聲音“碰壁”的妙用

華慶富

無論是步入窗明幾凈的教室，還是走進(jìn)裝修一新的新房，在太陽光或者燈光的照射下，窗戶玻璃、地板磚都會顯得閃亮耀眼。此時此刻你想到的一定是“光的反射”這四個字。不過當(dāng)你走進(jìn)高大寬敞的地下車庫或地下防空設(shè)施時，有時會聽到自己說話的回聲，此時你會不會想到“聲音的反射”呢？

聲音和光有著同樣的反射現(xiàn)象，規(guī)律也非常相似，并且也是一種常見的現(xiàn)象。請你回憶一下夏天雷雨將至?xí)r的情景，漫天的烏云如同馬群一樣在高空中飛速奔跑，一陣陣?yán)茁曔B綿不斷地傳到你的耳朵里，或許膽小的人還會邊驚叫邊急忙用雙手捂住耳朵呢！實際上一次閃電只應(yīng)該伴有一次雷聲，因為閃電和雷聲是同時發(fā)生的，但是當(dāng)你看到一次閃電之后，為什么卻能間隔地聽到幾次雷聲呢？原因很簡單，和閃電一起產(chǎn)生的那一聲雷聲，在向你傳播的過程中，會遇到不同的云塊，于是雷聲就在不同的云塊上發(fā)生多次反射。因為云塊與你的角度不一樣，所以反射過來的聲音到達(dá)你耳朵的時間也是不一樣的，于是見證奇跡的時刻到了：明明是一次雷聲，卻搖身一變成了連綿不斷的雷聲！下面我們就一起探究一下聲音的反射現(xiàn)象吧！

在家里找出兩把傘，我們一起來做一個關(guān)于“反射聚音”的實驗。如圖1所示，在右邊傘的A點掛一塊機械手表，當(dāng)你的耳朵位于左邊沒有放傘的B點時，是聽不到表針走動的聲音的。可是如果你把另一把傘放在左邊圖示位置后，再次將耳朵放到B點，你就會驚訝地發(fā)現(xiàn)，這一次竟然聽到了手表的嘀嗒聲！

原因是這樣的：聲音在傳播過程中遇到障礙物時，與光一樣會被反射回來，這在物理學(xué)上叫回聲，而回聲產(chǎn)生的原理與光學(xué)中反射現(xiàn)象的原理類似。聲音傳播時，是通過波的形式以聲源為球心向四周空間傳播，聲音的能量很快分散開，離聲源越遠(yuǎn)，響度越小。以光的反射現(xiàn)象中凹面鏡對光的會聚作用為例來說，聲音在遇到凹面鏡一樣的A傘面時，不但能被傘面反射，而且反射時也能聚起來，變成平行向傘B傳播的聲波，這部分聲波到達(dá)傘面后，又被凹面鏡一樣的傘面二次反射，此次反射的結(jié)果使得平行傳播的聲波匯聚在類似于凹面鏡焦點的B點，這樣一來原本已經(jīng)被會聚過一次的聲音再次被更大程度地會聚，于是A點發(fā)出的分散的聲音能量又集中了起來，而B點就是能量集中點，耳朵在此點聽到的聲音響度便變大了。

找一個細(xì)長光滑的飲料瓶，切掉頸部以上部分，在剩下的圓筒內(nèi)墊上一層棉布之類的松軟物體，在此物體上放一塊機械表，耳朵靠近圓筒口正上方10cm處，能清晰地聽見表針走動的聲音。接下來如果將耳朵水平移動離開圓筒口一段距離后，到達(dá)如圖2（甲）所示位置，此時恰好聽不見表針走動的聲音。這是因為表針走動的聲音沿著豎直的圓筒向上傳播了，所以沒有聲音傳播到耳中，當(dāng)然就聽不到聲音了。如果我們再在圓筒口正上方10cm處安放一塊平面鏡，仔細(xì)調(diào)整平面鏡的角度，直到眼睛能從鏡子里看到表，如圖2（乙）所示，此時耳朵又能清晰地聽見表的指針轉(zhuǎn)動的聲音，說明聲音能像光一樣反射！

