一文講透頻率（波長(zhǎng)）與穿透、繞射能力的關(guān)系

關(guān)于頻率與穿透、繞射能力的關(guān)系，本文將為您揭示其科學(xué)原理。首先，電磁波并非簡(jiǎn)單的正弦圖形，而是以波動(dòng)形式傳播的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。電磁波的傳播并不依賴介質(zhì)，且頻率決定了其特性。頻率越高，波長(zhǎng)越短，電場(chǎng)的波動(dòng)性越顯著，這使得在遇到障礙物時(shí)，衍射現(xiàn)象更易發(fā)生，即電磁波可以繞過障礙物。

然而，穿透能力并非僅與頻率相關(guān)。對(duì)于理想導(dǎo)體，如金屬，高頻電磁波無(wú)法穿透，因?yàn)殡妶?chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)無(wú)法形成，會(huì)全部反射。在非理想導(dǎo)體如玻璃或絕緣體中，高頻電磁波衰減更快，因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)較短，能量損失更大。在不均勻介質(zhì)中，如墻面，由于路徑復(fù)雜，高頻率信號(hào)衰減更顯著。

高能射線如X射線頻率雖高，但其穿透能力強(qiáng)，原因在于能量強(qiáng)大，部分能穿透原子間的縫隙。而重金屬如鉛的高密度和緊密原子結(jié)構(gòu)使得它能有效阻擋X射線。

關(guān)于電磁波頻率(波長(zhǎng))和信號(hào)覆蓋能力之間的關(guān)系，很多人都存在疑問。

有人說，電磁波的頻率越高，穿透力越弱，所以覆蓋能力差。那么就有人問，X射線和γ射線頻率高，不是用于醫(yī)學(xué)攝片和金屬設(shè)備探傷嗎?

也有人問，頻率越高，穿透能力越弱，為什么可見光的頻率那么高，卻可以穿透玻璃呢?

總而言之，眾說紛紜，誰(shuí)也說不清楚，到底頻率和穿透能力之間是什么樣的關(guān)系。

今天這篇文章，我們就詳細(xì)解釋一下這個(gè)問題。

首先，我們要澄清一些基本概念。

什么是電磁波?大家可能覺得，電磁波不就是光波和電波么，扭來扭去的那種正弦圖形，就是電磁波。

嚴(yán)格來說，電磁波是以波動(dòng)形式傳播的電磁場(chǎng)。相同方向且相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，在空間中傳播的震蕩粒子波，就是電磁波。

電磁波的傳播，不依賴于介質(zhì)，就算在真空中，也可以傳播。

太陽(yáng)光，就是電磁波的一種可見的輻射形態(tài)。無(wú)線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線，都是電磁波。它們的主要區(qū)別，就是頻率不同。

大家切記，水波、聲波不是電磁波，而是機(jī)械波。它們是需要實(shí)體介質(zhì)的，一個(gè)點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)下一個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，形成了波。

所以，請(qǐng)不要把電磁波想象成真的有那么一個(gè)正弦曲線在空間中扭動(dòng)!

電磁波的類別和用處很多，為了避免發(fā)散，我們先僅限于討論移動(dòng)通信中的電磁波傳播。

也就是說，我們重點(diǎn)討論：電磁波信號(hào)由天線發(fā)出之后，究竟如何才能傳播更遠(yuǎn)的距離?

電磁波的傳播，有以下幾種機(jī)制：直射、反射和衍射(繞射)。

A點(diǎn)到B點(diǎn)，如果沒有障礙物，那么就是直射。它們之間只有空氣。

實(shí)中的環(huán)境不會(huì)那么簡(jiǎn)單，周圍總會(huì)有一些障礙物，于是，會(huì)有一些反射。它們之間，還是空氣為主。如果有障礙物，那么問題出現(xiàn)了，信號(hào)該怎么過去呢?

除了借助環(huán)境物體進(jìn)行反射之外，就只剩兩個(gè)選擇，一個(gè)是衍射(繞射)，一個(gè)是直接穿透過去!

關(guān)于衍射，如果你的物理知識(shí)還沒還給老師的話，應(yīng)該記得“小孔成像”吧?

