Дифракция звука

ДИФРАКЦИЯ ЗВУКА, отклонение распространения акустических волн от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Дифракция звука проявляется в проникновении звука за любое массивное препятствие, размеры которого больше длины волны падающего звукового поля, в отсутствии звуковой тени за препятствием, размеры которого малы по сравнению с длиной акустической волны. Особенно наглядно дифракция звука проявляется в отсутствии резкой границы между звуковой тенью и зоной звуковой «освещённости», поскольку интенсивность звука между ними меняется плавно. Благодаря дифракции звука звуковое поле может проникать через небольшие отверстия или щели в различных экранах. Дифракцию звука нельзя объяснить в рамках законов геометрической акустики - законов отражения, преломления и рефракции звука.

Результатом интерференции звуковых полей, обусловленных дифракцией звука на различных препятствиях, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, является возникновение рассеянного поля (смотри Рассеяние звука). Нахождение рассеянных полей - весьма сложная и в большинстве случаев трудно рассчитываемая задача.

Для объяснения явления дифракции звука используют Гюйгенса - Френеля принцип, согласно которому каждая точка фронта звукового поля рассматривается как новый источник «вторичного» сферического возмущения. Поэтому в любой последующий момент времени волновой фронт можно представить в виде огибающей фронтов слабых вторичных, интерферирующих между собой волн от этих источников. Пользуясь этим принципом, О. Френель в 1815-18 годах смог с большой точностью рассчитать распределение поля в дифракционных картинах. Первое строгое решение задачи дифракции получил в 1895 А. Зоммерфельд, рассмотрев падение плоской волны на полуплоскость.

После решения задач дифракции, допускающих разделение переменных в волновых уравнениях и граничных условиях (дифракция звука на цилиндре, сфере и т.п.), появилась возможность количественных оценок дифракционных эффектов. На цилиндре или сфере можно наблюдать частотную зависимость возрастания интенсивности рассеянного поля при удалении от объекта со стороны, противоположной падающему звуку, а затем - её спадания по закону убывания поля от источника конечных размеров. Большой интерес представляют решения задач дифракции звука на клине с идеальными граничными условиями (Зоммерфельд), с импедансными граничными условиями (Г. Д. Малюжинец). Крупный вклад в объяснение явления дифракции внесли отечественные учёные В. А. Фок, Л. А. Вайнштейн, Г. Д. Малюжинец, предложившие метод поперечной диффузии, описывающий в высокочастотном приближении «растекание» энергии из волновых пучков вдоль фронта распространяющегося волнового поля.

Лит.: Вайнштейн Л. А. Дифракция электромагнитных и звуковых волн на открытом конце волновода. М., 1953; Хенл Х., Мауэ А., Вестпфаль К. Теория дифракции. М., 1964; Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. М., 1970.