声波反射、折射和衍射的实验结果

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：声波的这种反射和透射现象也是声波传播的一个重要特征。入射波与反射波的方向满足下列关系式：图3-3-2声波的反射和折射式中c1、c2分别表示声波在媒质一和媒质二中的声速。在自然界中，声源发出的声音，在传播中遇到山崖和高墙等障碍物时，一部分声波就会因为声波的反射返回原处。透入媒质二中的折射线与界面法线的夹角为θ2，称为折射角。这种现象是由声波的衍射所造成的。衍射现象与声波的频率、波长及障碍物的尺寸有关。

声波在传播过程中常会遇到各种各样的“障碍物”。例如，声波从一种媒质进入另一种媒质时，第二种媒质对前一种媒质所传的声波来说就是一种障碍物。众所周知，当投掷一个物体时，物体碰到一块挡板以后就会弹回来；但是如果在声的传播路径上放置一块挡板，一般来说，会有一部分声波反射回来，同时也有一部分声波会透射过去。例如，一垛普通的砖墙既可以隔掉部分声音，但又不能把全部的声音都隔掉；一垛木板墙将有更多的声音透射进去。声波的这种反射和透射现象也是声波传播的一个重要特征。

（一）声波的反射

当声波从媒质一中入射到与媒质二的分界面时，在分界面上一部分声波能反射回媒质一中，其余部分穿过分界面，在媒质二中继续向前传播，前者是反射现象，后者是折射现象，如图3-3-2所示。由图中看到，从媒质一向分界面传播的入射线与界面法线的夹角为θ，称为入射角；从界面上反射回媒质一中的反射线与界面法线的夹角为θ1，称为反射角。入射波与反射波的方向满足下列关系式：

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图3-3-2　声波的反射和折射

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式中c1、c2分别表示声波在媒质一和媒质二中的声速。由上式看出，入射角与反射角相等。图3-3-2中，ρ1、ρ2分别表示媒质一和媒质二的密度；ρc为声阻抗率（特性阻抗）。

理论和实验研究证明，当两种媒质的声阻抗率接近时，即ρ1c1=ρ2c2，声波几乎全部由第一种媒质进入第二种媒质，全部透射出去；当第二种媒质的声阻抗率远远大于第一种媒质的声阻抗率时，即ρ1c1≫ρ2c2，声波大部分都会被反射回去，透射到第二种媒质的声波能量是很少的。

在自然界中，声源发出的声音，在传播中遇到山崖和高墙等障碍物时，一部分声波就会因为声波的反射返回原处。如果在悬崖空谷中或森林附近发声，常会听到声波反射返回的音响，这就是回声。我们对于声音的感觉通常能保持十分之一秒的时间，如果回声是在直接听到声音的感觉消失以后，才传到耳朵里，那么我们就能够把回声跟原来的声音区分开。空气中声速约为340 m/s，声波从某人发出到由障碍物再反射回来所经历的全部时间，按上述至少是十分之一秒，那么该人离开障碍物至少要17 m远，才能把原声和回声区分开来。如果某人离障碍物很近（17 m以内），对原来声音的感觉还没有消失，而回声又传到他的耳朵，这样回声就跟原来的声音合并在一起，使原声加强，这时就无法明显地分辨回声和原声。

在室内讲话时，声波遇到四周的墙、房顶、地面及窗、桌、椅等的阻挡，声波一部分被反射，另一部分被吸收。各种材料吸收和反射声波的能力是不同的，例如，大理石、玻璃等硬而光滑的材料，能够把绝大部分的声波反射回去，而只吸收一小部分声波；地毯、泡沫塑料等软材料，能够吸收绝大部分的声波，而只把一小部分声波反射回去。由于反射波的存在，在声源停止发声后，在短时间内还能够听到声音，这种现象称为交混回响。如果扬声器发出的声音连续多次在室内反射成为多重回音，交混在一起，这就是我们平时所说的混响。在室内不同的位置安放两个以上的扬声器，使人感觉到声源分布的空间，就能产生立体声的效果。

声源停止发声到声强减小到为原来的百万分之一时所需的时间，称为交混回响时间。交混回响时间太长，会产生轰轰声，太短就显得静悄悄。小于350 m3的音乐厅的最合适交混回响时间为1.06 s。北京的首都剧场，坐满观众时的交混回响时间为1.36 s，空座时为3.3 s。人民大会堂的交混回响时间，不论是满座还是空虚，都能成功地控制在1.8 s左右。

（二）声波的折射

如图3-3-2所示，当声波从媒质一中入射到与媒质二的分界面时，在分界面上除一部分声能反射回媒质一中外，还有一部分穿过分界面，在媒质二中继续向前传播，这就是声波的折射现象。透入媒质二中的折射线与界面法线的夹角为θ2，称为折射角。入射波、反射波和折射波的方向满足下列关系式：

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由上式可知，声波的折射是由声速决定的，除了在不同媒质的界面上能产生折射现象外，在同一种媒质中，如果各点处声速不同，也就是说，存在声速梯度，也同样会产生折射现象。在大气中，使声波折射的主要因素是温度和风速。例如，白天地面吸收太阳的热能，使靠近地面的空气层温度升高，声速变大，自地面向上温度降低，声速也逐渐变小。根据折射的概念，声线将折向法线，因此，声波的传播方向向上弯曲。反之，傍晚时，地面温度下降得快，即地面温度比空气中的温度低，因而，靠近地面的声速小，声波传播的声线将背离法线，而向地面弯曲。这就是为什么声音在晚上比白天传得远的原因。

（三）声波的衍射

“闻其声而不见其人”，是我们司空见惯的现象。这种现象是由声波的衍射所造成的。声波在传播过程中，遇到障碍物或孔洞时，会产生衍射现象，即传播方向发生改变。衍射现象与声波的频率、波长及障碍物的尺寸有关。当声波频率低、波长较长、障碍物尺寸比波长小得多时，声波将绕过障碍物继续向前传播。如果障碍物上有小孔洞，声波仍能透过小孔扩散向前传播（图3-3-3）。

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图3-3-3　声波在空气中传播的衍射现象

由于波的波长不同，在同样条件下，有的波会发生明显的衍射，有的表现为直线传播。声波的波长在1.7 cm～17 m之间，比一般障碍物的尺寸大，所以声波能绕过一般障碍物，使我们听到障碍物另一侧的声音；而光波的波长，约在0.4 μm～0.8 μm的范围内，比一般障碍物的尺寸小得多，在一般情况下几乎不发生衍射。这就是“闻其声而不见其人”的原因。

声波反射、折射和衍射的实验结果

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