衍射，指的是波(如光波)遇到障礙物時(shí)偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象。也就是說，電磁波具備“繞開”障礙物的能力。波長(zhǎng)越長(zhǎng)(大于障礙物尺寸)，波動(dòng)性越明顯，越容易發(fā)生衍射現(xiàn)象。

再來看穿透。穿透這個(gè)比較麻煩。它包括了3個(gè)過程。

第一步，是障礙物表面。電磁波從空氣到障礙物(也就是導(dǎo)體)，需要用外面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)感應(yīng)出介質(zhì)里面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

基于經(jīng)典電磁波理論，電磁波在不同介質(zhì)的傳播速度，取決于介質(zhì)(障礙物)的介電特性和介磁特性。如果介質(zhì)是理想導(dǎo)體，導(dǎo)電性能特別好，那么，電場(chǎng)在該理想導(dǎo)體內(nèi)部永遠(yuǎn)為0，就不能產(chǎn)生電場(chǎng)。

所以，如果障礙物是理想導(dǎo)體，所有的電磁波都會(huì)反射回去。

對(duì)于非理想導(dǎo)體(大部分介質(zhì))，電磁波在表面上分成折射和反射的兩部分。兩部分的比例跟波速、入射角有關(guān)，而波速又跟頻率有關(guān)。所以，經(jīng)過介質(zhì)表面時(shí)，電磁波信號(hào)就已經(jīng)衰減掉一部分了。

好了，接下來是第二步，電磁波折射的一部分終于進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部。

介質(zhì)分為均勻介質(zhì)和不均勻介質(zhì)。我們先說均勻介質(zhì)。

大部分介質(zhì)不是理想導(dǎo)體或良導(dǎo)體，而是絕緣體或者有不同電阻率值的導(dǎo)體。

電磁波在絕緣體中的傳播較為順暢。像玻璃，就是一種非常典型的絕緣體。光線在玻璃中傳播時(shí)，吸收率很低，所以玻璃看著就很透明。

很多晶體，例如食鹽晶體、冰糖晶體，還有純凈的水結(jié)成的冰，都和玻璃類似。

最典型的就是光纖。光在光纖中，可以傳輸幾十公里。

電磁波在有不同電阻率的導(dǎo)體中傳播，可以使用麥克斯韋方程式進(jìn)行計(jì)算。具體怎么算，我就不解釋了。

我們可以簡(jiǎn)單來理解：

電磁波是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的傳播，波峰和波谷是電場(chǎng)的兩個(gè)極值。當(dāng)電磁波頻率越高，則波長(zhǎng)越短，波峰和波谷離得越近，介質(zhì)某一點(diǎn)附近電場(chǎng)的差異就越大，相應(yīng)電流就越大，所以損耗在介質(zhì)里的能量就越多。

所以，相同前提條件下，在有電阻率的導(dǎo)體中，頻率越高的電磁波，衰減得就越快。

比較典型的例子就是深海中的潛艇。潛艇都是使用長(zhǎng)波或超長(zhǎng)波與岸上基地進(jìn)行通信的。因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)的頻率很低，在水中的衰減會(huì)更小。

對(duì)于不均勻介質(zhì)，這個(gè)問題就更復(fù)雜了。

電磁波在不均勻介質(zhì)中傳播，等于是在不同介質(zhì)之間反復(fù)地發(fā)生折射、反射、衍射。傳播的路徑更加復(fù)雜，最終射出的方向也非常復(fù)雜。過長(zhǎng)的路徑，也會(huì)帶來更大的衰減(損耗)。典型的例子是墻面，不管是鋼筋混凝土墻面，還是磚砌墻面，都是不均勻介質(zhì)，電磁波傳播過程中，就有不同程度的衰減。第三步，從介質(zhì)到空氣，又是一波折射和反射。

綜上所述，大家應(yīng)該明白，為什么頻率越高的電磁波，穿透障礙物的能力越弱了吧?

我們家里使用的Wi-Fi，現(xiàn)在都有2.4GHz頻段和5GHz頻段。大家用過的話，應(yīng)該都知道，5GHz信號(hào)的穿墻能力明顯弱于2.4GHz信號(hào)。

還有我們昨天文章所說的毫米波，也是一樣的道理。相同條件下，毫米波信號(hào)穿透障礙物的衰減，明顯會(huì)大于Sub-6GHz的信號(hào)。

值得一提的是，不均勻介質(zhì)的信號(hào)衰減程度，和介質(zhì)顆粒度也有關(guān)系。如果這個(gè)顆粒打得很碎，顆粒很小，那么，對(duì)于低頻電磁波來說，由于波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸，整體上電磁波的衰減會(huì)更小一些。

那么很多人會(huì)問，為什么高能射線例如X射線頻率那么高，穿透力卻很強(qiáng)呢?

這里面的原因很復(fù)雜。簡(jiǎn)單來說，對(duì)于這些頻率極高的電磁波，經(jīng)典的電動(dòng)力學(xué)不能完全成立。

這么說吧，X射線除了頻率高之外，還有一個(gè)特性，那就是能量極強(qiáng)。

X射線照在介質(zhì)上時(shí)，僅一小部分被介質(zhì)的原子“擋住”，大部分經(jīng)由原子之間的縫隙“穿過”，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)的穿透能力。

那么，為什么像鉛塊這樣的重金屬可以有效阻擋X射線呢?因?yàn)殂U塊的原子序數(shù)較高，密度大，原子結(jié)構(gòu)更緊密，不容易“穿透”。