Difracción de onda, el fenómeno físico, qué es, por qué sucede y qué aplicaciones tiene.

¿Qué es la difracción?

Cuando se observa el sonido, sabemos que viaja alrededor de obstáculos y esquinas, si por ejemplo, en una habitación de una casa, reproducimos música, está se puede escuchar por el pasillo y en otras estancias de la casa. Para saber porque ocurre esto hay que saber qué es el aislamiento acústico y el tiempo de reverberación, pero vamos a explicar porque tiene mucho que ver con la difracción de onda.

En líneas generales podríamos resumirlo a en la reflexión de las paredes y a las diferentes superficies pero en gran parte influye el famoso fenómeno físico de la difracción.

Si tratamos de resumir la definición de difracción de onda, está haría que el sonido que normalmente viaja en línea recta, se “doble” y viaje en otras direcciones.

La difracción ocurre incluso en una situación de campo libre sin ninguna superficie reflectante. Aunque el carácter de la música que se escucha en los diferentes recintos de la casa, difiere enormemente del sonido reproducido por la fuente. Si prestamos atención y realizamos una escucha critica, nos daremos cuenta de que las notas o frecuencias más graves son más preponderantes que las notas agudas.

Debido a que las longitudes de onda de las notas graves, son más largas y se difractan de forma más fácilmente a través de obstáculos. De forma opuesta, las notas más agudas tienen longitudes de ondas más cortas, por lo que su capacidad para difractar es muy limitada. De esta explicación, por tanto concluimos que la difracción varía de acuerdo con la frecuencia del sonido en relación con las dimensiones físicas de los objetos que lo causan. En nuestro diccionario acústico podrá encontrar más información sobre las longitudes de onda.

Difracción y programación de los frentes de onda.

Los frentes de onda de las ondas usualmente viajan rectilíneamente. Los rayos sonoros, un concepto aplicable a frecuencias medias y altas, pueden considerarse como haces de sonido que viajan en línea recta perpendicularmente al frente de onda. Los frentes de onda del sonido y los rayos sonoros viajan en línea recta exceptuando cuando un objeto se interpone en su camino.

Los obstáculos que se encuentran las ondas pueden hacer que cambien de dirección desde su trayectoria rectilínea original. La difracción sería el mecanismo por el cual tiene lugar este cambio de dirección. Como curiosidad, la palabra difracción viene del latín diffringere que significa entre otras cosas, romperse en pedazos, hacer añicos, despedazar.

Isaac Newton llego a reflexionar sobre los méritos relativos de las teorías corpusculares y ondulatorias de la luz. Llegó a la conclusión de que esa teoría era la correcta porque la luz se propagaba rectilíneamente, pero estaba equivocado, ya que la luz no siempre se propaga de forma rectilínea, sino que la difracción puede llegar a hacer que cambie su dirección de desplazamiento.

Todos los tipos de movimiento de ondas, incluyendo las ondas sonoras, están sujetos a la difracción, por lo que la difracción de una onda es un fenómeno causado por la interferencia de fase. Por ejemplo esto también se estudia en los rayos x y sus efectos.

Difracción y longitud de onda

Como ya hemos dicho, los sonidos de baja frecuencia, los cuales tienen longitudes de onda larga, se difunden más fácilmente que los sonidos de alta frecuencia, los cuales tienen longitudes de onda más cortos. De forma opuesta, si contamos un objeto dado, las frecuencias altas difieren menos fácilmente que las bajas.

Es menos notable la difracción de la luz que el sonido, ya que las longitudes de onda de la luz son mucho más cortas. Por lo que las sombras ópticas son distintas de las acústicas. Por consiguiente, es muy posible que pueda escuchar la difracción del sonido escondido detrás de una pared antes de ver la luz difractada en esa posición.

De forma análoga, la efectividad que tiene un obstáculo para difractar el sonido está determinada por el tamaño acústico del obstáculo, entendamos tamaño acústico como medida en términos de longitud de onda. Un obstáculo es acústicamente pequeño si las longitudes de onda son largas, pero el mismo objeto es acústicamente grande si las longitudes de onda son cortas. Aunque esto es bastante lógico de entender, lo vamos a explicar en más detalle en el próximo punto.

Difracción por Obstáculos

Un obstáculo es acústicamente pequeño en relación con la longitud de onda dada, el sonido es difractado fácilmente a su alrededor. Con solo una ligera perturbación, el sonido se doblará alrededor de un pequeño obstáculo, creando en cualquier caso, una pequeña sombra acústica o incluso ninguna.  Cuando las dimensiones de los obstáculos son iguales a la longitud de onda, prácticamente todo el sonido será difractado.

Como ya hemos dicho anteriormente, cada frente de onda al pasar un obstáculo, se convierte en una línea de nuevas fuentes puntuales que irradian sonido a la zona de sombra acústica mediante el fenómeno físico de la difracción. Por el contrario si el objeto es mucho mayor que la longitud de onda, la zona de sombra acústica será mucho mayor (no habrá sonido).

En los siguientes dibujos se puede apreciar que el Caso 1 el sonido no tiene dificultad ninguna para continuar su trayectoria, ya que el objeto es pequeño en comparación con la longitud de onda, en cambio en el Caso 2 se puede apreciar que al ser el objeto de unas dimensiones mayores a la longitud de onda, está no consigue difractar correctamente y genera una zona de sombra acústica.

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¿Qué aplicaciones tiene la difracción?

La difracción es algo que tenemos en cuenta en Silen y Sistem cuando diseñamos barreras acústicas en fábricas, carreteras, instalaciones, etc… La separación de los frentes de onda indican una frecuencia relativamente mayor o menor de la fuente. A frecuencias más altas, la barrera protegerá de forma más efectiva al oyente.

Con las frecuencias más bajas y una misma altura de barrera, la zona de sombra se vuelve menos efectiva ya que las ondas difractan y el oyente puede percibir el sonido, aunque la barrera acústica seguirá funcionando de forma efectiva para las frecuencias altas, percibiendo únicamente las frecuencias graves.

Las frentes de onda pasan por el borde de la barrera acústica difractándose e irradiando nuevas fuentes puntuales de sonido hacia la zona de sombra acústica donde se encuentra el oyente, al fin y al cabo es como se generará una imagen virtual en el otro lado de la pared, como si en realidad la barrera no estuviera.

La difracción a través de aberturas

 La difracción a través de aberturas depende directamente del tamaño de la abertura y de la longitud de onda. La cantidad difractada en relación con el sonido total que consigue pasar a través de la abertura aumenta a medida que disminuye el tamaño de la abertura. Al igual que con los objetos que comentábamos anteriormente, la difracción a través de aberturas depende también de la longitud de onda. Está aumenta a medida que disminuye la frecuencia, por lo que a más baja frecuencia más fácil será que el sonido se difracte.

En los próximos capítulos hablaremos sobre la difracción y la refracción, dos cosas que se entienden mucho mejor cuando se conocen las dos.