互动科普

一般人可能都见过放大镜，没见过放大镜也见过眼镜或照相机之类的东西，一般光学仪器或设备中都会用到透镜。透镜有一个最基本的性质，就是有焦点（曲面镜也有焦点），可以汇聚或发散光线，从而实现聚焦。只要能聚焦就可以成像，这是很有用处的。

用普通光学透镜做成镜头，我们可以照相，拍下迷人的风光，留下动人的倩影。利用聚焦成像更大的用途还远不止于此，天文望远镜可以延伸我们眼睛到宇宙的深处，显微镜则把带我们到细胞内徜徉。

还有其他可以聚焦的东西，都有很多的用处，比如磁场可以使电子聚焦，据此造出电子显微镜，让我们看到原子的世界；引力也可以聚焦，藉此可以发现宇宙中更多的秘密，甚至发现暗物质。似乎散播的东西都可以找到某种聚焦的方式，那声音也能聚焦吗？

我们先来看看透镜的聚焦，一般的正透镜，就是能汇聚光线的透镜，都是由两个曲面或者一个曲面和一个平面构成，曲率比较大的透镜常常是鼓鼓的、厚厚的，看上去很可爱，但是透镜厚了会增大色差、像差之类的毛病。我们知道，透镜聚光或成像是发生在整个镜面上的，挡住随便一部分透镜并不影响成像，就算露出随意形状一小点表面，也不误成像，照相机的光圈多大都可以照相就是根据这样的性质。据此，既然镜面上每一块面积都可以独立成像，天才的法国物理学家菲涅耳把单凸透镜中间厚厚的玻璃抽掉，把曲面的一面一圈一圈地下移，每一圈都可独立成像，所有圈加起来与原来透镜一样成像，这样，鼓鼓的透镜就变成了平平的一圈一圈的阶梯透镜。这种透镜厚度小、重量轻、光吸收损失小，由于各圈相对独立，还可以方便地调整像差。但是这种透镜加工难度比较大，成像效果差了点，菲涅耳最早把它用在导航的灯塔上。后来人们把这种透镜称为菲涅耳透镜。近年来由于加工工艺的提高和光学塑料的发展，菲涅耳透镜有了广泛的用途。

这离声音聚焦似乎远了点，但对声音聚焦有启发作用，人们模仿菲涅耳透镜，用一块平板做成一圈一圈镂空的装置，相当于一个个圆环套在一起，给它起了个名字叫“声音菲涅耳透镜”。虽然两种透镜原理却有很大不同，但这种透镜确实能起到把声音聚焦的作用，从效果来说与光学透镜有相似之处，叫透镜也算恰当。

光学透镜是通过光的折射产生汇聚，而这种装置是由声波通过缝隙发生衍射，衍射波向各个方向传播，导致在某些点上声波得到干涉加强，而在某些点上声波会干涉减弱。如果在“声音菲涅耳透镜”一边放置声源，在另一边你会听到在某些点上声音特别强，比未放置声音菲涅耳透镜时要强。而在某些点上会听到声音变得很弱。因此，并不像光学透镜那样会把平行光汇聚于一点，声音菲涅耳透镜把声音汇聚在很多不同的点上。

另外这种声音透镜的镂空缝隙宽度要与声音的波长差不多，衍射效果比较明显。还有一点，对于不同的波长，声波汇聚点会在不同的位置，藉此是否可以把混杂的声波分离开呢？

把声音聚焦有很多不同方式，例如：利用不同介质声速不同产生折射制成的声透镜，应用于超声显微镜可以看到许多光无法到达的地方。日常生活中也可看到很聚声的方法，比如：喇叭筒。

声音菲涅尔透镜装置

（本文发表于《科学世界》2010年第3期）