第四节 波的反射和折射

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“声波子弹枪”发射脉冲令劫机恐怖分子无法动弹

　　据英国《新科学家》杂志报道，美国研究人员发明了一种可以发射“声波子弹”的枪，企图劫持客机的恐怖分子被击中后会暂时动弹不得，机组人员可以借机将其制服．

　　现在的构想是让穿便衣的空中警察佩带这种枪，这种枪射出的大功率声波脉冲，可以让恐怖分子暂时失去活动能力，但不会像普通的枪支那样伤害乘客，造成危险．

　　本周六出版的《新科学家》说，这种枪的样机已经由设在美国加州圣迭戈的高技术公司“美国技术”制造出来，该项研究是由美国通用动力公司出资的．

　　这种枪包括一个大约3米长、直径4厘米的聚合物合成管子．

　　在合成管里面，是一套压电圆盘，其作用好象小型的扬声器．

　　由第一个圆盘发出的脉冲，会由后面的第二个盘接收和放大，这样继续下去就可在另一端得到多次放大的声波脉冲，其强度足以让人的耳鼓非常疼痛和使人晕头转向．

　　美国技术的主席诺里斯说：“这种枪射出的声波脉冲，就像一颗子弹。脉冲强度在一到两秒钟里超过了140分贝。”

　　当声音强度介于120至130分贝之间时，就会造成疼痛．

　　诺里斯就亲身试验了这种枪。他说：“我差一点被打中，接着有好一阵什么都不知道了。”他还说，脉冲子弹的威力足可以打倒一头牛．

　　不过德国多特蒙德大学非致命声学武器专家阿特曼对此表示担心。他认为除非距离非常进，否则射出的脉冲可能会伤及其他人．

　　“脉冲可能会击中其他人，或是在机舱里来回反射，造成其他乘客暂时失去听觉。”

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大雪后为什么很寂静

　　在冬天，一场大雪过后，人们会感到外面万籁俱静．这是怎么回事?难道是人为的活动减少了吗?

　　那么，为什么在雪被人踩过后，大自然又恢复了以前的喧嚣． 原来，刚下过的雪是新鲜蓬松的，它的表面层有许多小气孔．当外界的声波传入这些小气孔时便要发生反射．由于气孔往往是内部大而口径小．所以，仅有少部分波的能量能通过口径反射回来，而大部分的能则被吸收掉了．从而导致自然界声音的大部分能均被这个表面层吸收，故出现了万籁俱寂的场面．

　　而雪被人踩过后，情况就大不相同了．原本新鲜蓬松的雪就会被压实，从而减小了对声波能量的吸收．所以，自然界便又恢复了往日的喧嚣．

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雷鸣的产生过程

　　伴随闪电而来的，是隆隆的雷声．听起来，雷声可以分为两种．一种是清脆响亮，象爆炸声一样的雷声，一般叫做“炸雷”；另一种是沉闷的轰隆声，有人叫它做“闷雷”．还有一种低沉而经久不歇的隆隆声，有点儿象推磨时发出的声响．人们常把它叫做“拉磨雷”，实际上是闷雷的一种形式．

　　闪电通路中的空气突然剧烈增热，使它的温度高达15000—20000℃，因而造成空气急剧膨胀，通道附近的气压可增至一百个大气压以上．紧接着，又发生迅速冷却，空气很快收缩，压力减低．这一骤胀骤缩都发生在千分之几秒的短暂时间内，所以在闪电爆发的一刹那间，会产生冲击波．冲击波以5000米/秒的速度向四面八方传播，在传播过程中，它的能量很快衰减，而波长则逐渐增长．在闪电发生后0.1—0.3秒，冲击波就演变成声波，这就是我们听见的雷声．

　　还有一种说法，认为雷鸣是在高压电火花的作用下，由于空气和水汽分子分解而形成的爆炸瓦斯发生爆炸时所产生的声音．雷鸣的声音在最初的十分之几秒时间内，跟爆炸声波相同．这种爆炸波扩散的速度约为5000米／秒，在之后0.1—0.3秒钟，它就演变为普通声波．

　　人们常说的炸雷，一般是距观测者很近的云对地闪电所发出的声音．在这种情况下，观测者在见到闪电之后，几乎立即就听到雷声；有时甚至在闪电同时即听见雷声．因为闪电就在观测者附近，它所产生的爆炸波还来不及演变成普通声波，所以听起来犹如爆炸声一般．

　　如果云中闪电时，雷声在云里面多次反射，在爆炸波分解时，又产生许多频率不同的声波，它们互相干扰，使人们听起来感到声音沉闷，这就是我们听到的闷雷．一般说来，闷雷的响度比炸雷来得小，也没有炸雷那么吓人．

　　拉磨雷是长时间的闷雷．雷声拖长的原因主要是声波在云内的多次反射以及远近高低不同的多次闪电所产生的效果．此外声波遇到山峰、建筑物或地面时，也产生反射．有的声波要经过多次反射．这多次反射有可能在很短的时间间隔内先后传入我们的耳朵．这时，我们听起来，就觉得雷声沉闷而悠长，有如拉磨之感．

