Эхо возникает в том случае, когда звуковые волны, распространяющиеся в стороны из источника (так называемые падающие волны) наталкиваются на твердое препятствие, например, на склон горы. Звуковые волны отражаются от таких препятствий под углом, равным углу своего падения.

Ключевым фактором для возникновения эха является удаленность препятствия от источника звука. Когда препятствие находится неподалеку, отраженные волны совершают обратное путешествие достаточно быстро и смешиваются с исходными волнами без образования эха. Если же препятствие удалено по меньшей мере на 15 метров, отраженные волны возвращаются уже после рассеяния падающих. В результате люди услышат повторенный звук, как если бы он шел со стороны препятствия. Инженеры-акустики должны проектировать зрительные и концертные залы с учетом эхообразования, добавляя звукопоглощающие элементы и устраняя поверхности с чрезмерной отражательной способностью.

Правило отражения

В этом эксперименте низкочастотные волны от звукогенератора проходят через стеклянную трубку А, отражаются от зеркала и входят в трубку В. Эксперимент доказывает, что угол отражения волны равен углу ее падения.

Днем - быстрее

Звук распространяется с большей скоростью в теплом воздухе у земли (рисунок под текстом) и замедляется, когда достигает более холодных верхних слоев атмосферы. Такое изменение температуры приводит к преломлению (отклонению) волны вверх.

Ночью - медленнее

Пониженные ночные температуры воздуха у поверхности земли замедляют прохождение звука (рисунок под текстом). В более теплых вышележащих слоях скорость звука увеличивается.

Звук переносится вместе с ветром

Скорость ветра на значительных высотах намного больше, чем вблизи земли. Когда звуковые волны распространяются от наземного источника, они путешествуют вместе с ветром. Наветренный слушатель будет слышать только слабый, едва различимый звук; подветренный слушатель услышит колокол на очень большом расстоянии.

Вы делаете ремонт и вынесли громоздкую мебель из комнаты. Ребенок заметил, что теперь звук его собственного голоса звучит в пустой комнате иначе громче и как бы удваивается. Это звучит эхо. Услышать его можно не только в пустой комнате, но и в большом зале, в горах или в лесу.

Эхо можно сравнить с отражением в зеркале. Только в зеркале отражается изображение, и мы его видим. А эхо — это отражение звука, и мы его слышим. Изображение предмета отражается от какой-то гладкой поверхности (зеркала, стекла, даже лужи), и мы его видим, причем иногда сильно искаженным. То же происходит и со звуком. Он отражается от любого препятствия, что встречается ему на пути (от стен, гор, деревьев).

Где мы можем услышать эхо

Если вы с ребенком пойдете в лес или в горы, то сможете продемонстрировать ему, как отражается звук. Крикните: «Ау» — и вы услышите, как ваш голос, долетев до препятствия, отразится и вернется к вам уже объемнее: «У-у-у» — и постепенно утихнет. Иногда в горах проводники предлагают туристам воскликнуть свое имя и с удовольствием послушать, как горы его повторят много раз!

То же происходит, например, и на пустом стадионе. Стоит что-нибудь крикнуть, и отразившись от бетонных ступенек трибун этот звук, многократно, вернется в виде эха. Интересно то: эхо здесь возникает только тогда, когда трибуны пустые. Если же на них будет сидеть много болельщиков, не получится никакого эха.. Это происходит потому, что звук не будет отражаться, ведь люди, их одежда просто поглотят звук.

То же случается и в пустой комнате. Пока в ней нет мебели и вещей, звук легко отражается стенами. Но стоит нам поставить туда шкафы, кресла, занести вещи — и эхо исчезает.

В теле-или радиостудии, где записывают музыку или речь диктора, необходимо сохранять полную тишину. Поэтому стены и потолки там покрыты специальным материалом. Покрывают таким материалом стены для того, чтоб звук еще лучше поглощался.

Эхо для помощи человеку

Эхо не только мешает людям, часто оно очень помогает человеку во многих делах. Есть такой прибор, который называется — эхолот. Его чаще всего устанавливают на кораблях. Он издает звуки под водой, отправляет их в море или океан и сам же принимает отраженное эхо. Эхолот просто на ходу судна измеряет глубину морского дна. Он помогает морякам избежать столкновения с отмелями и рифами.

С помощью радиоэха моряки специальными приборами на большом расстоянии замечают даже в темноте коварные айсберги, вовремя засекают подводные лодки врага подкрадываются к их кораблям. А металлурги, «прозвучивают» эхом разные детали машины, пытаются найти в толще металла даже мелкие трещинки, предотвращая таким образом попадание испорченной детали на конвейер. Зато теперь неисправную деталь отложат в сторону и переделают.

Еще один интересный факт о эхо. Люди, лишенные зрения, хотя и с большим трудом, но могут ориентироваться на улице, минуя препятствия. Как у них это получается? Ученый из США К. Далленбах провел ряд исследований. Оказывается, что человек, очень слабо, но может улавливать звуки своих шагов, которые отражаются от препятствий. Ощущать препятствия ем помогает эхо.

Я, как и многие из вас, знакома с таким физическим явлением, как эхо, и даже во многом мне была понятна природа этого явления. Но и оно таит в себе ряд тайн. Стоит только задуматься, почему мы не слышим эхо в квартире или в огромном концертном зале? Есть ли польза от него и где оно применяется?

