hızıdır. Yukarıdaki sayıları değiştirerek, bir kişinin 1,7 santimetreden 17 metreye kadar dalga boylarına sahip dalgaları duyduğu ortaya çıkıyor.
Dalga kırınımı kavramı
Ses kırınımı, yolu boyunca opak bir engelle karşılaştığında bir dalga cephesinin büküldüğü bir olgudur.
Çarpıcı bir günlük kırınım örneği şudur: iki kişi bir apartmanın farklı odalarında ve birbirlerini görmüyorlar. Biri diğerine bir şey bağırdığında, ikincisi sanki kaynağı odaları birbirine bağlayan kapı aralığındaymış gibi bir ses duyar.
İki tür ses kırınımı vardır:
- Boyutları dalga boyundan daha küçük olan bir engelin etrafından eğilmek. Bir kişi oldukça büyük dalga boylarındaki ses dalgalarını (17 metreye kadar) duyduğundan, bu tür kırınım genellikle günlük yaşamda bulunur.
- Dar bir delikten geçerken dalga cephesinin değişmesi. Herkes bilir ki, kapıyı biraz aralık bırakırsanız, dışarıdan gelen, hafif açık olan kapının dar aralığından içeri giren herhangi bir ses tüm odayı doldurur.
Işığın kırınımı ile sesin kırınımı arasındaki fark
Dalgaların doğasına bağlı olmayan aynı fenomenden bahsettiğimiz için, ses kırınım formülleri ışıkla tamamen aynıdır. Örneğin, bir kapıdaki bir yarıktan geçerken, kırınım için olana benzer bir minimum için bir koşul yazılabilir. Fraunhofer dar bir boşlukta, yani:
sin(θ)=mλ/d, burada m=±1, 2, 3, …
Burada d, kapı aralığının genişliğidir. Bu formül, oda içerisinde dışarıdan gelen sesin duyulmayacağı alanları belirler.
Ses ve ışık kırınımı arasındaki farklar tamamen niceldir. Gerçek şu ki, ışığın dalga boyu, en küçük ses dalgalarının uzunluğundan 100.000 kat daha az olan birkaç yüz nanometre (400-700 nm) kadardır. Dalganın boyutları ve engeller yakınsa, kırınım fenomeni güçlü bir şekilde kendini gösterir. Bu nedenle yukarıdaki örnekte farklı odalarda bulunan iki kişi birbirini görmez, duyar.
Kısa ve uzun dalgaların kırınımı
Bir önceki paragrafta, dalga cephesinin düz olması şartıyla sesin bir yarık tarafından kırınımı formülü verilmiştir. Formülden, sabit bir d değerinde, θ açılarının daha küçük olacağı, λ dalgalarının daha kısa olacağı ve yarığa düşeceği görülebilir. Başka bir deyişle, kısa dalgalar uzun dalgalardan daha kötü kırınım gösterir. İşte bu sonucu destekleyecek bazı gerçek hayattan örnekler.
- Bir kişi bir şehrin caddesinde yürürken ve müzisyenlerin çaldığı bir yere geldiğinde, önce düşük frekansları (bas) duyar. Müzisyenlere yaklaştıkça daha yüksek frekanslar duymaya başlar.
- Gözlemciden çok uzakta olmayan gök gürültüsü, ona birkaç on kilometre uzaktaki aynı gök gürültüsünden oldukça yüksek (yoğunlukla karıştırılmamalıdır) gibi görünüyor.
Bu örneklerde belirtilen etkilerin açıklaması, düşük frekanslı seslerin kırılma yeteneğinin daha yüksek olması ve yüksek frekanslara kıyasla daha az absorbe edilme yeteneğidir.
Ultrasonik konum
Alanda bir analiz veya yönlendirme yöntemidir. Her iki durumda da fikir, kaynaktan ultrasonik dalgalar (λ<1, 7 cm) yaymak, ardından bunları incelenen nesneden yansıtmak ve alıcı tarafından yansıyan dalgayı analiz etmektir. Bu yöntem, insan tarafından katı malzemelerin kusurlu yapısını analiz etmek, deniz derinliklerinin topografyasını incelemek ve diğer bazı alanlarda kullanılır. Yarasalar ve yunuslar ultrasonik konumu kullanarak uzayda gezinirler.
Ses kırınımı ve ultrasonik konum birbiriyle ilişkili iki olgudur. Dalga boyu ne kadar kısa olursa, kırınım o kadar kötü olur. Ayrıca, alınan yansıyan sinyalin çözünürlüğü doğrudan dalga boyuna bağlıdır. Kırınım olgusu, aralarındaki mesafe kırılan dalganın uzunluğundan daha az olan iki nesne arasında ayrım yapılmasına izin vermez. Bu nedenlerden dolayı kullanılan sonik veya infrasonik konum yerine ultrasoniktir.
