為什麼說超聲波的方向性好？

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為什麼說超聲波的方向性好，而次聲波的傳播範圍廣？

1. 為什麼說超聲輻射的指向特性好

題主提到的「方向性」一般在聲學上的術語叫做輻射指向性或指向特性 (Directivity) ，常見定義是任意方向的聲壓幅值 $(p_{a})_{ heta}$ 與角度 $heta=0$ 軸上的聲壓幅值 $(p_{a})_{ heta=0}$ 之比，

$D( heta )=frac{(p_{a})_{ heta} }{(p_{a})_{ heta=0}} .$

利用如上定義，可以在極坐標坐標中繪製聲源的輻射指向性圖案，以便直觀地反映指向性，比如：

a. 兩個同相小球源（ $l/lambda$ 越大，對應頻率越高）

b. 4個等間距同相小球源組成的陣列（ $kl$ 越大，對應頻率越高，和上面提到的 $l/lambda$ 實際上一樣）

c. 活塞聲源，這也是通常用來描述揚聲器、壓電換能器等具體應用的模型（ $ka$ 約大，對應頻率越高）

再貼幾個Comsol Multiphysics的模型示例中有限元模擬揚聲器輻射的聲場分布圖，這個更加直觀能看出來輻射在空間中各角度的分布不是均勻的（來源：Loudspeaker Driver; Baffled Membrane. 引用一下，這應該不算侵權吧。。）

從上面幾個示例可以觀察到，對於同樣形狀的組合聲源（多個點源組合而成的聲源），頻率越高的輻射聲場具有越複雜的指向性（周向上隨角度變化交替出現的極大極小值，一般稱主瓣旁瓣）。特別是像陣列聲源/活塞聲源這類模型，主瓣突出且寬度與頻率密切相關，在高頻時呈現極強的指向性。所謂超聲的輻射指向性好，就是指的這一特性。

高頻聲輻射的這種指向特性能夠滿足一些特定應用場景的需求，比如相控陣技術 (Phased Array )、高能聚焦超聲 (High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 等。其中最常見的相控陣技術，聲吶、生物醫學超聲成像、超聲無損檢測、聲測井都在使用，當然還有電磁波的相控陣雷達/天線等等。原理簡單一點說，就是通過控制陣列聲源之間的相位關係，達到控制指向性和波束寬度，並對空間進行掃描的目的，這方面可講的東西太多我又不夠專業，不展開說了。

2. 為什麼說次聲波的傳播範圍廣？

所謂次聲的傳播範圍廣，主要基於兩個原因：

a. 次聲的物理衰減比較小，因此相比於具有相同波陣面形狀（涉及幾何衰減）和相同幅度的較高頻聲波，次聲的幅度衰減更緩慢，能夠傳播的距離更遠。

b. 次聲的波長比較長（1個標準大氣壓，20攝氏度空氣中，20Hz的聲波波長為17.2m），能夠衍射繞過許多尺寸較大的障礙物，或穿透不夠厚的牆壁。

其實，以上兩個原因並不僅限於次聲，只要是低頻聲波相比於高頻聲波，上述二者都成立。生活中常見的例子，比如在離現場較遠處聽樂隊演出，鼓和貝司的聲音要比其他樂器更明顯。

（另外，由於次聲的幅度通常相當高（如爆炸、地震、火山爆發等引起），因此非線性效應也可能是次聲傳播得更遠的因素之一。這是個人觀點，未經證實，如果有補充或不同意見，歡迎討論指正。）

P.S. 聲波的衰減機制有點複雜，實在寫不動了，反正已經基本解釋清楚了，第二個小問題就寫這麼多吧。。

參考文獻
[1] 杜功煥, 朱哲民, 龔秀芬. 聲學基礎[M]. 南京: 南京大學出版社, 2001.
[2] COMSOL Multiphysics Model Gallery: Loudspeaker Driver
[3] COMSOL Multiphysics Model Gallery: Baffled Membrane

這是波動性的普遍效應，即波長越長越容易發生衍射，不僅僅是聲波，機械波（比如水波）、光、電磁波、物質波都有相同的特性。
可以從惠更斯原理上解釋。惠更斯原理是說，波的傳播當中同相位的位置形成了一個波陣面，比如水波的一圈波紋，我們把這一圈波紋上每一個點看成一個新振動源，用這組波陣面上的振動源去替代原始的振動源，得到的波不變。這也是機械波傳播的原理：介質上的一個點受到波的影響發生了振動，這個振動帶動了更遠處的介質，從而把波傳到了更遠的地方。
設想有一列平面波（也就是波紋面是平面）從遠處傳了過來，每一個波陣面都是一個平面，平面上每個點相位相同。在波的傳播方向上的每個點，到波陣面上點的距離大致相等，所以子波是同相疊加的，幅度比較強；而在偏離傳播方向上的位置，到波陣面上不同位置的點之間存在相位差，所以子波的相位各式各樣，疊加起來就會相互抵消，導致偏離傳播方向上的位置振動幅度比較小，也就是波沿著直線傳播的意思。
問題在於，如果波遇到了障礙物呢？假設現在有堵隔音的牆，牆上開了個洞，洞的大小跟聲波的波長相仿，聲波傳過來的時候波陣面只剩下了洞的範圍，此時在原來的傳播方向上仍然是比較大的同相疊加，但在偏離傳播方向的位置上，由於產生的相位差小於洞的大小，也就比波長小，並不能完全抵消，仍然有一部分波朝著偏離直線的方向傳播了出去，這就是波的衍射。波長越短，就必須要越小的洞才能產生衍射。
超聲波的波長不超過幾厘米，因此只有遇到非常小的障礙物或者洞的時候才會發生明顯的衍射現象，大部分時候都是沿直線傳播。而次聲波與此相反，有十幾米甚至幾十米的波長，大部分物體都會讓次聲波產生衍射。所以說超聲波的方向性很好，而次聲波的擴散性很好。

歸根到底是由波長尺度決定的。理想的脈動球源輻射聲場不管在高頻還是低頻都是不存在指向性的，現實世界中的各種輻射聲源都差不多可以用點源疊加原理來闡述。低頻的空間相位變化沒有高頻的快，因此在干涉疊加的時候，每個方向的區別都不太大，因此指向性不好；而高頻在干涉疊加時候，每個方向的區別都很大，因此指向性很強。

我在想，紅光的衍射明顯是由於頻率低!也就是說頻率高的波不容易發生衍射，也就是方向性比較好!那麼同理，聲波中次聲波頻率低，更容易發生衍射，超聲波不會，所以方向性好!

超聲波和光波有相似的傳播特性，超聲波也會產生反射、折射、衍射、散射等等，你將超聲波的傳播特想像成光線，就很容易理解了。

一個字：高頻波長短，你相對高頻來說比較大，所以高頻比較容易被你發現。打個比方，20hz的低音，波長18米，你相對波長來說很小，是不是有不識廬山真面目，只緣身在此山中的趕腳？