书城教材教辅课本上读不到的物理故事
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第14章 有趣的声学(5)

世界上能够产生多次回声的地方固然罕见,但是想找到一个仅能听到一次回声的地方也不是一件容易的事,因为只发出一次清晰回声的地方并不多见。因为在地球上障碍物的放射面比较复杂,反射的声波会比较复杂,所以回声往往是多重的。

【物理碰碰车】回声都是一样的吗?

首先可以肯定的是回声与回声之间的差别还是很大的。回声的音质存在差别,也不是所有的回声都会很清晰。野兽在森林中嚎叫,嘹亮的号角在隔壁回荡,歌声在空谷荡漾,它们引发的回声都不一样。总得来说发出的声音越尖锐,所得到回声就越清晰,因此相对于男人浑厚的嗓音来说,妇女和儿童的高音调所得到的回声要清晰得多。

声音做的尺子

“叔叔!”我大声喊道。

“什么事,我的孩子?”没过多久,他问。

“我想知道,我们两个之间的距离有多远?”

“这很简单。”

“你的表还能用吗?”

“能用。”

“把它拿在手里,喊我一声并且记住你发声的时间。我一听到你的喊声,就立刻重复一声我的名字。我的声音传过去的时候,你记下它到达的时间。”

“好的。那么从我发出声音到我听到你的声音,这个时间的一半就是声音从我这儿走到你那儿需要的时间。准备好了吗?”

“准备好了。”

“注意!我要开始喊你的名字了!”

“阿克塞尔”,耳朵贴在岩洞上的我,听见了自己的名字,然后立刻回应,然后开始等待。

叔叔说:“四十秒,这就是说,声音从你那儿到我这儿一共走了二十秒。声音的传播速度是每秒钟三分之一千米,二十秒钟大概走了七千米。”

这是儒勒·凡尔纳的小说《地心游记》里的情节,教授和他的侄子阿克塞尔是两个旅行家,他们在地下旅行的时候走散了。后来,他们发现能够听到对方的声音,便想通过声音这把“尺子”测量出二者间的距离,于是就有了上面的一段对话。

如果你能明白上面对话中所讲的内容,那么你就能解答出相似的问题了。例如,我在看到火车头放出汽笛的白气之后,过了一秒半钟,听到了汽笛声,试问我离火车的距离有多远?要回答这个问题,你首先要知道声音在空气中的传播速度是每秒钟340米,汽笛声用了一秒半的时间传到我的耳朵里,那么我和火车头的距离在那一秒的应该是:340×1.5=510(米)

由此我们可以知道,无形的声音,也可以当做一把有形的“尺子”来用,假如我们知道了声音的传播速度,那就可以借助这个速度来测量与一些不能靠近的物体间的距离了。

【物理碰碰车】回声的多样用途

除了用来测量距离,回声也可以用在地质勘探中。勘探石油时,就常采用人工地震的方法。具体来说就是,在地面上埋好炸药包,并放上一列探头,然后把炸药引爆,这时探头就可以接收到地下不同层面反射回的声波,从而探测出地下的油矿。此外,建筑上也要用到回声。在设计、建造大的厅堂时,设计者就需要考虑着回声来设计厅堂的内部形状和结构等,以免影响到室内声音的反射,进而影响听觉。

会说话的山洞

曾经有一个暴君,他喜欢把人关押在一个山洞里,人多次计划逃跑都被这位君主提前知道,究竟是犯人内部出了奸细,还是另有隐情呢?

这个山洞位于意大利的西西里岛上,那里曾经有一个帝国叫做舒古拉帝国,传说中的暴君名叫“杰尼西亚”。他总是把犯人关押在山洞里,这里的囚犯多次密谋逃跑,但都被杰尼西亚发现了。起初,罪犯认为狱友中有内奸,他们彼此指责,互相怀疑,但始终没有发现任何一个囚徒告密。

直到有一天,这里又关进来一个囚徒,他是个数学家。当罪犯们又一次密谋逃跑时,数学家劝他们说不要白费力气了,你们的计划君主都知道得一清二楚。他告诉大家,这个囚禁犯人的山洞洞壁是椭圆形的,大家都被关押在这个椭圆的一个焦点附近,大家说话的声音经过洞壁的反射可以聚焦在另一个焦点处,而君主在这里安排了一个密探,他可以把大家说的每一句话都报告给上司,所以,根本没人能够逃出去。听到这里,罪犯们都叹了一口气,还给这个山洞起名为“杰尼西亚的耳朵”。

我们都知道太阳能锅的原理就是利用凹面镜把阳光会聚到一个点上,光是一种波,声音也是一种波,所以它具有与光类似的性质,也可以用一个类似凹面镜的东西会聚在一起。如果我们将两块凹面镜相对放在相距十几米远的地方,一个人在一个镜子的前面小声说话,站在另一面镜子面前的人就可以清楚地听到说话的声音。

知道了这个原理,如果你想听到远处的同学说话,怎么做比较好呢?