我們還可以利用這個裝置探究聲音的反射效果與反射面材料的關(guān)系。只要用其他材料（比如海綿板代替平面鏡），就會發(fā)現(xiàn)聽見的聲音明顯減弱，這說明海綿板吸收聲音的能力強于玻璃板，而反射聲音的能力弱于玻璃板。這又與光的反射規(guī)律相似：玻璃板光滑，海綿板粗糙，因此玻璃板發(fā)生鏡面反射，聲音大（光線強），海綿板發(fā)生漫反射，聲音小（光線弱）。

圖3所示的是馳名中外的北京天壇，它是明清兩代皇帝祈谷、祈雨、祈天的地方。當(dāng)人站在圓形圍墻內(nèi)附近說話時，可以在圍墻的任何位置聽到。這是因為聲音經(jīng)過圓形圍墻的多次反射，可以沿著圓形圍墻到達(dá)墻的任何一個地方！

如圖4所示，人站在天壇的圜丘半徑為11.5m的中央臺上說話，會感到聲音特別洪亮。原因是這樣的：圜丘第三層臺面實際并不平，臺面中心略高，四周微微向下傾斜，人在臺中心喊叫一聲，傳向四周的聲音有一部分被四周的石欄桿反射，射到稍有傾斜的臺面后又反射到臺中心。而圜丘第三層半徑僅11.5m，從發(fā)聲到回聲返回中心所需時間只有0.068秒，所以回聲跟原來的聲音混在一起，分辨不清，只覺得聲音格外響亮，并且還會使人覺得似乎有聲音從地下傳來。

1.測量距離。科學(xué)家在南極洲發(fā)現(xiàn)了一個隕石凹坑，形狀如圓形平底鍋，如圖5所示，科學(xué)家請小明在圓心A點大喊一聲，同時測量出4秒后聽到回聲，于是他們經(jīng)過一番計算后確認(rèn)，該圓坑直徑為1360m！神奇嗎？說穿了其中的道理就不神奇了！因為空氣中聲速為340m/s，聲音從A點到凹坑壁再到A點傳播路程等于圓坑半徑的2倍（直徑），即直徑d=s=vt=340m/s×4s=1360m。

2.測速。周末，小明爸爸開車帶小明到郊外游玩。當(dāng)小汽車進(jìn)入超聲波測速儀監(jiān)控區(qū)域時，測速儀每隔1s發(fā)出一次信號，如圖6所示。測速儀從第一次發(fā)出信號到接收該信號用時0.4s，從第二次發(fā)出信號到接收該信號用時0.3s。據(jù)此測速儀就能計算出小汽車的速度！

3.超聲波指紋識別。自從手機上使用指紋識別以來，指紋識別技術(shù)已經(jīng)成為智能手機上的標(biāo)配。最近科學(xué)家又開發(fā)了一種新的指紋識別技術(shù)——超聲波指紋識別。如何利用超聲波識別指紋？如圖7所示，放大手指局部可以發(fā)現(xiàn)，其表面是凹凸不平的。將手指按在超聲指紋識別系統(tǒng)上，系統(tǒng)發(fā)出超聲波遇到手指上A、B、C、D、E 5個位置，測得回收信號的時間分別為0.30ms、0.36ms、0.30ms、0.36ms、0.26ms。由s=vt可知，速度一定時，時間越長通過的路程越遠(yuǎn)，因為0.36ms>0.30ms>0.26ms，所以sB=sD>sA=sC>sE，即B、D到系統(tǒng)的距離是相同的（最遠(yuǎn)），而離系統(tǒng)最近的是E，A、C在中間且與系統(tǒng)的距離相等，因此，該指紋的形狀如圖7所示。系統(tǒng)將此圖與存儲的指紋進(jìn)行比對，就能識別出其主人是誰了。

（編輯 文 墨）