聲音“碰壁”的妙用

華慶富

無論是步入窗明幾凈的教室，還是走進裝修一新的新房，在太陽光或者燈光的照射下，窗戶玻璃、地板磚都會顯得閃亮耀眼。此時此刻你想到的一定是“光的反射”這四個字。不過當你走進高大寬敞的地下車庫或地下防空設施時，有時會聽到自己說話的回聲，此時你會不會想到“聲音的反射”呢？

聲音和光有著同樣的反射現象，規律也非常相似，并且也是一種常見的現象。請你回憶一下夏天雷雨將至時的情景，漫天的烏云如同馬群一樣在高空中飛速奔跑，一陣陣雷聲連綿不斷地傳到你的耳朵里，或許膽小的人還會邊驚叫邊急忙用雙手捂住耳朵呢！實際上一次閃電只應該伴有一次雷聲，因為閃電和雷聲是同時發生的，但是當你看到一次閃電之后，為什么卻能間隔地聽到幾次雷聲呢？原因很簡單，和閃電一起產生的那一聲雷聲，在向你傳播的過程中，會遇到不同的云塊，于是雷聲就在不同的云塊上發生多次反射。因為云塊與你的角度不一樣，所以反射過來的聲音到達你耳朵的時間也是不一樣的，于是見證奇跡的時刻到了：明明是一次雷聲，卻搖身一變成了連綿不斷的雷聲！下面我們就一起探究一下聲音的反射現象吧！

在家里找出兩把傘，我們一起來做一個關于“反射聚音”的實驗。如圖1所示，在右邊傘的A點掛一塊機械手表，當你的耳朵位于左邊沒有放傘的B點時，是聽不到表針走動的聲音的。可是如果你把另一把傘放在左邊圖示位置后，再次將耳朵放到B點，你就會驚訝地發現，這一次竟然聽到了手表的嘀嗒聲！

原因是這樣的：聲音在傳播過程中遇到障礙物時，與光一樣會被反射回來，這在物理學上叫回聲，而回聲產生的原理與光學中反射現象的原理類似。聲音傳播時，是通過波的形式以聲源為球心向四周空間傳播，聲音的能量很快分散開，離聲源越遠，響度越小。以光的反射現象中凹面鏡對光的會聚作用為例來說，聲音在遇到凹面鏡一樣的A傘面時，不但能被傘面反射，而且反射時也能聚起來，變成平行向傘B傳播的聲波，這部分聲波到達傘面后，又被凹面鏡一樣的傘面二次反射，此次反射的結果使得平行傳播的聲波匯聚在類似于凹面鏡焦點的B點，這樣一來原本已經被會聚過一次的聲音再次被更大程度地會聚，于是A點發出的分散的聲音能量又集中了起來，而B點就是能量集中點，耳朵在此點聽到的聲音響度便變大了。

找一個細長光滑的飲料瓶，切掉頸部以上部分，在剩下的圓筒內墊上一層棉布之類的松軟物體，在此物體上放一塊機械表，耳朵靠近圓筒口正上方10cm處，能清晰地聽見表針走動的聲音。接下來如果將耳朵水平移動離開圓筒口一段距離后，到達如圖2（甲）所示位置，此時恰好聽不見表針走動的聲音。這是因為表針走動的聲音沿著豎直的圓筒向上傳播了，所以沒有聲音傳播到耳中，當然就聽不到聲音了。如果我們再在圓筒口正上方10cm處安放一塊平面鏡，仔細調整平面鏡的角度，直到眼睛能從鏡子里看到表，如圖2（乙）所示，此時耳朵又能清晰地聽見表的指針轉動的聲音，說明聲音能像光一樣反射！

我們還可以利用這個裝置探究聲音的反射效果與反射面材料的關系。只要用其他材料（比如海綿板代替平面鏡），就會發現聽見的聲音明顯減弱，這說明海綿板吸收聲音的能力強于玻璃板，而反射聲音的能力弱于玻璃板。這又與光的反射規律相似：玻璃板光滑，海綿板粗糙，因此玻璃板發生鏡面反射，聲音大（光線強），海綿板發生漫反射，聲音小（光線弱）。

圖3所示的是馳名中外的北京天壇，它是明清兩代皇帝祈谷、祈雨、祈天的地方。當人站在圓形圍墻內附近說話時，可以在圍墻的任何位置聽到。這是因為聲音經過圓形圍墻的多次反射，可以沿著圓形圍墻到達墻的任何一個地方！

如圖4所示，人站在天壇的圜丘半徑為11.5m的中央臺上說話，會感到聲音特別洪亮。原因是這樣的：圜丘第三層臺面實際并不平，臺面中心略高，四周微微向下傾斜，人在臺中心喊叫一聲，傳向四周的聲音有一部分被四周的石欄桿反射，射到稍有傾斜的臺面后又反射到臺中心。而圜丘第三層半徑僅11.5m，從發聲到回聲返回中心所需時間只有0.068秒，所以回聲跟原來的聲音混在一起，分辨不清，只覺得聲音格外響亮，并且還會使人覺得似乎有聲音從地下傳來。

1.測量距離。科學家在南極洲發現了一個隕石凹坑，形狀如圓形平底鍋，如圖5所示，科學家請小明在圓心A點大喊一聲，同時測量出4秒后聽到回聲，于是他們經過一番計算后確認，該圓坑直徑為1360m！神奇嗎？說穿了其中的道理就不神奇了！因為空氣中聲速為340m/s，聲音從A點到凹坑壁再到A點傳播路程等于圓坑半徑的2倍（直徑），即直徑d=s=vt=340m/s×4s=1360m。

2.測速。周末，小明爸爸開車帶小明到郊外游玩。當小汽車進入超聲波測速儀監控區域時，測速儀每隔1s發出一次信號，如圖6所示。測速儀從第一次發出信號到接收該信號用時0.4s，從第二次發出信號到接收該信號用時0.3s。據此測速儀就能計算出小汽車的速度！

3.超聲波指紋識別。自從手機上使用指紋識別以來，指紋識別技術已經成為智能手機上的標配。最近科學家又開發了一種新的指紋識別技術——超聲波指紋識別。如何利用超聲波識別指紋？如圖7所示，放大手指局部可以發現，其表面是凹凸不平的。將手指按在超聲指紋識別系統上，系統發出超聲波遇到手指上A、B、C、D、E 5個位置，測得回收信號的時間分別為0.30ms、0.36ms、0.30ms、0.36ms、0.26ms。由s=vt可知，速度一定時，時間越長通過的路程越遠，因為0.36ms>0.30ms>0.26ms，所以sB=sD>sA=sC>sE，即B、D到系統的距離是相同的（最遠），而離系統最近的是E，A、C在中間且與系統的距離相等，因此，該指紋的形狀如圖7所示。系統將此圖與存儲的指紋進行比對，就能識別出其主人是誰了。

（編輯 文 墨）