"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Звук отражается от препятствий и возвращается в среду, где распространялся. Если отражённая волна приходит к слушателю с заметной задержкой, её можно услышать отдельно — это эхо. По времени возвращения звука определяют расстояние до преграды или глубину водоёма. Этот принцип используют эхолокация и эхолоты. Главное в расчётах — помнить, что сигнал проходит путь туда и обратно, поэтому расстояние до объекта равно половине полного пути.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Отражение звука — это возвращение звуковой волны в среду, из которой она пришла, после встречи с препятствием. Часть энергии волны при этом может поглотиться или пройти дальше, а часть — отразиться. Понимание отражения помогает объяснить, почему звук можно услышать после его столкновения со стеной или другим объектом.
Эхо — отражённый звук, который человек слышит отдельно от первоначального звука. Это происходит, если отражённая волна возвращается с достаточно большой задержкой, чтобы слух успел различить два звука. Поэтому само наличие отражения ещё не означает, что мы услышим отдельное эхо.
Эхолокация — способ обнаружить объект или определить расстояние до него по отражённому звуковому сигналу. Для этого источник посылает звук, а затем принимается сигнал, вернувшийся от объекта. Такой способ полезен там, где объект трудно увидеть, например под водой.
Эхолот — прибор, который измеряет глубину с помощью звукового сигнала, отражённого от дна. Прибор фиксирует время между отправкой сигнала и приёмом эха, а затем рассчитывает путь волны. Поскольку звук проходит от прибора ко дну и обратно, для нахождения глубины учитывают половину этого пути.
Звуковая волна распространяется в среде и при встрече с препятствием взаимодействует с его поверхностью. Часть энергии может перейти в колебания материала и рассеяться, а часть возвращается в исходную среду — так возникает отражённый звук. Твёрдые и гладкие поверхности обычно отражают его лучше, потому что меньше энергии поглощают внутри себя. Мягкие и пористые материалы, напротив, ослабляют отражение: звук проникает в их структуру и теряет часть энергии.
Отражённый звук достигает слушателя позже исходного, потому что ему нужно пройти дополнительный путь до препятствия и обратно. Если задержка мала, два звука воспринимаются слитно, а если она достаточно велика — первоначальный звук и его отражение можно различить. Для этого нужны препятствие, которое отражает заметную часть звуковой энергии, и такая дистанция, чтобы возвращение не оказалось почти мгновенным. Поэтому в просторном пустом помещении эхо заметнее, чем в маленькой комнате с мягкой мебелью.
При отражении сигнал проходит не только расстояние от источника до препятствия, но и такое же расстояние обратно к слушателю или приёмнику. Поэтому полный путь волны вдвое превышает расстояние до преграды, если источник и приёмник находятся рядом. В расчётах это учитывают, даже если спрашивают только расстояние в одну сторону. Игнорирование обратного пути приводит к ответу, вдвое большему правильного.
Чтобы определить расстояние до преграды, измеряют время между отправкой звука и возвращением эха. За это время волна проходит полный путь, который находят по формуле l = vt, где v — скорость звука в среде, а t — время движения туда и обратно. Тогда расстояние до объекта равно половине полного пути: s = vt/2. Важно использовать скорость звука именно в той среде, где распространяется сигнал.
Эхолокация основана на том, что звук отражается от объекта и возвращается к источнику или приёмнику. По задержке между посылкой сигнала и его приёмом можно вычислить расстояние, если известна скорость звука. Эхолот применяет тот же принцип для измерения глубины: он направляет сигнал ко дну и принимает отражённую волну. Зная скорость звука в воде и время возвращения, прибор находит расстояние до дна, разделив полный путь на два.
| Явление или применение | Что происходит | Что можно определить или наблюдать |
|---|---|---|
| Отражение звука | Волна встречает препятствие, и часть её возвращается в среду. | Можно наблюдать возвращение звука от поверхности. |
| Эхо | Отражённый звук приходит с задержкой и слышится отдельно. | Можно услышать повтор исходного звука. |
| Эхолокация | Посланный звук отражается от объекта и принимается обратно. | Определяют наличие объекта или расстояние до него. |
| Эхолот | Прибор посылает сигнал ко дну и принимает отражённое эхо. | Измеряют глубину водоёма. |
Таблица показывает, как одно явление — отражение звука — связано с его слышимым проявлением и практическими применениями. Сначала определите, о чём идёт речь: о самом отражении, слышимом эхо или измерительном приборе. Затем сопоставьте процесс с тем, что по нему можно узнать.
