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回声

回声

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。

中原地区古代，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

中原地区古代，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

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

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

海洋探测技术发展历史.海洋探测技术博物馆.2024-11-21

神奇动物在哪里？.中科院之声.2024-11-21

声纳技术在水声通信中的应用.维普资讯.2024-11-21

回声探测仪的发展趋势及渔业应用.万方数据.2024-11-21

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

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

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