Эхо-дальномер: измерить расстояние звуком, как лидар и летучая мышь

Идея

Лидар беспилотника и крик летучей мыши делают одно и то же: посылают сигнал, ловят отражение и по времени полёта считают расстояние. У лидара сигнал — свет (см. Лидар), у мыши — звук (см. Эхолокация). Свет так быстр, что засечь его полёт можно только электроникой. А звук медленнее света примерно в миллион раз — и его эхо ты поймаешь хлопком и секундомером. Сделаем эхо-дальномер.

Опыт 1: одиночное эхо

Встань перед большой плоской стеной (дом, забор) на расстоянии 50–100 метров. Резко хлопни в ладоши и слушай. Через мгновение вернётся эхо. Это звук слетал до стены и обратно.

Расстояние считается так же, как у лидара:

$L = \frac{v \cdot t}{2}$

где $v \approx 343$ м/с (скорость звука в воздухе при +20 °C), $t$ — время от хлопка до эха, делим на 2, потому что путь — туда и обратно.

Опыт 2: ритмичные хлопки (точнее)

Засечь одно короткое эхо трудно. Есть приём точнее. Хлопай равномерно, подбирая темп так, чтобы каждый следующий хлопок попадал ровно в момент эха от предыдущего. Когда поймал ритм — эхо «прячется» в хлопке.

Теперь интервал между хлопками и есть время $t$ полёта туда-обратно. Засеки секундомером время, скажем, 20 хлопков, раздели на 20 — получишь $t$ точно. Зная расстояние до стены, найдёшь скорость звука; зная скорость — расстояние.

Опыт 3: смартфоном

Запиши хлопок диктофоном рядом со стеной и посмотри звуковую дорожку: всплеск хлопка и спустя время — всплеск эха. Расстояние между ними на шкале времени и есть $t$. Так задержку видно глазами.

Остриё

Один и тот же закон — «время полёта» — лежит и под лидаром беспилотника, и под охотой летучей мыши, и под твоим хлопком у стены. Разница лишь в скорости сигнала: звук медленный, и его задержку ловит ухо и секундомер; свет в миллион раз быстрее — и импульсному лазеру лидара нужны наносекундные вспышки и детектор отдельных фотонов. Природа и техника пришли к одному решению — мерить мир отражённым сигналом.

Что записать (гражданская наука)

• Измеренная скорость звука и насколько она близка к 343 м/с.
• Какой способ дал точнее: одиночное эхо, ритмичные хлопки или диктофон.
• Менялась ли скорость в холод/жару (звук в холодном воздухе медленнее).

Читать дальше

→ Лидар: то же «время полёта», но светом → Эхолокация летучих мышей: природный эхо-дальномер → Импульсный лазер: почему для света нужна наносекундная вспышка