中学课本里的深潜知识丨海底的“微信”——水声通信

下潜到离地心最近的地方，征服“挑战者”深渊！中国“奋斗者”号载人潜水器正在马里亚纳海沟进行万米级海试。“奋斗者”号里的潜航员是如何跟母船上的工作人员联系的呢？在海底也可以用“微信”的嘛？“水声通信 ”又是什么？正在上学的你请跟我们一起巩固基础知识，而早就远离课本的你也请跟我们一起回忆自己无所不学的人生巅峰。

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在水下还能用电波联络吗？

要解答这个问题

我们先要理解光的一个特性

可见光一共有7种颜色

为何海水看起来

偏偏是蓝色 的呢

其实光是一种电磁波

不同颜色的光

波长和频率不一样

波长越大，越容易绕过障碍物

当它们碰到海面时

有趣的事情就发生了

↓↓↓

红光黄光这种波长比较大的

容易穿透到海面以下

蓝光这种波长小的

则很难穿透海水

会被反射和散射回来

进到我们的眼睛里

就形成了我们眼中的蓝海

所以要想和水面联络

关键是需要一种

能够穿透海水的波

↓↓↓

海水对波的阻挡作用

海水中不光有很多微粒障碍物

还有非常多带电离子

所以电磁波在海水中衰减极快

波长极大的电磁波

也不过能到达水下千米

在水下一万 米

电磁波是一定用不了的

突破海水的波 水声通信

其实我们初中就学过

声音也可以在水下传播

而且和电磁波比起来

声波的损耗就小得多了

所以，“奋斗者”号

其实是靠水声通信

来和海面上的母船联系的

科研人员对声音进行编码

不同的频率、振幅等

代表着不同的信息

这样将带有信息的声波信号发送给母船

母船接收到声波信号以后

再通过换能器

将声音信号转化为有效信息

我们就完成了深海与水面的沟通

最基础的物理知识 最尖端的科研

万丈高楼从地起

再高深的实验都有最基础的原理

万米级海试一样离不开

我们中学的物理知识

下一节课

我们将会迎来万米深潜的另一个挑战

它的基础原理也在中学的课本里

我们继续

用最基础的物理知识，

学懂最尖端的科研！

监制丨唐怡

制片人丨房轶婷

策划丨杜通

编导丨赵明旭

视觉丨朱灵萌

编辑丨赵汗青

统筹丨赵明旭 荣梦岩

特别鸣谢丨猿辅导 

关于频率（波长）与穿透、绕射能力的关系，终于有人能说明白了

关于电磁波频率（波长）和信号覆盖能力之间的关系，很多人都存在疑问。

有人说，电磁波的频率越高，穿透力越弱，所以覆盖能力差。那么就有人问，X射线和γ射线频率高，不是用于医学摄片和金属设备探伤吗？

也有人问，频率越高，穿透能力越弱，为什么可见光的频率那么高，却可以穿透玻璃呢？

总而言之，众说纷纭，谁也说不清楚，到底频率和穿透能力之间是什么样的关系。

今天这篇文章，我们就详细解释一下这个问题。

首先，我们要澄清一些基本概念。

什么是电磁波？大家可能觉得，电磁波不就是光波和电波么，扭来扭去的那种正弦图形，就是电磁波。

电磁波

严格来说，电磁波是以波动形式传播的电磁场。相同方向且相互垂直的电场和磁场，在空间中传播的震荡粒子波，就是电磁波。

电磁波的传播，不依赖于介质，就算在真空中，也可以传播。

太阳光，就是电磁波的一种可见的辐射形态。无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线，都是电磁波。它们的主要区别，就是频率不同。

大家切记，水波、声波不是电磁波，而是机械波。它们是需要实体介质的，一个点上下运动，带动下一个点运动，形成了波。

机械波

所以，请不要把电磁波想象成真的有那么一个正弦曲线在空间中扭动！

电磁波的类别和用处很多，为了避免发散，我们先仅限于讨论移动通信中的电磁波传播。

也就是说，我们重点讨论：电磁波信号由天线发出之后，究竟如何才能传播更远的距离？

电磁波的传播，有以下几种机制：直射、反射和衍射（绕射）。

A点到B点，如果没有障碍物，那么就是直射。它们之间只有空气。

现实中的环境不会那么简单，周围总会有一些障碍物，于是，会有一些反射。它们之间，还是空气为主。

信号会发生叠加，产生快衰弱（瑞利衰落）

如果有障碍物，那么问题出现了，信号该怎么过去呢？

除了借助环境物体进行反射之外，就只剩两个选择，一个是衍射（绕射），一个是直接穿透过去！

关于衍射，如果你的物理知识还没还给老师的话，应该记得“小孔成像”吧？

衍射，指的是波（如光波）遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。也就是说，电磁波具备“绕开”障碍物的能力。波长越长（大于障碍物尺寸），波动性越明显，越容易发生衍射现象。