Если звуковые волны, вызванные нашим собственным голосом или другим каким-либо источником звука, при своем распространении встречают препятствие (стену, отвесную скалу, лес), то они отражаются и могут достигнуть снова уха наблюдателя иногда значительно позже, чем при непосредственном своем распространении. Такой повторный звук, обусловленный отражением звуковых волн, и называется эхо.

Так как скорость распространения звука в одну секунду равна примерно (в зависимости от температуры) 333 м, то понятно, что если отражающая звук стена находится от нас на таком именно расстоянии 333 м, то мы услышим повторение вызванного нами звука (слова или целой фразы) через две секунды.

Мы слышим эхо в том случае, если отражённый звук воспринимается отдельно от произнесённого. Для этого нужно, чтобы между воздействием этих звуков на ухо было 0,06 с. А в квартире интервал намного меньше из-за малого расстояния. Кроме этого, многие предметы (мягкая мебель, шторы) поглощают звук.

Посмотрите ниже расположенный фрагмент, чтобы понять природу эхо.

Отсюда понятно, вместе с тем, что можно воспользоваться эхо и для самого определения скорости звука, для чего необходимо измерить расстояние и соответствующий промежуток времени. Такой способ определения скорости звука был применен на самом деле (см. «Журнал Русского физико-химического общества», 1895, H. Гезехус).

Прекрасное эхо, чрезвычайно отчетливо и громко повторяющее произносимые слова, получается, между прочим, в длинном гроте, находящемся в Гатчинском дворцовом саду. Обычное явление эха представляет среди швейцарских и других гор.

Нередки и многократные эхо, вызываемые несколькими последовательными отражениями звуковых волн. Так, в Потсдаме, близ Берлина, в одном из залов дворца Сан-Суси, громкое однократное хлопанье в ладоши производит впечатление продолжительного залпа ружейной пальбы.

Особенно замечательно эхо во дворце Симонетта возле Милана; выстрел, произведенный из окна главного здания, повторяется до 50 раз, вследствие отражения звука от различных пристроек дворца.

Частный случай эха составляет сосредоточение звука посредством отражения его от вогнутых кривых поверхностей. Так, если источник звука помещен в одном из двух фокусов эллипсоидального свода, то звуковые волны собираются в другом его фокусе. Таким образом объясняется, например, знаменитое «ухо Диониса» в Сиракузах — грот или углубление в стене, из которого каждое слово, произнесенное заключенными в нем, могло быть услышано в некотором удаленном от него месте. Подобным акустическим свойством обладала одна церковь в Сицилии, где в известном месте можно было слышать произносимые шепотом слова в исповедальне. Известны также в этом отношении храм мормонов у Соленого озера в Америке и гроты в монастырском парке Олива около Данцига.

Явление отражения характерно и для ультразвуковых волн (механических волн с частотой свыше 20000 Гц). От специальных пьезоэлектрических излучателей ультразвук узким пучком направляется к исследуемому объекту, отражаясь от которого он позволяет увидеть картину в деталях. На отражении основаны эхолокация (метод определения расстояний), ультразвуковая дефектоскопия (обнаружение дефектов, полостей, трещин в литых металлических изделиях), эхоисследование в медицине (см. видеофрагмент ниже).

Отражение инфразвуков (механических волн с частотой до 20 Гц) позволяет рыболовецким промысловым судам с помощью специальных устройств быстро обнаруживать стаи рыб.

Эхолокация в природе

Летучая мышь издает ультразвуки, а затем улавливает эхо, отраженное от препятствий. Обладая способностью оценивать сверхкороткие промежутки времени от посылки звукового сигнала до его возвращения, она очень точно определяет расстояние до насекомых, за которыми охотится, и уверенно, не натыкаясь на деревья, летят в густом лесу.

Природные сонары летучих мышей не могут не восхищать исследователей и, в частности, они не могут не вызывать зависти у специалистов по радиолокации. Они обладают очень высокой чувствительностью, позволяющей улавливать крайне слабые эхо-сигналы от комара, который пролетает на расстоянии нескольких метров. Еще более удивительно то, что сонар летучей мыши позволяет ей различить эхо от неподвижного препятствия и эхо от движущегося объекта. Сама-мышь находится в движении. И при этом она не только легко различает неподвижные и движущиеся объекты, но способна воспринять слабенькое эхо от летящего комара на фоне во много раз более сильного эха от поверхности земли, деревьев и т. п. Специалисты по радиолокации знают, как трудно подчас различить радиоэхо от низко летящего самолета и от земной поверхности. Естественно, что их не может не заинтересовать природный сонар летучей мыши.

Как и летучие мыши, дельфины обладают великолепным природным сонаром. Эхолокацию дельфинов обнаружили в начале 50-х годов прошлого столетия. Эхолокация у дельфинов, как и у летучих мышей, осуществляется на ультразвуковых частотах. Дельфины используют главным образом частоты от 80-100 к Гц. Мощность излучаемых дельфинами локационных сигналов может быть очень большой; известно, что они могут обнаруживать косяки рыбы на расстояниях до километра. Дельфин способен воспринимать очень слабые эхо-сигналы в сильнейшем шуме. Например, он прекрасно «замечает» маленькую рыбку, появившуюся на расстоянии 50 м.

Эхо - отражение упругих механических волн - явление, характерное, как для звуковых волн, так и для ультразвуковых волн, неслышимых человеком. Оно встречается в природе и помогает животным ориентироваться в пространстве. Человек взял к себе на службу и научился использовать это необычное физическое явление.