Le phénomène de diffraction est caractéristique d'absolument toutes les ondes, par exemple les ondes électromagnétiques ou les ondes à la surface de l'eau. Cet article parle de la diffraction du son. Les caractéristiques de ce phénomène sont examinées, des exemples de sa manifestation dans la vie quotidienne et l'utilisation humaine sont donnés.
Onde sonore
Avant de considérer la diffraction du son, il convient de dire quelques mots sur ce qu'est une onde sonore. C'est un processus physique de transfert d'énergie dans n'importe quel support matériel sans déplacer la matière. Une onde est une vibration harmonique de particules de matière qui se propagent dans un milieu. Par exemple, dans l'air, ces vibrations conduisent à l'émergence de zones de haute et basse pression, alors que dans un corps solide, ce sont déjà des zones de contraintes de compression et de traction.
Une onde sonore se propage dans un milieu à une certaine vitesse, qui dépend des propriétés du milieu (température, densité, et autres). À 20 °oC dans l'air, le son se propage à environ 340 m/s. Considérant qu'une personne entend des fréquences de 20 Hz à 20 kHz, il est possible de déterminerlongueurs d'onde limites correspondantes. Pour ce faire, vous pouvez utiliser la formule:
v=fλ.
Où f est la fréquence des oscillations, λ est leur longueur d'onde et v est la vitesse de déplacement. En remplaçant les nombres ci-dessus, il s'avère qu'une personne entend des ondes avec des longueurs d'onde de 1,7 centimètres à 17 mètres.
Le concept de diffraction des ondes
La diffraction du son est un phénomène dans lequel un front d'onde se plie lorsqu'il rencontre un obstacle opaque sur sa trajectoire.
Un exemple quotidien frappant de diffraction est le suivant: deux personnes se trouvent dans des pièces différentes d'un appartement et ne se voient pas. Lorsque l'un d'eux crie quelque chose à l'autre, le second entend un son, comme si sa source se trouvait dans l'embrasure de la porte reliant les pièces.
Il existe deux types de diffraction sonore:
- Se courber autour d'un obstacle dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde. Puisqu'une personne entend des ondes sonores d'assez grande longueur d'onde (jusqu'à 17 mètres), ce type de diffraction se retrouve souvent dans la vie de tous les jours.
- Changement du front d'onde lorsqu'il traverse un trou étroit. Tout le monde sait que si vous laissez la porte un peu entrouverte, tout bruit de l'extérieur, pénétrant dans l'interstice étroit de la porte légèrement ouverte, remplit toute la pièce.
La différence entre la diffraction de la lumière et celle du son
Puisqu'il s'agit du même phénomène, qui ne dépend pas de la nature des ondes, les formules de diffraction du son sont exactement les mêmes que pour la lumière. Par exemple, lors du passage par une fente dans une porte, on peut écrire une condition pour le minimum similaire à celle de la diffractionFraunhofer sur un écart étroit, c'est-à-dire:
sin(θ)=mλ/d, où m=±1, 2, 3, …
Ici d est la largeur de l'espace de la porte. Cette formule détermine les zones de la pièce où le son de l'extérieur ne sera pas entendu.
Les différences entre la diffraction du son et de la lumière sont purement quantitatives. Le fait est que la longueur d'onde de la lumière est de plusieurs centaines de nanomètres (400-700 nm), soit 100 000 fois moins que la longueur des plus petites ondes sonores. Le phénomène de diffraction se manifeste fortement si les dimensions de l'onde et des obstacles sont proches. Pour cette raison, dans l'exemple décrit ci-dessus, deux personnes, étant dans des pièces différentes, ne se voient pas, mais s'entendent.
Diffraction des ondes courtes et longues
Dans le paragraphe précédent, la formule de la diffraction du son par une fente est donnée, à condition que le front d'onde soit plat. D'après la formule, on peut voir qu'à une valeur constante de d, les angles θ seront d'autant plus petits que les ondes λ tomberont sur la fente. En d'autres termes, les ondes courtes diffractent moins bien que les longues. Voici quelques exemples concrets pour étayer cette conclusion.
- Quand une personne marche dans une rue de la ville et arrive à un endroit où des musiciens jouent, elle entend d'abord les basses fréquences (basses). Alors qu'il s'approche des musiciens, il commence à entendre des fréquences plus élevées.
- Le roulement du tonnerre, qui s'est produit non loin de l'observateur, lui semble bien plus élevé (à ne pas confondre avec l'intensité) que le même roulement à quelques dizaines de kilomètres.
L'explication des effets notés dans ces exemples est la plus grande capacité des basses fréquences du son à diffracter et leur moindre capacité à être absorbées par rapport aux hautes fréquences.
Emplacement ultrasonique
C'est une méthode d'analyse ou d'orientation dans le domaine. Dans les deux cas, l'idée est d'émettre des ondes ultrasonores (λ<1, 7 cm) depuis la source, puis de les réfléchir depuis l'objet étudié et d'analyser l'onde réfléchie par le récepteur. Cette méthode est utilisée par l'homme pour analyser la structure défectueuse des matériaux solides, pour étudier la topographie des profondeurs marines et dans d'autres domaines. Grâce à la localisation par ultrasons, les chauves-souris et les dauphins naviguent dans l'espace.
La diffraction du son et la localisation des ultrasons sont deux phénomènes liés. Plus la longueur d'onde est courte, plus elle diffracte. De plus, la résolution du signal réfléchi reçu dépend directement de la longueur d'onde. Le phénomène de diffraction ne permet pas de distinguer deux objets dont la distance est inférieure à la longueur de l'onde diffractée. Pour ces raisons, c'est la localisation par ultrasons plutôt que sonique ou infrasonore qui est utilisée.
