回聲與聲速

一、回聲現(xiàn)象

為什么通常在室內(nèi)講話(huà)比在曠野里聽(tīng)起來(lái)響？為什么對(duì)著較遠(yuǎn)的建筑物喊話(huà)，能聽(tīng)到回聲？讓我們一起來(lái)了解一些有關(guān)回聲的知識(shí).

1.生活中的回聲

回聲是聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙物反射回來(lái)而形成的.聲波在傳播過(guò)程中，碰到大的反射面時(shí)（如山崖、高墻），聲能的一部分被吸收，而另一部分聲能被反射.人能夠區(qū)分兩個(gè)聲音的最短時(shí)間為0.1s，如果障礙物離聲源處較遠(yuǎn)，發(fā)出的聲音經(jīng)過(guò)大于0.1s的時(shí)間再回到耳畔，我們就能把回聲與原聲區(qū)分開(kāi)，這種反射回來(lái)的聲叫“回聲”.當(dāng)障礙物離得太近時(shí)，聲波很快反射回來(lái)，回聲與原聲混在一起，使原聲加強(qiáng)，在室內(nèi)講話(huà)聲比在曠野里聽(tīng)起來(lái)響亮，就是這個(gè)緣故.

例如，始建于明代的北京天壇，有“聲學(xué)三奇”的回音壁、三音石和圜丘.回音壁（圖1）位于天壇公園中心稍偏南，它是皇穹宇四周的圍墻.回音壁表面磨磚平滑密砌整齊，是聲波很好的反射面（圖2）.一個(gè)人在回音壁內(nèi)側(cè)對(duì)墻說(shuō)話(huà)，聲波經(jīng)回音壁內(nèi)表面多次反射，另一人站在回音壁內(nèi)側(cè)的任意位置，都能清楚地聽(tīng)到說(shuō)話(huà)聲，而且?guī)缀鹾兔鎸?duì)面談話(huà)一樣（圖3）.

位于回音壁的圓心上的三音石，如果在這塊石頭上拍一下掌，掌聲聲波經(jīng)回音壁反射，形成回聲.如果用力拍手，還會(huì)出現(xiàn)三次以上的掌聲回聲（圖4）.

2.回聲的應(yīng)用

前段時(shí)間熱播的3D版電影《泰坦尼克》，描述的是1912年，英國(guó)大商船“泰坦尼克”號(hào)在赴美途中發(fā)生了與冰山相撞沉沒(méi)的悲劇.為了尋找沉船，美國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)并制造出一臺(tái)回聲探測(cè)儀，用它在船上發(fā)出聲波，然后用儀器接收障礙物反射回來(lái)的聲波信號(hào).測(cè)量發(fā)出信號(hào)和接收信號(hào)之間的時(shí)間，根據(jù)水中的聲速就可以計(jì)算出障礙物的距離和海的深淺.

其實(shí)，關(guān)于回聲的應(yīng)用，“聲吶”是個(gè)典型.聲吶，意思是“聲音導(dǎo)航和測(cè)距”.有趣的是，自然界中，蝙蝠、海豚、鯨以及我國(guó)長(zhǎng)江中下游的珍稀動(dòng)物白鰭豚，都可以定向發(fā)出聲波，當(dāng)聲波碰到物體反射形成回聲，它們根據(jù)接收到的回聲聲波來(lái)“測(cè)算”出該物體的位置.如蝙蝠靠回聲定位探測(cè)飛行中的障礙和發(fā)現(xiàn)昆蟲(chóng)（圖5）.

動(dòng)物啟發(fā)了人類(lèi)，讓回聲成為人類(lèi)的“另一雙眼”.利用回聲，幫我們看清了水中的許多秘密，“看”到了魚(yú)群，“看”到了海底，“看”到了潛艇的形狀和某些特性.現(xiàn)在，人們使用聲吶，不但測(cè)到了魚(yú)群，而且還能分辨出魚(yú)的種類(lèi)和大小，極大地促進(jìn)了漁業(yè)的發(fā)展.現(xiàn)代側(cè)掃聲吶能使我們看清海底地貌，連20cm的高度差都能辨別清楚.

2012年6月24日，蛟龍?zhí)栞d人潛水器在位于西太平洋馬里亞納海溝區(qū)域，成功下潛至7020米深度，在這個(gè)世界上最深海溝寫(xiě)下了目前中國(guó)載人深潛的最深紀(jì)錄.蛟龍?zhí)査鶖y帶的高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲吶系統(tǒng)（圖6），可對(duì)海底地形地貌進(jìn)行探測(cè)，還可以對(duì)水體的多種物理化學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量.該設(shè)備已作為常規(guī)調(diào)查設(shè)備多次投入實(shí)際應(yīng)用，在海洋科學(xué)研究、海底礦產(chǎn)資源勘測(cè)和海洋工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用.

