"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Звуковая волна может отразиться от препятствия и вернуться к источнику или слушателю. Благодаря этому возникают эхо и реверберация, а по времени возвращения сигнала можно определить расстояние до объекта. Отражение используют эхолоты, а поглощение звука помогает уменьшать шум в помещениях. Главное в расчётах — помнить, что сигнал проходит путь до препятствия и обратно, поэтому расстояние до него равно половине всего пути.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Отражение звука — возвращение звуковой волны от границы раздела сред или препятствия. Достигнув такой границы, волна не всегда прекращает распространяться: часть её энергии может вернуться в прежнюю среду. Это понятие помогает объяснить эхо, работу эхолота и поведение звука в комнате.
Эхо — повторное восприятие звука, вызванное его отражением от удалённого препятствия. От исходного звука оно отличается заметной задержкой, поэтому слух воспринимает его как отдельное повторение. Эхо используют, например, чтобы определить расстояние до поверхности по времени возвращения звука.
Реверберация — многократное отражение звука, при котором отдельные отражённые звуки сливаются с исходным. Вместо ясного повтора возникает впечатление, что звук продолжается и постепенно затихает. Это понятие важно при оценке звучания залов и выборе материалов для стен.
Эхолокация — определение расстояния или положения объекта по времени возвращения отражённого звука. Сигнал посылают к объекту, а затем принимают его отражение. Если известны скорость звука и время полного пути, можно вычислить расстояние до объекта.
Источник создаёт звуковую волну, которая распространяется в среде и переносит энергию. Когда волна достигает препятствия или границы двух сред, часть энергии может отразиться и пойти обратно, а другая часть — поглотиться или пройти дальше. Поэтому возвращённый звук обычно слабее исходного. Именно возвращение волны позволяет услышать эхо или зарегистрировать сигнал прибором.
Способность поверхности отражать звук зависит от её материала и строения. Твёрдая гладкая поверхность мало поглощает звуковую энергию, поэтому заметная её часть возвращается в комнату. Мягкие пористые материалы, например ткань или специальная акустическая облицовка, содержат промежутки, в которых энергия звуковых колебаний ослабляется. Поэтому такие материалы уменьшают отражения, шум и эхо, а не усиливают их.
Направление отражённой волны зависит от того, под каким углом она подошла к поверхности. Для гладкой поверхности действует правило: угол отражения равен углу падения; оба угла отсчитывают от перпендикуляра к поверхности. Из-за этого звук можно направить в определённую сторону отражающей поверхностью, если заранее выбрать её положение. Неровная поверхность отражает волны в разные стороны, поэтому отражённый звук рассеивается.
Эхо слышно отдельно лишь тогда, когда отражённый звук приходит с заметной задержкой. Если задержка мала, слух не успевает различить два звука, и они сливаются; при многочисленных отражениях возникает реверберация. Для раздельного восприятия часто принимают минимальную задержку 0,1 с. За это время звук проходит путь туда и обратно, поэтому при скорости 340 м/с расстояние до препятствия должно быть не меньше 340 · 0,1 / 2 = 17 м.
При эхолокации прибор посылает звуковой сигнал и измеряет время до возвращения отражения. Так можно найти расстояние до объекта, если известна скорость звука в среде: полный путь равен vt, а расстояние в одну сторону — vt/2. Этот принцип используют эхолоты для измерения глубины и обнаружения объектов под водой. В помещениях отражения могут помогать сделать звучание более полным, но чрезмерная реверберация мешает разбирать речь, поэтому для её уменьшения применяют звукопоглощающие материалы.
В таблице сопоставлены причины разных явлений и то, как человек или прибор использует отражённый звук. Чтобы различить эхо и реверберацию, обратите внимание на задержку: при эхо слышен отдельный повтор, а при реверберации звук тянется и затихает. В строках об эхолокации и звукоизоляции отражение помогает либо измерять расстояние, либо контролировать звучание помещения.
| Явление или применение | Причина возникновения | Как воспринимается или используется | Пример |
|---|---|---|---|
| Эхо | Однократное отражение от удалённой поверхности | Повторение исходного звука через промежуток времени | Отражение крика от скалы |
| Реверберация | Многократные отражения в помещении | Продление и усиление звучания без отчётливого повтора | Звучание в пустом зале |
| Эхолокация | Измерение времени возвращения отражённого сигнала | Определение расстояния до объекта | Работа эхолота |
| Звукоизоляция | Поглощение или ослабление отражённых звуков | Уменьшение шума и эха | Облицовка стен звукопоглощающими материалами |
Перед вычислениями полезно определить, что именно измерено: время прохождения сигнала только в одну сторону или время до возвращения отражения. В задачах на эхо и эхолокацию дано время полного пути, поэтому расстояние до препятствия вдвое меньше пройденного звуком пути. Скорость нужно брать для той среды, где распространяется сигнал.
