Interferentie en buiging

Ruisonderdrukkende koptelefoons maken een tweede geluid dat precies tegengesteld is aan het omgevingsgeluid. Wanneer beide geluiden worden opgeteld, ontstaat er bijna stilte.

Golven optellen

Twee ballen die je naar elkaar gooit, kaatsen tegen elkaar terug. Twee golven die elkaar ontmoeten, doen iets anders: ze gaan dwars door elkaar heen. Terwijl ze overlappen, worden de verstoringen eenvoudig bij elkaar opgeteld. OpenStax noemt dit superpositie. Als twee identieke golven in fase aankomen, berg op berg en dal op dal, heeft het resultaat een tweemaal zo grote amplitude. Dat is zuivere constructieve interferentie. Als ze precies in tegenfase aankomen, berg op dal, heffen ze elkaar op en is de amplitude nul. Dat is zuivere destructieve interferentie. Meestal ligt het resultaat ergens daartussen en verandert het van plaats tot plaats.

Je ervaart vaak ongemerkt interferentie. Een stereo kan op één plek hard klinken en elders dof, doordat geluid van twee luidsprekers en de muren op sommige plekken versterkt en elders deels uitdooft. Ruisonderdrukkende koptelefoons luisteren naar het binnenkomende geluid en spelen een golf met omgekeerde pieken en dalen af. Volledige uitdoving lukt volgens OpenStax alleen onder eenvoudige omstandigheden, maar een vermindering van 30 dB of meer is mogelijk.

Twee bronnen en weglengteverschil

Plaats twee bronnen naast elkaar die gelijkfasig met dezelfde golflengte trillen, zoals twee vingers die tegelijk op water tikken. Op elk punt hebben hun golven verschillende afstanden afgelegd. Het weglengteverschil Δr bepaalt wat er gebeurt. Een geheel aantal golflengtes (0, λ, 2λ, …) geeft gelijke fase en versterking. Een geheel aantal plus een halve golflengte (½λ, 1½λ, …) brengt berg op dal en geeft uitdoving. Stille punten vormen gebogen lijnen die tussen de bronnen uitwaaieren, met levendige stroken ertussen.

Young en het golfkarakter van licht

Volgens OpenStax is interferentie het kenmerk van golven: een manier om te bewijzen dat iets een golf is, is zien dat het interfereert. Voor licht werd dit in 1801 beslist door Thomas Young, die licht door twee smalle spleten vlak naast elkaar liet gaan. Elke spleet werd een bron. Op het scherm verschenen geen twee heldere lijnen, maar afwisselend heldere en donkere banden. Heldere banden ontstaan in richtingen waarvoor d sin θ = mλ, met d de spleetafstand en m een geheel getal. In het OpenStax-voorbeeld geven spleten op 0.0100 mm afstand en een derde heldere band onder 10.95° een λ = 633 nm: het rode licht van een helium-neonlaser.

Buiging: golven spreiden zich door openingen

Wanneer een golf door een opening of om een rand gaat, spreidt zij zich uit in het gebied erachter. Dit verschijnsel heet diffractie of buiging. Hoe sterk zij spreidt, hangt af van de grootte van de opening ten opzichte van de golflengte. Een opening die veel breder is dan de golflengte laat de golf als bundel door, met aan beide kanten een vrij scherpe schaduw. Een opening van ongeveer één golflengte geeft een brede waaier. Daarom hoor je geluid om een deuropening heen (golflengtes rond een meter), maar kun je er niet omheen kijken lichtgolven zijn korter dan een miljoenste meter). OpenStax geeft een radiovoorbeeld: lange AM-golven gaan over en om gebouwen en heuvels, terwijl FM- en tv-ontvangst het best werken bij een vrije zichtlijn.

Zwevingen

Twee geluiden met een klein frequentieverschil raken afwisselend in en uit fase. Even liggen hun bergen op elkaar en is het geluid hard; iets later valt een berg op een dal en wordt het zacht. Het resultaat is één toon op de gemiddelde frequentie die aanzwelt en afneemt. Deze schommeling heet zweving. Volgens OpenStax is de zwevingsfrequentie het verschil van de twee frequenties: f_B = |f₁ − f₂|. Pianostemmers gebruiken dit. Als een stemvork van 256 Hz en een snaar 2 zwevingen per seconde geven, trilt de snaar met 254 Hz of 258 Hz. De stemmer past haar aan totdat de zwevingen stoppen.