声衍射 声衍射是声波在传播过程中遇到障碍物或通过孔径时，偏离直线传播路径，并发生波前重构的现象。其核心原理是惠更斯原理，即波阵面上的每一点都可以看作是一个新的点波源，这些次级子波的包络面构成了新的波阵面。 第一步：从直观现象理解 想象你在一堵高墙后面。如果声波（如人说话的声音）像光线一样严格直线传播，那么墙后应该是完全寂静的。但实际上，你依然能听到墙另一侧的声音，尽管声音可能减弱、模糊。这种现象，即声音能够“绕过”障碍物边缘，就是声衍射最直观的体现。障碍物尺寸相对于声波波长越小，这种“绕弯”现象越明显。 第二步：理解关键参数——波长与障碍物尺寸的关系 衍射现象的显著程度取决于声波波长（λ）与障碍物（或孔径）特征尺寸（d，如缝隙宽度或障碍物宽度）的比值。 当 λ >> d（低频声波遇到小障碍物） ：衍射现象非常显著。声波几乎能无障碍地绕过小物体，在其后方形成几乎完整的声场。例如，我们能听到低频的雷声越过山丘，正是因为其波长很长（可达数十米）。 当 λ ≈ d ：衍射现象明显，但会出现复杂的干涉图样，障碍物后方声场分布不均匀。 当 λ << d（高频声波遇到大障碍物） ：衍射现象很弱。声波主要在障碍物前方形成清晰的“声影区”（几乎无声的区域）和反射波，更接近于光的直线传播。例如，高频的超声波（波长毫米级）易于被聚焦和定向，形成清晰的“声束”。 第三步：结合惠更斯原理分析具体场景 以声波通过一个小孔为例。当平面波到达开有小孔的无限大障板时，根据惠更斯原理，小孔处的波阵面可以看作是一个新的点波源，向障板后方所有方向发射球面子波。这导致声波不再保持原来的传播方向，而是向各个方向散开，这种现象也称为“孔径衍射”。孔的尺寸越小（相对于波长），这种散射就越均匀，接近于一个理想的点声源。 第四步：定量描述与菲涅尔/夫琅禾费衍射 在更精确的理论分析中，声衍射通常分为两类： 菲涅尔衍射（近场衍射） ：观察点（或声源）到孔径（或障碍物）的距离是有限的。这种情况下，需要精确考虑从孔径上不同点发出的次级子波到达观察点时的路径差（相位差），计算复杂，通常采用菲涅尔半波带法或积分方法。近场区域的声压分布复杂，有明暗交替的条纹。 夫琅禾费衍射（远场衍射） ：观察点和声源到孔径的距离都足够远，可以认为入射波和出射波都是平面波。这种条件下衍射图样相对简单且稳定。例如，一列平面波通过一个狭缝后，在远场会形成一系列明暗相间的条纹（主极大和次极大），其角度分布（衍射角）与波长λ和缝宽d满足明确的正弦关系。 第五步：实际应用 声衍射原理在众多领域有重要应用： 建筑设计 ：剧院、音乐厅的声学设计需考虑结构边缘的衍射，以优化声场均匀性。 噪声控制 ：声屏障（如高速公路隔音墙）的设计，必须考虑低频声波的衍射效应，评估其实际降噪效果。 超声检测与成像 ：超声探头发射的声束并非完美直线，其边缘存在衍射和扩散，这限制了成像的纵向和横向分辨率。 水下声学 ：声波在复杂海底地形和物体周围的衍射，是声呐目标探测与识别必须考虑的因素。 听觉定位 ：人耳能分辨声音方向，部分依赖于声波在头部（特别是耳廓）周围产生的衍射所引入的频谱线索。