回聲與聲速

一、回聲現(xiàn)象

為什么通常在室內(nèi)講話比在曠野里聽起來響？為什么對著較遠的建筑物喊話，能聽到回聲？讓我們一起來了解一些有關回聲的知識.

1.生活中的回聲

回聲是聲波在傳播過程中遇到障礙物反射回來而形成的.聲波在傳播過程中，碰到大的反射面時（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)分兩個聲音的最短時間為0.1s，如果障礙物離聲源處較遠，發(fā)出的聲音經(jīng)過大于0.1s的時間再回到耳畔，我們就能把回聲與原聲區(qū)分開，這種反射回來的聲叫“回聲”.當障礙物離得太近時，聲波很快反射回來，回聲與原聲混在一起，使原聲加強，在室內(nèi)講話聲比在曠野里聽起來響亮，就是這個緣故.

例如，始建于明代的北京天壇，有“聲學三奇”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）.一個人在回音壁內(nèi)側對墻說話，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)側的任意位置，都能清楚地聽到說話聲，而且?guī)缀鹾兔鎸γ嬲勗捯粯樱▓D3）.

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，還會出現(xiàn)三次以上的掌聲回聲（圖4）.

2.回聲的應用

前段時間熱播的3D版電影《泰坦尼克》，描述的是1912年，英國大商船“泰坦尼克”號在赴美途中發(fā)生了與冰山相撞沉沒的悲劇.為了尋找沉船，美國科學家設計并制造出一臺回聲探測儀，用它在船上發(fā)出聲波，然后用儀器接收障礙物反射回來的聲波信號.測量發(fā)出信號和接收信號之間的時間，根據(jù)水中的聲速就可以計算出障礙物的距離和海的深淺.

其實，關于回聲的應用，“聲吶”是個典型.聲吶，意思是“聲音導航和測距”.有趣的是，自然界中，蝙蝠、海豚、鯨以及我國長江中下游的珍稀動物白鰭豚，都可以定向發(fā)出聲波，當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“測算”出該物體的位置.如蝙蝠靠回聲定位探測飛行中的障礙和發(fā)現(xiàn)昆蟲（圖5）.

動物啟發(fā)了人類，讓回聲成為人類的“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，不但測到了魚群，而且還能分辨出魚的種類和大小，極大地促進了漁業(yè)的發(fā)展.現(xiàn)代側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，在這個世界上最深海溝寫下了目前中國載人深潛的最深紀錄.蛟龍?zhí)査鶖y帶的高分辨率測深側掃聲吶系統(tǒng)（圖6），可對海底地形地貌進行探測，還可以對水體的多種物理化學參數(shù)進行測量.該設備已作為常規(guī)調(diào)查設備多次投入實際應用，在海洋科學研究、海底礦產(chǎn)資源勘測和海洋工程等領域具有廣泛的應用.

另外，在建大的建筑廳室（如音樂廳、電影院、劇場等）時，還得把回聲作為重要的因素加以考慮.因為，聲波會在封閉的室內(nèi)四壁間不斷地發(fā)生反射，即使在聲源停止振動后，回聲還會持續(xù)一段時間，這種現(xiàn)象叫做混響.混響時間長了，就會干擾原有的聲音.混響時間短了，會給聽眾以單調(diào)的感覺.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.這些材料與設計，是要獲得適當?shù)幕祉憰r間，控制回聲.

二、聲速

教室里，老師一說話，我們馬上就能聽到，那么聲音的傳播需不需要時間呢？

事例1 悶熱的夏天，一陣閃電劃過，過了一會兒，我們才聽到雷聲.

事例2 運動會上，我們看到百米賽跑的起點，發(fā)令槍的煙冒起后，才聽到槍響.

事例3 聽到飛機的轟鳴聲，我們循著聲音抬頭望去，藍天悠悠，并不見飛機.

事例4 極其震驚：中國殲20戰(zhàn)機飛行速度可達音速三倍.

……

這些都說明，聲音的傳播需要時間.聲速也稱音速，聲速是聲波在介質(zhì)中的傳播速度.

1.測量聲速

春節(jié)期間，你有可能玩過一種叫“閃光雷”的禮花吧（圖7）.用它，我們可以粗略地測量聲速的大小.準備幾只“閃光雷”，到一片開闊的地方，一位同學拿著“閃光雷”站在離另一位同學1km的地方，準備好秒表.當看到燃爆的“閃光雷”的閃光時馬上按表，聽到聲音時再按一次表，記下時間，就可以計算聲速了.1738年，法國有幾位科學家借助炮聲，做了類似的實驗，測定了空氣中的聲速為337m/s.由于當時所用的測量工具很簡陋，能得到這樣精確的結果，已經(jīng)相當了不起了.后來，有許多實驗證明聲音在空氣中的速度和聲音本身沒有關系.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，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5200m/s.

聲音在人體各組織中傳播時，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.聲速的應用

聲速的應用領域極其廣闊.例如，海嘯、臺風等都是破壞性極大的自然災害，現(xiàn)在人們已經(jīng)掌握了利用水聲進行預報工作的方法.當海底地震產(chǎn)生海嘯時，水下會產(chǎn)生很大的聲音.聲音在海水中傳播的速度約1500m/s，這要比波浪前進的速度快得多.人們在海岸邊設有海嘯預報站，通過置于海中的水聽器（一種能接受聲波的裝置）收到傳來的聲音，就可以在海嘯到來之前數(shù)小時通知沿岸居民和海上船只，使他們及早避開以減少損失.當臺風形成后，臺風中心海域波浪滔天，在水下也會產(chǎn)生很強的聲音，如果在深海區(qū)的邊緣，安放許多水聽器，也可以提前收到臺風中心的海浪聲音，并且利用聲速測出它的位置，這對預報臺風來說，也是一種簡便可靠的方法.

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