Задача 1. Человек хлопнул в ладоши рядом с большой стеной и услышал отдельный повтор звука. Объяснить, почему возникло эхо. Нужно связать наблюдение с отражением звуковой волны и задержкой её возвращения. Отдельный повтор означает, что исходный и отражённый звуки не слились для слуха.
Ответ: эхо возникло из-за отражения звука от стены; возвращённая волна пришла с задержкой и была услышана отдельно.
Задача 2. Эхо от стены вернулось через 0,8 с. Найти расстояние до стены, если скорость звука равна 340 м/с. Время 0,8 с относится к полному пути: от человека до стены и обратно. Поэтому сначала найдём длину всего пути, а затем разделим её пополам.
Ответ: расстояние до стены равно 136 м. Проверка: на путь туда и обратно звук затратил 0,8 с, значит за это время он прошёл 272 м — вдвое больше расстояния до стены.
Задача 3. Эхолот послал сигнал ко дну и получил отражение через 0,12 с. Определить глубину, если скорость звука в воде равна 1500 м/с. Указанное время охватывает движение сигнала вниз и обратно к прибору. Для глубины нужно найти только путь в одну сторону.
Ответ: глубина равна 90 м. Использована скорость звука в воде, поскольку сигнал распространялся именно в этой среде, а не в воздухе.
При расчёте расстояния до препятствия иногда принимают весь путь эха за расстояние в одну сторону. Так происходит, если забыть, что сигнал после отражения возвращается к источнику или слушателю. В результате ответ оказывается вдвое больше правильного. Проверьте себя: измеренное время должно соответствовать пути туда и обратно, а расстояние до препятствия должно быть в два раза меньше этого пути.
Другая ошибка — использовать формулу s = vt без деления на два, хотя в условии дано время возвращения эха. Формула даёт полный путь за это время, а не расстояние до преграды. Чтобы не перепутать величины, подпишите, что именно обозначает найденный путь, и только затем переходите к ответу. Удобная проверка — представить маршрут сигнала: к объекту и назад.
Нельзя подставлять скорость звука, не проверив среду распространения. Скорость в воде отличается от скорости в воздухе, поэтому неверно выбранное значение приводит к неправильному результату, даже если вычисления выполнены точно. Сначала определите, где движется сигнал, и возьмите скорость для этой среды. Следите также, чтобы скорость была выражена в метрах в секунду, а время — в секундах.
Не всякое отражение слышится как отдельное эхо. Если возвращённый звук приходит почти сразу, слух сливает его с исходным, и человек может заметить лишь изменение звучания. Ошибка возникает, когда отражение автоматически называют слышимым эхом. Проверьте, есть ли заметная задержка и различаются ли два звука на слух; без этого отдельное эхо не возникает.
Для понимания отражения звука нужно знать, что звук распространяется в среде с определённой скоростью. Также пригодится связь пути, скорости и времени: l = vt. Эти знания позволяют перейти от времени возвращения эха к расстоянию до преграды, не смешивая полный путь волны с расстоянием в одну сторону.
Отражение звука — частный случай отражения механических волн, поэтому тема помогает понять поведение волн при встрече с препятствиями. Практическое применение этого явления — эхолокация и измерение глубины эхолотом. Идея одна: послать волну, принять её отражение и по времени возвращения сделать вывод об объекте.
Почему эхо слышно не сразу?
Звуку нужно время, чтобы дойти до преграды, отразиться от неё и вернуться к слушателю. Чем дальше находится препятствие, тем больше задержка.
Почему в некоторых помещениях эхо выражено сильнее?
В больших помещениях звук успевает отразиться от стен и вернуться с заметной задержкой. Твёрдые гладкие поверхности хорошо отражают звук, а мягкие и пористые материалы в основном поглощают его.
Как узнать расстояние до преграды по времени возвращения эха?
Нужно умножить скорость звука в данной среде на время между отправкой сигнала и возвращением эха. Полученный путь делят на два: звук прошёл его до преграды и обратно.
Почему при расчёте расстояния нужно делить путь на два?
Измеренное время относится ко всему пути сигнала: от источника до преграды и назад. Чтобы получить только расстояние до преграды, полный путь делят на два.
Как эхолот определяет глубину?
Эхолот посылает звуковой сигнал ко дну и измеряет время до возвращения отражённого сигнала. Умножив это время на скорость звука в воде и разделив результат на два, прибор получает глубину.
19. Отражение звука. Эхо