【物理碰碰车】

伞形窃听器

美国最近推出了一种新型的窃听设备——伞形窃听器。远处的街上有两个人在低声交谈,远处的人听不清楚他们在说什么。 此时只要屋里的一个人打开一把大号阳伞,伞口对准窗户外说话的人,在靠近伞柄的地方,谈话声就会变得清晰起来。

根据我们前面有关声波反射的知识以及对声波聚焦的讲解,你能想出伞柄的长度是如何确定的吗?

爆炸时,这里一片寂静

电视中演战争片的时候,我们经常可以听到轰隆隆的爆炸声,但是如果真的发生了爆炸,有一块地方却是完全寂静的。当然,我们所说的这块地方不是离爆炸地点非常遥远的地方。

莫斯科近郊曾经发生了一次大爆炸,30吨炸药爆炸了。事后,经调查,在离爆炸点半径为60公里的范围内,人们听到了爆炸声。半径60到150公里范围内,人们什么也没听到。这样的情况是不是意味着,爆炸声的传播范围在60公里以内呢?答案显然不是肯定的,因为从半径150公里到300公里范围内,人们 清楚地听到了爆炸声。那么,60到150公里范围内的这段寂静区是怎么形成的呢?

其实这还是跟声音传播的性质有关。声音喜欢在温度低的地方传播。在大气下层的对流层,温度随高度的递增而降低;在较高的平流层中气温又随高度的升高而升高。而地面的温度,也有可能这里温度高,临近的另一区域温度低。在这种情况下,声音传播的路线曲曲折折。一开始,声音向上弯曲,之后又发生反射,折回到地面,到地面后又发射到高空。

如果你问,那声音不是沿着地面在传播吗?那我告诉你,声音沿着地面是传播不了的。因为俄罗斯的莫斯科郊外的地面状况很复杂,到处有山丘、树木、建筑物以及许多其他凸凹不平的障碍物。声波遇到这些障碍物,就会被完全反射或吸收。

莫斯科郊外的爆炸声,最初的时候沿着附近60公里的地面传播,之后遇到障碍物,声音被完全反射高空低温处,声波不断弯曲。在高空时,由于空气对流,密度小的热空气要上升到较冷的高空中,因此声波伴随着热空气向上拐弯,越过头顶而传到上方的冷空气中,在高空中继续向外传播。声音在高空中传播的过程中,地面上的人们当然完全听不到。

直到150公里以外,空气温度又发生了变化,地面温度变低,密度变大,声音转而弯向地面,于是150公里到300公里范围内的人们就能够听到声音了。

如此一波三折,声音传播途中就在60~150公里之间形成了一段寂静区。这种寂静区发生在平时没有多大妨碍,但若是在战场上,如果指挥员正好处于寂静区,没有听到枪响,那就十分危险了。

【物理碰碰车】下雪时,街道为什么格外安静

大雪过后总是十分寂静,很多文学家在形容雪景时也总爱用“万籁俱寂”“万籁无声”等词来形容,其实这也是有原因的。刚堆积的雪十分蓬松,雪层里有许多气孔。因为气孔都是体积大而出口小,声波通过这些气孔时会发生反射,但是气孔的小小出口会把大多数声波吸收掉,使得只有少部分声波被释放出来。所以,在人们听来,喧嚣的世界一下子就安静了许多。

“海豚男孩”的定位绝技

蝙蝠和海豚都是利用超声波来看路的,实际上它们利用的就是声波遇到障碍会被反射的原理,那么人类发出的声波能不能用来看路呢?别说,还真有这样人能做到这一点!

英国有一位4岁的小男孩就做到了这一点。他是个盲人,常常会一边走路,一边嘴里发出“咔哒咔哒”的声音!如果你在街上见到这样的小男孩,千万不要惊讶,那就是正在利用“回声定位法”来认路的奇人!

走在街上的时候,小男孩会用自己的舌头发出响亮的声音,由于声波能够被反射,所以当声波撞到前方的物体后,就会产生回声。如果耳朵特别灵敏的话,这回声就会反馈到盲人的耳朵里面,他可以通过这个回在大脑中分辨出前方遇到的障碍物是大是小、形状如何以及距离自己多远。这种方式与健全人通过眼睛看到物体的视觉处理方式差不多,只不过健全人使用光波定位法,而这个英国的小孩则是利用了“回声定位法”通过回声在大脑中形成物体的影响。这个4岁的小男孩,就是通过这种“回声定位法”摆脱了失明给自己带来的不适,实现了“畅行无阻”,因此人们都亲切地叫他“海豚男孩”,当然,如果你愿意,也可以叫他“蝙蝠男孩”。

什么?你也想尝试通过声音来“认路”?你的眼睛又没有问题,还是好好用眼睛看路吧!

【物理碰碰车】上天的回音——天坛圜丘的秘密

天坛圜丘的声学奇迹是我国古代建筑匠师的卓越创造。圜丘是三层石台,每层都有台阶,最高层离地5米多。登上台顶,站在圆心石上喊话,会觉得声音特别洪亮,这是因为台顶不是水平的,而是从中央往四周坡下去的。人们站在中央喊话,声波从栏杆上反射到台面,再从台面反射回耳边来。又因为圜丘半径较短,回声能与原声混合在一起,所以声音听起来会比平时大很多。但是站在圆心以外说话,或者站在圆心以外听起来,就没有这种感觉了。