回声

声波传播时发生反射的现象

回声是指 声波 在传播的过程中,碰到大的反射面时,一部分被吸收,而另一部分被界面反射回来的物理现象。

中国 古代,人们就对回声有了感受和认识,例如,中国 南北朝 时期的《千字文》中提到“空谷传声,虚堂习听。” 天坛 的回音壁也是例子。 19 世纪上半叶科学家开始研究利用回声探测技术,1917 年 法国 科学家 保罗·朗之万 制成世界上第一台回声探测仪器。 19世纪上半叶,科学家们对回声进行探测技术研究。Griffen等人利用超声波检测仪,证实蝙蝠依靠超声波回声定位觅食。

回声广泛应用于医学影像、地质勘探、水下考古等领域, 此外,声纳技术可以实现水下通信、远程控制、水下定位等功能。

定义

声波 在传播的过程中,碰到大的反射面时,一部分被吸收,而另一部分会在界面反射回来,人们把能够与原声区分开的反射声波称为回声。

简史

中国 古代,人们就对回声有了感受和认识。例如,中国 南北朝 时期的《千字文》中提到“空谷传声,虚堂习听。”《 列子·汤问篇 》中的“既去,而余音绕梁欐,三日不绝。”15世纪建造而成的 天坛 的回音壁也是一个例子。自十六世纪以来,作曲家便通过不同的方式来使用回声,以此增强音乐效果。十八世纪中期,由出版商策德勒(Zedler)发行的百科全书中,便已经收入了“echo”(回声)这个条目,定义为“混响,一种声音的特征”。

19世纪上半叶,科学家们开始了利用回声进行探测的技术研究。但直到20世纪20年代,回声测深技术真正得到应用。 1917年, 法国 科学家 保罗·朗之万 用天然压电石英制成了夹心式超声波换能器,从而产生了世界上第一台回声探测仪器。从此, 声学 探测加入到海洋探测技术体系中。 1925年, 德国 “流星”号测量船在南 大西洋 展开科学考察中首次使用回声测深法,揭示了大西洋底部起伏不平的轮廓。

到了近现代,科学家们发现了动物能够通过回声进行定位,并对此展开研究。 瑞士 的 动物学 Charles Jurine通过实验,发现蝙蝠利用听觉来飞行导航这一事实,但未引起科学界的关注和公众的理解。20 世纪40 年代,Griffen等人利用超声波检测仪,证明了蝙蝠觅食和飞行是依靠超声波回声精确地定位和捕获食物的。自1942年证实蝙蝠具有回声定位行为以来,人们又陆续发现在鸟类、 齿鲸 、 鼩鼱 、 马岛猬 等动物类群中也具备这种特殊的行为。

原理

物体振动产生声音后,以 声波 的形式传播。声波通过介质如空气、水或固体向远处传播。当声波遇到障碍物,如墙壁或山丘,部分声波会因声阻抗变化而被反射回来,形成回声。

辨别

听者听到由声源直接发来的声音和反射回来的声音的时间间隔超过0.1秒(在15℃C空气中,障碍物距声源至少17m,才能辨别原声和回声)。

应用

声呐技术: 声呐技术可以实现水下通信、远程控制、水下定位等功能。声纳可以利用声波在水中传播的特性,进行声音信号的发送和接收,并可以通过分析声波的回波来获取关于水下目标的信息。

渔业 : 回声探测仪作为一种水下探测鱼类的 声学 仪器,在评估鱼类资源量、监测鱼群的行为、鱼类种类的鉴别、评估其它水生生物、探测水体底部类别、监测水质和水生生态系统方面有着重要的作用。

医学影像: 超声波是利用高频声波及其回声的医学图像技术。 超声波在人体内传播时遇到密度不同的组织、器官及病灶,可产生不同强度的回声,通过仪器接收这些回声,经过 计算机 的处理,将这些接收时间不同、强度不同的回声转化为视频信号,成为超声波影像。通过超声波影像,可以了解被检查的组织、器官及病灶的形态、大小、质地、有无血流供应以及运动状况等特征。

