"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Звуковая волна может отразиться от препятствия и вернуться к источнику — так возникает эхо. По задержке отражённого сигнала можно вычислить расстояние до стены, скалы или дна водоёма. Для этого учитывают, что звук проходит путь туда и обратно, поэтому расстояние до объекта равно половине всего пройденного пути. На этом принципе работает эхолот, который помогает измерять глубину и обнаруживать объекты под водой.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Отражение звука — возвращение звуковой волны в исходную среду при встрече с препятствием. Звук распространяется в виде колебаний частиц среды, и поверхность преграды может изменить направление волны. Поэтому часть звука способна вернуться к источнику или слушателю. Это объясняет, почему мы иногда слышим повторение собственного голоса или хлопка.
Эхо — отражённый звук, который слышен отдельно от исходного звука. Для этого между ними должна быть достаточно заметная задержка: если отражение приходит слишком быстро, слух воспринимает его вместе с исходным звуком. Эхо помогает оценивать расстояние до препятствий. Его можно услышать, например, возле скал или в большом пустом помещении.
Эхолот — прибор, который посылает звуковые импульсы и принимает их отражения. Прибор измеряет время между отправкой импульса и возвращением сигнала, а затем использует скорость звука в воде. Так определяют расстояние до объекта или глубину водоёма. В расчётах учитывают, что сигнал проходит путь до поверхности или дна и обратно.
Звук переносится волной, распространяющейся в веществе, например в воздухе или воде. Когда волна достигает границы с преградой, колебания частиц воздействуют на её поверхность. Часть энергии может передаться преграде или поглотиться, а часть — вернуться в прежнюю среду. Если отражённая волна направлена к слушателю, он может услышать исходный звук повторно.
Направление отражённой волны подчиняется закону отражения: угол отражения равен углу падения. Оба угла измеряют не от поверхности, а от перпендикуляра к ней — воображаемой линии, проведённой под прямым углом. Такое правило связано с распространением волны у границы двух областей. Оно позволяет понять, куда направится звук после встречи с преградой.
Разные поверхности отражают звук неодинаково, потому что по-разному взаимодействуют с колебаниями. Большая твёрдая стена обычно возвращает заметную часть звуковой энергии, и отражение может быть хорошо слышно. Мягкие и пористые материалы — например, ткань или рыхлый утеплитель — частично поглощают энергию. Поэтому в комнате с тяжёлыми шторами звук часто затихает быстрее, чем в пустом помещении.
Чтобы возникло различимое эхо, отражённая волна должна прийти не сразу вслед за исходной. Если задержка мала, два звука сливаются для слуха, и отдельного повторения мы не замечаем. Чем дальше находится отражающая поверхность, тем дольше звук идёт до неё и обратно. Значит, возможность услышать эхо зависит не только от материала преграды, но и от расстояния до неё.
Время между отправкой звука и возвращением отражения относится ко всему пути сигнала. Если скорость звука равна v, а время движения туда и обратно равно t, полный путь составляет vt. Чтобы найти расстояние до преграды, полный путь делят на два: s = vt/2. Половина нужна потому, что звук проходит искомое расстояние сначала в одну сторону, а затем возвращается.
| Явление или способ применения | Что происходит | Как определить расстояние |
|---|---|---|
| Отражение от преграды | Звуковая волна встречает поверхность, и часть её энергии возвращается в исходную среду. | По одному факту отражения расстояние не вычислить; нужны скорость звука и время его движения. |
| Возникновение эха | Отражённый звук возвращается с задержкой и слышится отдельно от исходного. | Измеряют задержку и находят расстояние по формуле s = vt/2. |
| Определение расстояния по времени возвращения звука | Сигнал проходит до объекта и отражается обратно к приёмнику. | Вычисляют полный путь vt и делят его на два. |
| Эхолот и измерение глубины | Прибор посылает импульс в воду и принимает отражение от дна или подводного объекта. | Умножают скорость звука в воде на время возвращения сигнала и делят результат на два. |
В таблице сначала определите, какое явление или устройство описано, а затем найдите, какие данные нужны для вычисления расстояния. Во всех измерениях по задержке сигнала проверяйте, относится ли указанное время к пути туда и обратно. Для эхолота также выбирайте скорость звука в воде, а не в воздухе.
