声速与回声测距

一、 声音的传播

如图1所示，把正在发声的闹钟放在玻璃罩内，闹钟和罩的底座之间垫上柔软的泡沫塑料.逐渐抽出罩内的空气，我们将会听到闹钟的声音逐渐减小，直到消失.若再让空气逐渐进入罩内，则闹钟的声音又会逐渐增大.

以上现象说明了闹钟声音可以在空气中传播，但不能在真空中传播.正如在浩瀚的宇宙中是静寂一片，即使星际物质的相撞也都是悄无声息.

事实表明，声音必须通过一定的物质（如空气）才能传播出去，我们常把这些能传播声音的物质叫做介质.

在生活中，夏天下雨前总是先看到闪电，再听到雷声，这说明声音传播的速度比光速小，并且是可以感觉到的，人们测定在空气中传播的声速大约是每秒钟340m左右，声音在液体和固体中传播的速度要比空气中的传播速度大.下表为声音在常见介质中的传播速度：

在上述表格中，我们可以发现声音传播速度还受到温度的影响.

声音是发声体以声波的形式所进行的能量传播.一般来说，声音传播的距离越长，能量消耗就越多，倘若声波的能量全部消耗在传播途中或是声波改变方向，人的耳朵就听不到声音了.声音传播的速度与弹性介质的种类和状况关系极大，通常说的声速每秒340m，其传播介质是15℃的标准空气.事实上，我们身边的空气通常不可能是“标准”的，它的状况与各种气象要素的组合（也就是天气的状况）密不可分.

研究表明，声音的传播速度与温度是成正比的.在近地层中，当气温随高度增加而降低时，声音的传播速度随高度增加而减小，声音的射线就会向上弯曲（俗称“声音起飞了”）；反之，当气温随高度增加而升高，声音的传播速度就会随高度增加而增加，声波射线呈向下弯曲状，给人的听觉就是“声音在下沉”.

在阴雨天气的白天，空气温度相对较低，越靠近地面，空气温度越高，声音的射线向空中弯曲，因而地面上的人就不容易听到远处的声音.在天气晴朗时的傍晚，太阳落山以后，地面热量开始向空中辐射，使得在一定范围内，空气温度随着高度增加而上升，声音射线向下方弯曲，声能多半沿地面传播，能量损失小，人耳便容易听到声音.我国民间总结出的“火车叫得响，天气准是好”，便和这一规律不谋而合.基层气象工作者还把夏日傍晚的雷声大小，作为天气预报的辅助指标.

夏秋季节的中午，地面受热升温，裸地最高温度可达60℃以上，水泥、柏油路面的温度更高，相比之下，空气温度就显得较低（气温一般不会超过40℃）.所以在夏季的中午，四周环境显得非常静谧，是午休的好时机.而到了消暑纳凉的夜晚，地面早已冷却，空气温度降幅较小，声波向下弯射，所以四周声音听得较清晰，尤其在地面多为泥土的乡村，传声效果更为明朗.

二、 回声测距

声音在传播过程中存在遇到障碍物无法穿越而返回原介质的现象（类似于光的反射），反射回来的声波称为回声或回音.常见于对着山崖、高墙喊话，声波会被山崖、墙壁反射回来，再传入耳朵，我们就听到了回声.如果发出的声音经过较短的时间就回到人耳，人们往往很难分辨出原声和回声，这样的回声能起到增强原声的作用.在生活中有很多这样的应用实例，如： 露天音乐台的设计，便是让演奏产生的声音，经由后方墙面（抛物面）的反射，集中增强以后传往台前观众席.又如，建于明代的著名建筑――北京天坛的回音壁、三音石和圜丘，能产生奇特的声学现象，也是巧妙地运用了声音的反射原理，充分显示了我国劳动人民的智慧.

那么，在较小的室内听到回声的效果不好，是不是说明此时声波不发生反射呢？不是.声波遇到障碍物都会被反射，但能否听到回声跟我们的听觉特点有关系： 回声到达人耳比原来的声音滞后0.1s以上，我们才能把它们区分开.

很多动物如蝙蝠、海豚、鲸鱼等，它们生活在光线昏暗的地方，是怎样进行捕食，活动自如的？是不是它们的视力特别好，适应在这种环境下生活呢？其实它们不是靠眼来识别方位和周围物体的，而是靠自身发出的超声波来定位、识别物体的.它们在运动中，从嘴、鼻发出人听不见的声波――超声波.超声波能向着一个固定的方向快速传播，遇到障碍就会返回，被耳朵接受.根据声波返回的时间及其他方面的情况，就能判断前面有何种物体及有多远，是食物，捕捉；是障碍，躲开.

根据这个原理，人们发明了声呐（回声探测器），声呐主要应用于测量海面以下的情况.

三、 典型例题

例1 自来水工人甲在一根很长的已供水的自来水管的一端敲一下水管，工人乙在水管的另一端贴近管壁，可听到_________次敲击声.

解析 声音在不同的物质中传播速度不同.从题目中可知，“已供水的自来水管”，声音可同时在水管、水，以及空气中传播.在水管“很长”的情况下，应先后能听到三次声音，分别由水管、水以及空气传播到工人乙耳朵里.不应忽略在水管以外的空气也能同时传播声音.

例2 百米赛跑时，如果终点的计时员听见起跑点的枪声才开始计时，他计得的百米成绩是12.5s，这个成绩准确吗？为什么？

解析 百米赛跑场上记时裁判从看到发令枪冒白烟开始记时，而不是听到枪声时记时.如果听到枪声才计时，因为光速比声速大（约为声速的90万倍），光的传播时间可以忽略不计，声音传播需要一定的时间，这样就会少计了些时间，实际成绩应比12.5s多一些.因此12.5s的成绩不准.

例3 第一次测定铸铁里的声速是用下述方法进行的，在铸铁管的一端敲一下钟，在管的另一端，听到两次响声，第一次是由铸铁传来的，第二次是由空气传来的.管长931m，两次响声相隔2.5s，如果当时空气中的声速是340m/s，求铸铁中的声速.

综述

关于声音的计算题，有的是利用声音在不同介质中的传播速度解决有关声速问题，解决本类题目关键是分析造成某种现象的原因，找出各物理量之间的关系，然后列等式去解决.

也有很多题目利用回声测距、测深.分辨回声和原声的条件是回声到达人耳比原声晚0.1s以上，也就是障碍物至少离声源17m以上，我们才能够听到清晰的回声（将原声和回声分开）.因此，测得声音往返的时间，就可以计算出声源到障碍物的距离.

利用回声测量距离特别要注意时间的处理，我们测量出来的时间是声音由发出到返回来回一次所用的时间，且要关注声源在发声的同时是否也在运动（如例5）.找出在相同时间内，声音传播的距离和声源运动距离之间的关系.

注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文