Interferența este semnul distinctiv al undelor, toate prezintă interferențe constructive și distructive exact analoge cu cele observate pentru undele de apă. De fapt, o modalitate de a demonstra că ceva „este o undă” este să observi efectele de interferență. Deoarece sunetul este undă, ne așteptăm să prezinte interferențe.
Interferența undelor sonore
În Unde, am discutat despre interferența funcțiilor de undă care diferă doar printr-o schimbare de fază. Am constatat că funcția de undă rezultată din suprapunerea lui y1(x,t) = Asin(kx – ωt + ϕ) și y2(x,t) = Asin(kx − ωt) este
y(x,t) = [2Acos(ϕ/2)]sin(kx – ωt + ϕ/2).
O modalitate prin care două unde identice care sunt inițial în fază devin defazate una cu cealaltă este aceea de a face undele să parcurgă distanțe diferite; adică să aibă lungimi de drum diferite. Undele sonore oferă un exemplu excelent de schimbare de fază din cauza diferenței de cale. După cum am discutat, undele sonore pot fi modelate practic ca unde longitudinale, moleculele mediului oscilând în jurul unei poziții de echilibru, sau ca unde de presiune.
Când undele părăsesc difuzoarele, ele se deplasează ca unde sferice (Figura 17.16). Undele interferează; interferența constructivă este produsă prin combinarea a două creste sau două jgheaburi, după cum se arată. Interferența distructivă este produsă de combinația dintre un jgheab și o creastă.
Figura 17.16 Când undele sonore sunt produse de un difuzor, ele călătoresc cu viteza sunetului și se deplasează ca unde sferice. Aici, două difuzoare produc același ton constant (frecvență). Rezultatul sunt puncte de sunet de înaltă intensitate (evidențiate), care rezultă din suprapunerea a două creste (compresie) sau două jgheaburi (rarefacție). Interferența distructivă rezultă din suprapunerea unei creste și a jgheabului. Punctele în care există interferență constructivă în figură apar deoarece cele două unde sunt în fază în acele puncte. Punctele de interferență distructivă (Figura 17.17) sunt rezultatul defazării celor două unde.
Figura 17.17 Două difuzoare sunt conduse de un singur generator de semnal. Undele sonore produse de difuzoare sunt în fază și sunt de o singură frecvență. Undele sonore interferează între ele. Când două creste sau două jgheaburi coincid, există interferențe constructive, marcate de punctele roșii și albastre. Când un jgheab și o creastă coincid, apar interferențe distructive, marcate de puncte negre. Diferența de fază se datorează lungimii căii parcurse de undele individuale. Două unde identice parcurg două lungimi de cale diferite către un punct P. (a) Diferența dintre lungimile de cale este de o lungime de undă, rezultând interferență constructivă totală și o amplitudine rezultată egală cu dublul amplitudinii inițiale. (b) Diferența dintre lungimile căii este mai mică de o lungime de undă, dar mai mare de jumătate de lungime de undă, rezultând o amplitudine mai mare decât zero și mai mică de două ori față de amplitudinea inițială. (c) Diferența dintre lungimile căii este de jumătate din lungimea de undă, rezultând o interferență distructivă totală și o amplitudine rezultată de zero.
Diferența de fază în fiecare punct se datorează lungimilor diferite de cale parcurse de fiecare undă. Când diferența dintre lungimile căii este un multiplu întreg al unei lungimi de undă,
Δr = |r2 − r1| = nλ, unde n = 0,1,2,3,…,
undele sunt în fază și există interferențe constructive. Când diferența de lungimi a căii este un multiplu impar al unei jumătăți de lungime de undă,
Δr = |r2 − r1| = n λ/2, unde n = 1,3,5,…,
undele sunt defazate cu 180°(π rad) și rezultatul este o interferență distructivă. Aceste puncte pot fi localizate cu un sonometru.
| EXEMPLUL 17.5
Interferența undelor sonore Două difuzoare sunt separate de 5,00 m și sunt conduse de un generator de semnal la o frecvență necunoscută. Un elev cu un sonometru merge înainte 6,00 m și în jos 2,00 m și găsește prima intensitate minimă, așa cum se arată mai jos. Care este frecvența furnizată de generatorul de semnal? Să presupunem că viteza undei sonore este v = 343,00 m/s.
