声音“碰壁”的妙用

华庆富

无论是步入窗明几净的教室，还是走进装修一新的新房，在太阳光或者灯光的照射下，窗户玻璃、地板砖都会显得闪亮耀眼。此时此刻你想到的一定是“光的反射”这四个字。不过当你走进高大宽敞的地下车库或地下防空设施时，有时会听到自己说话的回声，此时你会不会想到“声音的反射”呢？

声音和光有着同样的反射现象，规律也非常相似，并且也是一种常见的现象。请你回忆一下夏天雷雨将至时的情景，漫天的乌云如同马群一样在高空中飞速奔跑，一阵阵雷声连绵不断地传到你的耳朵里，或许胆小的人还会边惊叫边急忙用双手捂住耳朵呢！实际上一次闪电只应该伴有一次雷声，因为闪电和雷声是同时发生的，但是当你看到一次闪电之后，为什么却能间隔地听到几次雷声呢？原因很简单，和闪电一起产生的那一声雷声，在向你传播的过程中，会遇到不同的云块，于是雷声就在不同的云块上发生多次反射。因为云块与你的角度不一样，所以反射过来的声音到达你耳朵的时间也是不一样的，于是见证奇迹的时刻到了：明明是一次雷声，却摇身一变成了连绵不断的雷声！下面我们就一起探究一下声音的反射现象吧！

在家里找出两把伞，我们一起来做一个关于“反射聚音”的实验。如图1所示，在右边伞的A点挂一块机械手表，当你的耳朵位于左边没有放伞的B点时，是听不到表针走动的声音的。可是如果你把另一把伞放在左边图示位置后，再次将耳朵放到B点，你就会惊讶地发现，这一次竟然听到了手表的嘀嗒声！

原因是这样的：声音在传播过程中遇到障碍物时，与光一样会被反射回来，这在物理学上叫回声，而回声产生的原理与光学中反射现象的原理类似。声音传播时，是通过波的形式以声源为球心向四周空间传播，声音的能量很快分散开，离声源越远，响度越小。以光的反射现象中凹面镜对光的会聚作用为例来说，声音在遇到凹面镜一样的A伞面时，不但能被伞面反射，而且反射时也能聚起来，变成平行向伞B传播的声波，这部分声波到达伞面后，又被凹面镜一样的伞面二次反射，此次反射的结果使得平行传播的声波汇聚在类似于凹面镜焦点的B点，这样一来原本已经被会聚过一次的声音再次被更大程度地会聚，于是A点发出的分散的声音能量又集中了起来，而B点就是能量集中点，耳朵在此点听到的声音响度便变大了。

找一个细长光滑的饮料瓶，切掉颈部以上部分，在剩下的圆筒内垫上一层棉布之类的松软物体，在此物体上放一块机械表，耳朵靠近圆筒口正上方10cm处，能清晰地听见表针走动的声音。接下来如果将耳朵水平移动离开圆筒口一段距离后，到达如图2（甲）所示位置，此时恰好听不见表针走动的声音。这是因为表针走动的声音沿着竖直的圆筒向上传播了，所以没有声音传播到耳中，当然就听不到声音了。如果我们再在圆筒口正上方10cm处安放一块平面镜，仔细调整平面镜的角度，直到眼睛能从镜子里看到表，如图2（乙）所示，此时耳朵又能清晰地听见表的指针转动的声音，说明声音能像光一样反射！

我们还可以利用这个装置探究声音的反射效果与反射面材料的关系。只要用其他材料（比如海绵板代替平面镜），就会发现听见的声音明显减弱，这说明海绵板吸收声音的能力强于玻璃板，而反射声音的能力弱于玻璃板。这又与光的反射规律相似：玻璃板光滑，海绵板粗糙，因此玻璃板发生镜面反射，声音大（光线强），海绵板发生漫反射，声音小（光线弱）。

图3所示的是驰名中外的北京天坛，它是明清两代皇帝祈谷、祈雨、祈天的地方。当人站在圆形围墙内附近说话时，可以在围墙的任何位置听到。这是因为声音经过圆形围墙的多次反射，可以沿着圆形围墙到达墙的任何一个地方！

如图4所示，人站在天坛的圜丘半径为11.5m的中央台上说话，会感到声音特别洪亮。原因是这样的：圜丘第三层台面实际并不平，台面中心略高，四周微微向下倾斜，人在台中心喊叫一声，传向四周的声音有一部分被四周的石栏杆反射，射到稍有倾斜的台面后又反射到台中心。而圜丘第三层半径仅11.5m，从发声到回声返回中心所需时间只有0.068秒，所以回声跟原来的声音混在一起，分辨不清，只觉得声音格外响亮，并且还会使人觉得似乎有声音从地下传来。

1.测量距离。科学家在南极洲发现了一个陨石凹坑，形状如圆形平底锅，如图5所示，科学家请小明在圆心A点大喊一声，同时测量出4秒后听到回声，于是他们经过一番计算后确认，该圆坑直径為1360m！神奇吗？说穿了其中的道理就不神奇了！因为空气中声速为340m/s，声音从A点到凹坑壁再到A点传播路程等于圆坑半径的2倍（直径），即直径d=s=vt=340m/s×4s=1360m。

2.测速。周末，小明爸爸开车带小明到郊外游玩。当小汽车进入超声波测速仪监控区域时，测速仪每隔1s发出一次信号，如图6所示。测速仪从第一次发出信号到接收该信号用时0.4s，从第二次发出信号到接收该信号用时0.3s。据此测速仪就能计算出小汽车的速度！

3.超声波指纹识别。自从手机上使用指纹识别以来，指纹识别技术已经成为智能手机上的标配。最近科学家又开发了一种新的指纹识别技术——超声波指纹识别。如何利用超声波识别指纹？如图7所示，放大手指局部可以发现，其表面是凹凸不平的。将手指按在超声指纹识别系统上，系统发出超声波遇到手指上A、B、C、D、E 5个位置，测得回收信号的时间分别为0.30ms、0.36ms、0.30ms、0.36ms、0.26ms。由s=vt可知，速度一定时，时间越长通过的路程越远，因为0.36ms>0.30ms>0.26ms，所以sB=sD>sA=sC>sE，即B、D到系统的距离是相同的（最远），而离系统最近的是E，A、C在中间且与系统的距离相等，因此，该指纹的形状如图7所示。系统将此图与存储的指纹进行比对，就能识别出其主人是谁了。

（编辑 文 墨）