Задача 1. После хлопка эхо вернулось через 2 с. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с. Найдите расстояние до отражающей поверхности. Данные задачи: t = 2 с, v = 340 м/с. Нужно найти расстояние от человека до преграды, а не весь путь звуковой волны.
Ответ: отражающая поверхность находится на расстоянии 340 м. Деление на два показывает, что до преграды звук прошёл только половину измеренного пути.
Задача 2. Эхолот зарегистрировал отражённый сигнал через 0,8 с после посылки. Скорость звука в воде равна 1500 м/с. Определите глубину. Здесь t = 0,8 с — время полного пути сигнала, а глубина является расстоянием до дна в одну сторону.
Ответ: глубина водоёма равна 600 м. Скорость взята для воды, потому что сигнал распространялся именно в этой среде.
Задача 3. Человек находится между двумя скалами. Эхо от первой скалы вернулось через 1,2 с, а от второй — через 1,8 с. Скорость звука равна 340 м/с. Найдите расстояния до скал. Каждое время относится к отдельному путешествию звука туда и обратно, поэтому расстояния вычисляем независимо.
Ответ: до первой скалы 204 м, до второй — 306 м. При проверке важно не объединять времена: каждое эхо позволяет найти расстояние до своей скалы.
Первая ошибка — не делить полный путь звука на два. Её допускают, когда принимают путь туда и обратно за расстояние до препятствия. Для проверки нарисуйте маршрут сигнала: от человека к преграде и назад; искомое расстояние занимает только половину маршрута.
Вторая ошибка — считать, что эхо обязательно слышно от любой поверхности. Отражённый сигнал может оказаться слабым из-за поглощения или слиться с исходным из-за слишком малой задержки. Проверьте, достаточно ли поверхность отражает звук и есть ли заметное время между двумя звуками.
Третья ошибка — принять время возвращения сигнала за время движения только до препятствия. Обычно секундомер или прибор измеряет интервал от посылки до приёма отражения, то есть путь в обе стороны. Сверьте, какое именно время дано в условии, и только затем подставляйте его в формулу.
Четвёртая ошибка — использовать скорость звука в воздухе при измерениях в воде или другой среде. Скорость зависит от вещества, в котором распространяется волна, поэтому такая подстановка даст неверный результат. Перед вычислением выпишите среду и проверьте, что выбранная скорость относится именно к ней.
Для понимания отражения звука нужно знать, что звук распространяется в среде с определённой скоростью и проходит путь за время. Поэтому тема опирается на формулу равномерного движения: путь равен произведению скорости на время. Она также связана с отражением и распространением волн: поведение звука у преграды подчиняется общим волновым закономерностям. Эти знания пригодятся при изучении эхолокации и работы эхолотов. В задачах важно согласовывать единицы времени и скорости.
Почему мы слышим эхо?
Звуковая волна отражается от преграды и возвращается к слушателю. Если отражённый звук приходит с задержкой и не сливается с исходным, мы слышим его отдельно — как эхо.
Почему эхо слышно не от каждой стены?
Поверхности по-разному отражают звук: твёрдые и большие обычно отражают его заметнее, а мягкие и пористые материалы поглощают часть энергии. Кроме того, отражённый звук может быть слишком слабым или прийти почти одновременно с исходным.
Какое расстояние должно быть до преграды, чтобы появилось эхо?
Для отдельного восприятия отражённый звук должен прийти с заметной задержкой — обычно примерно через 0,1 с после исходного. При скорости звука в воздухе около 340 м/с это соответствует расстоянию до преграды примерно 17 м, поскольку звук проходит путь туда и обратно.
Почему при расчёте расстояния по эху нужно делить результат на два?
Измеренное время относится ко всему путешествию звука: от источника до преграды и обратно. Поэтому произведение скорости звука на время даёт полный путь, а расстояние до объекта составляет его половину.
Как эхолот определяет глубину водоёма?
Эхолот посылает звуковой импульс вниз и измеряет время до возвращения его отражения от дна. Зная скорость звука в воде, прибор находит полный путь сигнала, а затем делит его пополам: звук прошёл глубину дважды.
19. Отражение звука. Эхо
