Echoi dźwięku: Jak odbijane welle pozwalają nam słyszeć odległość

Dźwięk to wawa, a nie sygnał teleportujący informacje

Kiedy Polly, papuga, krzyknie, nie przesyła ona informacji natychmiast — zamiast tego porusza powietrze w pobliżu swojego dzioba. Ten ruch naciska na powietrze obok i tak dalej, w każdej kierunku, dokładnie jak rozprzestrzeniająca się brzask na jeziorku. Ta podróżująca perturbacja zaciskanego i rozciągniętego powietrza to wawa dźwiękowa, a we zwykłym temperatury pokojowej powietrzu porusza się ona z ustalonej, mierniczalnej prędkości około 343 metrów na sekundę — szybko, ale bardzo nie natychmiast.

speed of sound (air, 20°C) ≈ 343 m/s
distance to wall = (speed × time for the round trip) / 2

Co faktycznie jest eco

Eko to ta sama falwa dźwiękowa dotykająca czegoś trudnego — ściany kanionu, klifu, odległej strony dużego pustego pomieszczenia — i odbijająca się tamtemu, jakby reflektowała się od ściany. Głos Polly dociera zewnątrz, dotyka powierzchni i powraca do jej uszu (a także Twoich) jako drugie, opóźnione kopiowanie tego samego dźwięku.

Dlaczego nie słyszysz eco w każdym pokoju

Słuch ludzki łączy dwa identyczne kopie tego samego dźwięku, które dotarły do nas w przybliżonym czasie mniej niż dziesięciu setek części sekundy, w jedno percepowane dźwięk — dlatego mały pokój brzmi trochę „żywe”, a nie tworzy wyraźnego powtarzającego się eco. Aby usłyszeć jasne i oddzielne eco, odległość odbijacej powierzchni musi być taka, że czas pełnej drogi przekracza ten okno łączenia — w praktyce to około 17 metrów lub więcej, co wyjaśnia, dlaczego eco jest tak związane z kanionami, góry i dużymi pustkowatymi salami, a nie pokojem.

Konwersja echa na narzędzie do pomiarów

Dzięki temu, że prędkość dźwięku jest znana i stała, mierzenie czasu, jaki upłynął od wyemitowania dźwięku aż do jego powrotu jako echa, pozwala dokładnie określić odległość od odbijającego powierzchni: odległość równa się prędkości pomnożonej przez czas podróży w dwukrotnym przebiegu, dzielonej przez dwa, ponieważ dźwięk pokonuje dystans dwukrotnie — wychodzi i wraca. To dokładnie jest technika, którą wykorzystują sonary pod wodą oraz rzeczywiste zwierzęta ekholocujące, takie jak skórzaki i dolphyny: nie widzą obiektu, ale mierzycie jego echa.

Zmiana temperatury wpływa na szybkość tylko nieznacznie

Dźwięk przewodzi o wiele szybciej w ciepłym powietrzu niż w zimnym, ponieważ cząsteczki ciepłego powietrza poruszają się średnio szybciej i przekazują przesunięcie napięcia do siebie szybciej. Rozak jest mały — kilka procent między zimnym dniem wiosennym a gorącym letnim dniem — ale jest on mierzalny, co powoduje, że dokładna opóźnienie echa dla tej samej odległości ulega nieznacznej zmianie ze względu na pogodę.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz 🦜 Parrot Echo — Sound Waves for Kids i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.