书城童书物理知识知道点:走进声音世界
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第55章 利用回声测距离

1912年4月,英国泰坦尼克号大邮轮载着2000多名旅客,航行在大西洋海面上。当它行驶到距纽芬兰岛约136千米时,不幸跟一座坚硬的冰山相撞而沉没,船上1700人因此葬身鱼腹。这一空前海难的发生,向科学界提出了一个严峻的课题:在烟波浩渺的海洋里,航行的船只有没有办法及早发现航道上的冰山或暗礁,而避免此类悲剧的重演呢?

泰坦尼克号早在1804年,俄国科学家捷哈鲁夫曾做过一次有趣的实验:他乘坐一个大气球上升到高空中,然后对着地面大声呼喊,结果10秒钟后他听到了来自地面的回声。由于声波在空气中的速度为每秒钟340米,声波一来一回共用了10秒钟的时间,由此他推算出气球距离地面的高度为1700米。

捷哈鲁夫的实验给了人们以启示,利用物体发出声波的回声,可以探索障碍物的存在;同时由接收到回声时间的长短,还能判断出物体距离目标的远近。根据这个原理,科学家研制出了船用“回声测位仪”。这种仪器的主要部分是一个类似“嘴巴”的声波发射器,不断定时地向外发出声波;同时有两个类似“耳朵”的听音器,用来接收从障碍物反射回来的声波,并辨别回声传来的方向;另外它还有一个专门记录声波从发出到接收到回声所用时间的装置,这种装置能自动地将上述时间转化为里程,使操作者可以直接从指示器上读出船只到目标之间的距离。船只安装上这种回声测位仪后,即使在云雾漫漫或茫茫黑夜中航行,也能及时发现前方的冰山或暗礁,并能正确判断出它们所在的位置,从而保证了船只行驶的安全。

利用回声测距的原理,人们还制成了海洋“回声测深仪”,用来测量海底的深度。古时候人们测量海深是个很麻烦的事,他们需用一根很长的绳索,下面坠上很重的铅锤,然后把它们投入海中。当铅锤到达深底后,再把绳索从水中慢慢拉出来,丈量出它的长度。由于海水的流动,绳索在水下很难保持垂直,加上测量时必须停船,所以这种测量海深的方法既费时又不准确。特别是在深海测量时,因绳索放得很长,绳索本身有时比铅锤还要重。这时测量的人感觉不出铅锤何时到达海底,因此就无法测量出海有多深了。有了回声测深仪,这个问题便轻而易举地解决了。回声测深仪的构造同回声测位仪差不多,它安装在船只的底部,通过测量声波到海底来回所用的时间来推算海底的深度。用回声测深仪进行测量非常简单,过去用古老的方法测量几千米的海底,需要几个小时,而现在只需几秒钟就行了。另外,由于船只安装上回声测深仪后可以一边航行,一边测量,所以现在它还广泛用来探测海底鱼群所在的位置和深度,这就大大提高了渔业上捕捞的效率和产量。

在海洋学或海底地质学的研究方面,对于海底深度的测定是很重要的。不仅仅如此,还有浅海深度正确而快速的测定,对于航行的船只,尤其重要。因此,如果船只装配“回声探测器”的设备,则可以全速向着岸边开过来,并且也可以在暗礁较多的地方行驶。

最近,“回声探测器”已不再使用普通的音波,而是使用15~200赫的这种波长很短的声波。当然,这种声波,人的耳朵听不到,它是利用“水晶振动器”产生的。