Strategie Viteza undei este egală cu v = λ/T = λf. Frecvența este atunci f = v/λ. O intensitate minimă indică o interferență distructivă și primul astfel de punct apare acolo unde există o diferență de cale de Δr = λ/2, care poate fi găsită din geometrie. Soluție 1. Găsiți lungimea căii până la punctul minim de la fiecare difuzor.
r1 = √((6,00 m)2 + (2,00 m)2) = 6,32 m, r2 = √((6,00 m)2 + (3,00m)2) = 6,71 m 2. Utilizați diferența dintre lungimea căii pentru a găsi lungimea de undă. Δr = |r2 − r1| = |6,71 m − 6,32 m| = 0,39 m λ = 2Δr = 2(0,39 m) = 0,78 m 3. Găsiți frecvența. f = v/λ = 343,00 m/s / 0,78 m = 439,74 Hz Semnificație Dacă punctul P ar fi un punct de intensitate maximă, atunci lungimea căii ar fi un multiplu întreg al lungimii de undă. |
| EXERCIȚIUL 17.4
Dacă te plimbi în jurul a două difuzoare care pun muzică, de ce nu observi locuri în care muzica este foarte tare sau foarte slabă, adică unde există interferențe constructive și distructive? |
Conceptul de schimbare de fază din cauza unei diferențe în lungimea căii este foarte important. Veți folosi din nou acest concept în Interferență și fotoni și Unde de materie, unde discutăm despre modul în care Thomas Young a folosit această metodă în faimosul său experiment cu dublă fantă pentru a furniza dovezi că lumina are proprietăți ondulatorii.
Reducerea zgomotului prin interferențe distructive
Figura 17.18 arată o utilizare inteligentă a interferenței sunetului pentru a anula zgomotul. Au fost propuse aplicații la scară mai mare de reducere activă a zgomotului prin interferență distructivă pentru întregul compartiment de pasageri din aeronavele comerciale. Pentru a obține interferențe distructive, se efectuează o analiză electronică rapidă și se introduce un al doilea sunet defazat de 180° cu sunetul original, cu maximele și minimele sale exact inversate față de zgomotul de intrare. Undele sonore din fluide sunt unde de presiune și sunt în concordanță cu principiul lui Pascal; adică presiunile din două surse diferite se adună și se scad ca numere simple. Prin urmare, presiunile manometrice pozitive și negative se adaugă la o presiune mult mai mică, producând un sunet de intensitate mai mică. Deși interferența complet distructivă este posibilă numai în cele mai simple condiții, este posibil să se reducă nivelurile de zgomot cu 30 dB sau mai mult folosind această tehnică.
Figura 17.18 Căștile concepute pentru a anula zgomotul cu interferențe distructive creează o undă sonoră exact opusă sunetului primit. Aceste căști pot fi mai eficiente decât simpla atenuare pasivă folosită în majoritatea protecției urechilor. Astfel de căști au fost folosite la zborul fără escală în jurul lumii al aeronavei Voyager în 1986 pentru a proteja auzul piloților de zgomotul motorului.
| EXERCIȚIUL 17.5
Descrieți cum diferă căștile cu anulare a zgomotului față de căștile standard folosite pentru a bloca sunetele din exterior. |
Unde altundeva putem observa interferența sunetului? Rezonanța sonoră, cum ar fi instrumentele muzicale, se datorează interferențelor constructive și distructive. Doar frecvențele de rezonanță interferează constructiv pentru a forma unde staționare, în timp ce altele interferează în mod distructiv și sunt absente.
Sursa: Physics, University Physics (OpenStax), gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere și adaptare de Nicolae Sfetcu. © 2024 MultiMedia Publishing, Fizica, Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2
Descoperă universul fizicii printr-o perspectivă fenomenologică captivantă!
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1
O explorare cuprinzătoare a fizicii, combinând perspective teoretice cu fenomene din lumea reală.
Sunetul fizicii – Acustica fenomenologică
Explorați lumea sunetelor – cum se generează, se propagă, se percep și se înregistrează sunetele, în natură și în activitatea umană. Informații utile, la nivel fenomenologic, despre vibrații și unde, acustică, și sunete muzicale: caracteristici, descrieri fizice, fenomene specifice. CUPRINS: … Citeşte mai mult
Lasă un răspuns