再来看穿透。穿透这个比较麻烦。它包括了3个过程。

第一步，是障碍物表面。

电磁波从空气到障碍物（也就是导体），需要用外面的电场和磁场感应出介质里面的电场和磁场。

基于经典电磁波理论，电磁波在不同介质的传播速度，取决于介质（障碍物）的介电特性和介磁特性。如果介质是理想导体，导电性能特别好，那么，电场在该理想导体内部永远为0，就不能产生电场。

所以，如果障碍物是理想导体，所有的电磁波都会反射回去。

对于非理想导体（大部分介质），电磁波在表面上分成折射和反射的两部分。两部分的比例跟波速、入射角有关，而波速又跟频率有关。所以，经过介质表面时，电磁波信号就已经衰减掉一部分了。

好了，接下来是第二步，电磁波折射的一部分终于进入介质内部。

介质分为均匀介质和不均匀介质。我们先说均匀介质。

大部分介质不是理想导体或良导体，而是绝缘体或者有不同电阻率值的导体。

电磁波在绝缘体中的传播较为顺畅。像玻璃，就是一种非常典型的绝缘体。光线在玻璃中传播时，吸收率很低，所以玻璃看着就很透明。

很多晶体，例如食盐晶体、冰糖晶体，还有纯净的水结成的冰，都和玻璃类似。

最典型的就是光纤。光在光纤中，可以传输几十公里。

光纤的纤芯

电磁波在有不同电阻率的导体中传播，可以使用麦克斯韦方程式进行计算。具体怎么算，我就不解释了。

我们可以简单来理解：

电磁波是电场和磁场的传播，波峰和波谷是电场的两个极值。

当电磁波频率越高，则波长越短，波峰和波谷离得越近，介质某一点附近电场的差异就越大，相应电流就越大，所以损耗在介质里的能量就越多。

所以，相同前提条件下，在有电阻率的导体中，频率越高的电磁波，衰减得就越快。

比较典型的例子就是深海中的潜艇。潜艇都是使用长波或超长波与岸上基地进行通信的。因为无线信号的频率很低，在水中的衰减会更小。

对于不均匀介质，这个问题就更复杂了。

电磁波在不均匀介质中传播，等于是在不同介质之间反复地发生折射、反射、衍射。传播的路径更加复杂，最终射出的方向也非常复杂。过长的路径，也会带来更大的衰减（损耗）。

典型的例子是墙面，不管是钢筋混凝土墙面，还是砖砌墙面，都是不均匀介质，电磁波传播过程中，就有不同程度的衰减。

第三步，从介质到空气，又是一波折射和反射。

综上所述，大家应该明白，为什么频率越高的电磁波，穿透障碍物的能力越弱了吧？

我们家里使用的Wi-Fi，现在都有2.4GHz频段和5GHz频段。大家用过的话，应该都知道，5GHz信号的穿墙能力明显弱于2.4GHz信号。

还有我们昨天文章所说的毫米波，也是一样的道理。相同条件下，毫米波信号穿透障碍物的衰减，明显会大于Sub-6GHz的信号。

值得一提的是，不均匀介质的信号衰减程度，和介质颗粒度也有关系。如果这个颗粒打得很碎，颗粒很小，那么，对于低频电磁波来说，由于波长远大于颗粒尺寸，整体上电磁波的衰减会更小一些。

那么很多人会问，为什么高能射线例如X射线频率那么高，穿透力却很强呢？

这里面的原因很复杂。简单来说，对于这些频率极高的电磁波，经典的电动力学不能完全成立。

这是什么鬼理由？

这么说吧，X射线除了频率高之外，还有一个特性，那就是能量极强。

X射线照在介质上时，仅一小部分被介质的原子“挡住”，大部分经由原子之间的缝隙“穿过”，从而表现出很强的穿透能力。

那么，为什么像铅块这样的重金属可以有效阻挡X射线呢？因为铅块的原子序数较高，密度大，原子结构更紧密，不容易“穿透”。

好啦，文章写到这里，就要结束了。关于电磁波的波长频率与穿透能力的关系，大家都搞明白了吗？

参考文献：1、https://www.zhihu.com/question/51073615/answer/124484551知乎，灵剑2、https://www.zhihu.com/question/330291086/answer/725442889 知乎，一头大考拉3、《X射线穿透能力为什么这么强？》，无损检测站

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