另外，在建大的建筑廳室（如音樂(lè)廳、電影院、劇場(chǎng)等）時(shí)，還得把回聲作為重要的因素加以考慮.因?yàn)?，聲波?huì)在封閉的室內(nèi)四壁間不斷地發(fā)生反射，即使在聲源停止振動(dòng)后，回聲還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，這種現(xiàn)象叫做混響.混響時(shí)間長(zhǎng)了，就會(huì)干擾原有的聲音.混響時(shí)間短了，會(huì)給聽(tīng)眾以單調(diào)的感覺(jué).所以，在像電影院這樣的墻壁與頂棚上，有那種帶有小孔的特殊材料制成的墻磚和棚頂.這些材料與設(shè)計(jì)，是要獲得適當(dāng)?shù)幕祉憰r(shí)間，控制回聲.

二、聲速

教室里，老師一說(shuō)話(huà)，我們馬上就能聽(tīng)到，那么聲音的傳播需不需要時(shí)間呢？

事例1 悶熱的夏天，一陣閃電劃過(guò)，過(guò)了一會(huì)兒，我們才聽(tīng)到雷聲.

事例2 運(yùn)動(dòng)會(huì)上，我們看到百米賽跑的起點(diǎn)，發(fā)令槍的煙冒起后，才聽(tīng)到槍響.

事例3 聽(tīng)到飛機(jī)的轟鳴聲，我們循著聲音抬頭望去，藍(lán)天悠悠，并不見(jiàn)飛機(jī).

事例4 極其震驚：中國(guó)殲20戰(zhàn)機(jī)飛行速度可達(dá)音速三倍.

……

這些都說(shuō)明，聲音的傳播需要時(shí)間.聲速也稱(chēng)音速，聲速是聲波在介質(zhì)中的傳播速度.

1.測(cè)量聲速

春節(jié)期間，你有可能玩過(guò)一種叫“閃光雷”的禮花吧（圖7）.用它，我們可以粗略地測(cè)量聲速的大小.準(zhǔn)備幾只“閃光雷”，到一片開(kāi)闊的地方，一位同學(xué)拿著“閃光雷”站在離另一位同學(xué)1km的地方，準(zhǔn)備好秒表.當(dāng)看到燃爆的“閃光雷”的閃光時(shí)馬上按表，聽(tīng)到聲音時(shí)再按一次表，記下時(shí)間，就可以計(jì)算聲速了.1738年，法國(guó)有幾位科學(xué)家借助炮聲，做了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了空氣中的聲速為337m/s.由于當(dāng)時(shí)所用的測(cè)量工具很簡(jiǎn)陋，能得到這樣精確的結(jié)果，已經(jīng)相當(dāng)了不起了.后來(lái)，有許多實(shí)驗(yàn)證明聲音在空氣中的速度和聲音本身沒(méi)有關(guān)系.聲速的大小隨介質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)而發(fā)生變化.空氣中的聲速在15℃的條件下約為340m/s.不同溫度時(shí)，在空氣中的聲速也不同.

各種溫度下空氣中的聲速

通常，聲音在液體中傳播比氣體中快，水中的聲速約為1500m/s.聲音在固體中的傳播速度更快，在鋼鐵中可達(dá)5200m/s.

聲音在人體各組織中傳播時(shí)，聲速也各不相同.在脂肪、肝、頭蓋骨中，平均聲速分別為1450m/s、1549m/s和4084m/s.

2.聲速的應(yīng)用

聲速的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣闊.例如，海嘯、臺(tái)風(fēng)等都是破壞性極大的自然災(zāi)害，現(xiàn)在人們已經(jīng)掌握了利用水聲進(jìn)行預(yù)報(bào)工作的方法.當(dāng)海底地震產(chǎn)生海嘯時(shí)，水下會(huì)產(chǎn)生很大的聲音.聲音在海水中傳播的速度約1500m/s，這要比波浪前進(jìn)的速度快得多.人們?cè)诤０哆呍O(shè)有海嘯預(yù)報(bào)站，通過(guò)置于海中的水聽(tīng)器（一種能接受聲波的裝置）收到傳來(lái)的聲音，就可以在海嘯到來(lái)之前數(shù)小時(shí)通知沿岸居民和海上船只，使他們及早避開(kāi)以減少損失.當(dāng)臺(tái)風(fēng)形成后，臺(tái)風(fēng)中心海域波浪滔天，在水下也會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的聲音，如果在深海區(qū)的邊緣，安放許多水聽(tīng)器，也可以提前收到臺(tái)風(fēng)中心的海浪聲音，并且利用聲速測(cè)出它的位置，這對(duì)預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)來(lái)說(shuō)，也是一種簡(jiǎn)便可靠的方法.

利用聲速，還可以測(cè)量距離（圖8）.2010年5月，廣東南澳海域的“南澳一號(hào)”水下考古發(fā)掘，就是用聲吶探測(cè)到沉船在水下的深度和周?chē)闆r的.之前，2007年12月22日，“南海一號(hào)”商船被打撈出水，這是目前發(fā)現(xiàn)的最大的宋代船只.我國(guó)考古隊(duì)員就利用發(fā)出的聲波對(duì)“南海一號(hào)”沉船進(jìn)行了探測(cè).聲波在海水中的速度為1500m/s，如果探測(cè)裝置發(fā)出的信號(hào)后，再到接受返回信號(hào)所花的時(shí)間是0.024s，則可計(jì)算出沉船在海面下18m深處.