Крикнув у скалы, человек услышал эхо через 2 с. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с. Требуется определить расстояние от человека до скалы. Время относится к движению звука к скале и обратно, а не к одному пути.
Ответ: 340 м.
Раздельное восприятие возможно при задержке не менее 0,1 с, скорость звука равна 340 м/с. Требуется найти минимальное расстояние до стены. Сначала определим путь, который звук успевает пройти за минимальное время, затем учтём возвращение сигнала.
Ответ: минимальное расстояние — 17 м.
С корабля послали звуковой сигнал вертикально вниз, а отражённый сигнал приняли через 0,8 с. Скорость звука в воде равна 1500 м/с. Нужно найти глубину моря. Поскольку сигнал отразился от дна и вернулся, заданное время включает оба участка пути.
Ответ: глубина моря равна 600 м.
Считают расстояние равным vt. Так получают весь путь звука, хотя при измерении эха сигнал проходит до препятствия и обратно. Ошибка возникает, если забыть, что отражение возвращается к источнику. Проверьте себя вопросом: измеренное время охватывает один участок или оба; для эха расстояние находят по формуле s = vt/2.
Называют любое отражение эхом. Отражение может вернуться слишком быстро, чтобы слух отделил его от исходного звука. Тогда отдельного повтора нет, а при многих отражениях возникает реверберация. Чтобы проверить ответ, сравните задержку со временем, необходимым для раздельного восприятия; в задачах оно может быть задано.
Подставляют скорость звука в воздухе для сигнала в воде или другом материале. Скорость зависит от среды, поэтому одинаковое время в разных средах соответствует разным пройденным путям. Ошибка часто возникает из-за того, что значение 340 м/с запоминают как универсальное. Сначала укажите среду распространения, затем выберите соответствующую скорость из условия.
Путают поглощение и отражение. Мягкие пористые материалы обычно ослабляют звук, поглощая часть его энергии, а не отражают его сильнее. Их иногда принимают за отражатели, потому что они закрывают стену, но назначение звукопоглощающей облицовки другое. Проверьте себя: если материал должен уменьшить шум и эхо, он должен поглощать звук.
Для понимания отражения нужно знать, что звук — механическая волна: он распространяется в среде с конечной скоростью и может пройти путь от источника до приёмника. При решении задач используются формула пути равномерного движения s = vt и перевод единиц времени и расстояния. Тема связана с волновыми явлениями и практическими способами управления звуком в помещениях. Тот же принцип возвращения сигнала применяют эхолоты и приборы медицинской ультразвуковой диагностики.
Почему мы слышим эхо не от любой стены?
Отражённый звук должен вернуться с достаточно большой задержкой, чтобы ухо успело отделить его от исходного. Близкая стена возвращает звук почти сразу, поэтому он сливается с исходным и не воспринимается как отдельное эхо.
Почему в пустой комнате звук звучит дольше, чем в комнате с мебелью и шторами?
В пустой комнате звук многократно отражается от стен, пола и потолка, продолжая звучать после окончания исходного сигнала. Мебель и шторы частично поглощают звуковую энергию, поэтому отражённых звуков становится меньше, а звучание затихает быстрее.
Почему при расчёте расстояния до препятствия нужно делить результат на два?
Измеренное время относится ко всему пути звука: от источника до препятствия и обратно. Путь в одну сторону, то есть расстояние до препятствия, равен половине общего пути: s = vt/2.
Можно ли услышать эхо под водой?
Да, звук отражается и под водой, а возвращённый сигнал может быть услышан или зарегистрирован прибором. Для измерений используют скорость звука именно в воде, которая отличается от скорости в воздухе.
Как с помощью отражения звука измеряют глубину моря?
С корабля посылают звуковой сигнал вниз и измеряют время до возвращения отражения от дна. Зная скорость звука в воде, находят весь путь сигнала по формуле vt, а глубину получают, разделив его на два.
§ 46. Отражение звука