建筑内部损伤检测: 声学 回声定位技术逐渐成为一种关键的非破坏性检测方法。这种技术通过分析建筑材料内部声波的反射特性,能够有效地定位并评估结构中的损伤,如裂缝或空洞。与传统的检测方法相比,声学回声定位技术具有许多显著优势,包括更高的检测精度、更深的穿透能力以及对复杂结构的适应性。

地质勘探 :在石油勘探时,工作人员常采用人工地震的方法,即在地面上埋好炸药包,放上一列探头,把炸药引爆,探头就可以以接收到地下不同层界面反射回来的声波,从而探测出地下油矿。

海底探测: 回声可以用来测鱼群、潜水艇和沉到海底的船。有些船上装有回声测深器,这种仪器会把声波送入 海里 。而回声传回船上所花的时间,可以用来算出船下任何物体的形状和位置。

动物行为研究: 蝙蝠能发出尖锐的叫声,然后再用它灵敏的耳朵收集周围传来的回声。回声会告诉蝙蝠附近物体的位置、大小和形状,以及物体是否在移动等等,这种技术称为回声定位法。研究蝙蝠的回声定位能力,可以帮助科学家理解蝙蝠如何在黑暗中导航和 捕食 ,这有助于保护蝙蝠 种群 和它们的生态系统。

水下考古: 探测水下古城的过程中,采用多波束测深技术对水下古城所在湖域进行勘查,能够获得古城的三维影像图,掌握古城的确切位置、建筑物现状以及地形地貌,为古城的开发、研究和保护提供基础性资料和数据。

研究进展

基于多波束回声测深仪的水下 测绘学 与优化 :最近,有研究提出了多波束数据处理系统的开发,包括声纳参数配置、数据存储和点云转换功能。采用迭代扩展卡尔曼滤波器(iEKF)算法进行里程估计,利用广义迭代最近点(GICP)算法进行点云配准,有效合并不同时间收集的点云数据。实验结果表明,该方法实现了较高的测绘精度,满足水下目标探测的精度要求。

利用 自旋 -向列压缩回声实现 测量精度 量子增强: 清华大学物理系 尤力 研究组的“利用超冷 萨特延德拉·玻色 阿尔伯特·爱因斯坦 凝聚体中的自旋-向列回声实现量子增强测量”研究中,利用回声实现了时间反演,方这项案可以直接推广到有类似 相空间 结构的Lipkin-Meshkov-Glick(LMG)模型中,从而为在其他自旋系统中实现非线性干涉仪提供新的思路。该研究为基于超冷原子的精密测量应用奠定了基础。

回声消除技术: 美的集团 获得了一项关于回声消除方法、装置、电子设备和存储介质的专利。传统的语音交互设备常因为环境噪声和回声干扰,造成语音识别不精准、用户体验不佳,而美的新专利的核心正是有效解决这一问题。该技术的实现基于复杂的 信号处理 算法,通过识别和取消环境中的回声信号,确保用户的声音能够被更准确地捕捉和处理。这一创新在智能家居、视频会议以及在线教育等多种场景中,都有着广泛的应用前景。

参考资料

  1. 回声地图线上征集|你未必听过这么丰富的回声 澎湃市政厅 2024-11-21
  2. 回声测深技术的发展 浙江测绘与地理信息科技博物馆 2024-11-21
  3. 海洋探测技术发展历史 海洋探测技术博物馆 2024-11-21
  4. 神奇动物在哪里? 中科院之声 2024-11-21
  5. 声纳技术在水声通信中的应用 维普资讯 2024-11-21
  6. 回声探测仪的发展趋势及渔业应用 万方数据 2024-11-21
  7. 基于声学回声定位技术的建筑物内部损伤检测 万方登录 2024-11-21
  8. 基于多波束回声测深仪的水下测绘与优化 X-MOL学术 2024-11-22
  9. 物理系尤力研究组利用自旋-向列压缩回声实现测量精度量子增强的新纪录 清华大学 2024-11-22
  10. 美的集团获新专利:革新回声消除技术提升智能设备体验 搜狐网 2024-11-22
  11. 一种回声消除方法、装置、电子设备和存储介质 专利顾如 2024-11-22