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声音的反射

　　声音是一种波，它具有许多物理性质．这里介绍两点：一点是声波在空气里是沿直线前进的，并且具有一定速度，大约是每秒一百四十米左右．利用这一点可以测量距离．据后魏的《水经注》上记载，四世纪时有个建筑师名叫陈遵，受命建造江陵金堤．为了测量某高地的高度，他命一人在高处打鼓，另一人在低处测听，然后由磬速乘以时间等于距离的关系，算出了高度．据说那结果还相当准确，出色地完成了筑堤任务．西方利用同样的原理搞声速测量，是一六三六年法国人默森做的，比起我国这位「陈工程师」来，要迟一千三百年左右．

　　声波的另一物理性质是反射．反射回来的声波传入耳朵，就叫做「回音」，这是大家所熟悉的．但是有的回音效果很特别，譬如我国江西省弋阳县的圭峰，风景优美．是个游览胜地．那里有个名叫「四声谷」的山谷，游客高喊一声，可以听到四次回音．据说在英国牛津郡的一个山谷里，放一枪，竟可以听到三十多次回音．

　　这些特殊的回音现象为山川增色，招引了更多的游客．但这毕竟是大自然的恩赐，我国先民却以自已的智能与双手，巧夺天工，利用声波的反射原理，造出了建筑声学里光彩夺目的丰碑－－北平天坛公园里的回音壁、三音石和圜丘．

　　天坛建造于十五世纪初年．回音壁是一道圆形的围墙，高约六米，半径约三十二点五米．围墙内有三座建筑物，靠北边围墙二点五米处的一座叫「皇穹宇」，原来是皇帝用来祭祀的地方，此外还有两座长方形建筑物．如果某乙把耳朵贴近围墙，某甲在相距四十五米左右处紧贴围墙向北对乙说话，听起来十分清楚，好象说话的人就在身边一样．如果乙地贴着围墙向北对甲讲话，甲同样能听到非常清楚．这是什么道理呢？原来整个围墙砌得整齐光滑，适于反射声音．甲或乙的声音，只要是贴着墙发出的，就往往会满足所谓「全反射」的条件．在此情况下，连续反射的声音沿着围墙一条折线，一重保持着跟原来差不多的能量，传到对方的耳朵里，所以听起来仍很清楚．而实际上它已经几经周折，绕过了一百米以上的途径呢！

　　三音石是位于围墙正中央的一块石头．在皇穹宇通往围墙南大门的石路上，从皇穹字的台阶下来，往南数第三块石头即是．据说站在三音百上鼓掌一次，可以连续听到「啪、啪、啪」三次回音，所以叫做三音石．而实际上，如果用力鼓掌，听到回响就不止三次，可能多达五、六响．究其原因，是因为三音石正好处在围墙的中心，掌声等距离地传到围墙，又等距离地被反射回来，在中心点合成为第一响；接着再向四面八方传播，碰到围墙后又「弹回来」在中心点组成第二响；如此往返不停，便能听到第三、第四响等等．当然，声波的能量会逐渐消耗，所以五、六响之后，剩下的声音就微弱得人耳觉察不出来了．

　　说到圜丘，它是一个由青石建成的圆形平台．它的基层占地很广，最高层平台离地约五米，半径为十一点四米．除了东南西北四个出入口外，四周全用青石栏杆围住．说是平台，实际上并不平，台面的中心略高，向四周微微倾斜．如果有人站在台中央叫一声，他本人听到的声音就比平常听到的要响亮；若是两人对谈，也会有同样感觉．这也是反射的结果．原来由台中心发出的声音，碰到了石栏杆，一部分被反射到栏杆附近稍有倾斜的台面上，再出台面反射到台中心（图十一）．因为时间短促，回声和原来的声音混在一起，耳朵分辨不出，就觉得比平常要响得多．

　　回音壁、三音石和圜丘，其所以具有如此奇妙的声学效果，决不是偶然的．古代建筑师们从选材到造型都考虑了声学上的原理．譬如圜丘，全部采用青石和大理石砌城，因为这两种材料对于声音有优良的反射性能．又如回音壁，不但整个围墙砌得整齐光滑，构成为优良的声音反射体，而且皇穹宇和整个围墙的大小比例以及所处的位置，都是精心设计的，使得只要甲发声，对围墙甲点的切线来说，入射角小于二十二度，声波就总是被围墙连续地反射，而不受皇穹宇的散射．又如圜丘台面的倾斜必须合理，才能得到良好的增强音响的效果．这些都是建筑声学上的创造，因而使天坛更加增辉，成为驰名中外的罕见的建筑物．

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人民大会堂的声学构造

　　声的吸收对建筑物的声学性质很重要。礼堂中讲话时，声波经过天花板、墙壁等多次反射和吸收后，其声强才降到闻阈以下，这种声源振动停止后声音的延续现象叫交混回响。而声强减到原值的百万分之一的时间，叫交混回响时间。经验指出，交混回响时间在1～2秒之间最为适当，交混回响时间长短与建筑物大小和其中各种表面对声的吸收情况有关。

　　我国在建造首都人民大会堂时，为了兼顾音乐和我国汉语特点，将交混回响时间控制在2秒左右。对解决庞大建筑物的声学问题，作了一些恰当的处理：采用塑料夹板的吸收构造，以加强对低频部分的吸收。在二层和三层楼上7000个皮椅底下，装有穿孔吸声结构，当座椅无人时，椅底反过来可以代替人对声的吸收作用。这样可以使满场时和仅用一楼开会（3000人）时，都有较高的语言清晰度。

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