人耳听不见的声音――超声波

　　1=SimSun让1以上，目前使用的超声波从20让出到几十兆赫，步页率很亦即波长很短。例如，水下通讯。探测声纳。

　　超声诊断超声成像以及在液体中使用的超声波，其波长为15，1.5，金属超声探伤所用的波长为12，0.4，在气体中使用的超声波如用于空气净化气象监测以及捕集悬浮微粒等，所用的波长为17 7，同无线电波相比相当于超高频件朽到极高顿打叫段。处年来沁开始使1波长更短的超声波，其频率在102以上，其波长只有几十微米，已接近可光的波长了。

　　波长这样短的超声波，它具有类似光线的些物理性质。

　　超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射折射现象，也能聚焦。可以利用这些性质进行测量定位探伤和加工处理等。

　　超声波的波长很短，与发射器接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向面方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤水下探测，有很高的分辨能力，能分出非常微小的缺陷或物体。

　　能够产生窄的脉冲。为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲极窄，但是般脉冲宽度是波长的几倍如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的，超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用尹物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故可以给出大的功率。例如，振幅相同的1肘出超声波比1让出的声波的能量大100万倍。

　　潮谷，潮波前坡壁立，波顶倒卷而破碎，水位暴涨，流速迅疾，来势凶猛，出现汹涌澎湃的涌潮。历史上大潮差曾达93米潮汐能塍潮，次落潮，左方为陆地和海湾，中间为水坝，其下有通道，水流经过通道可带动发电机发电。涨潮时，7欠进入海湾，待内外海水面高度致时，堵住通道，6，潮落至低点时，放水发电，6所；待内外水面高度相同，再堵住通道，直到下次涨潮至高点，6，打开通道，又进水发电。

　　21世纪人类面临的主要的问是能源问。如何找到无污染。可再生能源早已摆在人们的面前。现在，人们在核能。地热能。风能太阳能潮汐能等的开发和利用上都已取得了定的成效。其中潮汐能就是种高效无污染。可再生的资源。如果能在我国沿海地区合理选择海湾拦海筑坝，充分利用大自然给与我们的取之不尽的潮汐能，这不但会缓解目前我国沿海开放城市电力资源严重不足的现状，促进当地经济的快速发展，而且从长远来看，还对调整我国电力结构，增大水电等清洁能源的比重起到积极的推动和范作用。

　　在液体中能产生空化现象。液体承受压力的能力是很强的如水压机中的水能承受几百个大气压，但是液体对拉力的反应很敏感。当超声波作用于液体介质时，在振动处于稀疏状态时，液体会被撕裂成很多产生高达几千个大气压的瞬时压力和高达几千摄氏度的高温，这现象称为空化。这种空化现象可用于超声清洗超声加速化学反应超声乳化。超声粉碎等技术中。

　　能够聚焦。超声波的聚焦可以使用凹面镜和声学棱镜，此外还有把发射面作成像雷达抛物面天线能在水中产生120个大气压的压力变化。

　　由于超声波具有上述系列特点，因此引起了人们对它的浓厚兴趣和普遍重视，并积极地把它应用于实际之中。目前，超声波的研究和应用已经渗入工业农业。国防医学以及航天和航空等领域，并且取得了卓有成效的进展。甚至有人认为超声技术可以和电子技术信息技术以及核子技术相媲美，是门具有广阔发展前景的高新技术。

　　超声技术的发展史人类对于声音的认识和研究可以追溯到很早的古代，大约在两千多年前，我国已有了关于声音的研究，这点可以通过出土的文物上有许多乐器和演奏乐器现和研究，还是在生产和科学技术有了相当发展以后才开始的。通常认为超声技术的发展开始于20世纪年代，大约只有年的发展历史。

　　谈到超声的发展史，有几件的事件需要提及。

　　第件事发生在1912年，英国新造巨型邮船泰塔尼克号在大西洋的航线上与流动的冰山相撞沉没，有1 500多人遇难。这个不幸事件引起了人们探讨使用超声波探测冰山的可能性，但是当时电子技术还处在电户管刚刚问世不久的阶段，还没有产生强大超声波的晶体振荡器，这个设想未能付诸实现。

　　第件事发生在1914年至1918年的第次世界大战期间，法国美国的舰队和商船受到德国潜艇的沉重打击，协约国舰船总吨位损失了近分之。法国美国为了侦察敌方潜艇的活动，认真地研究了应用超声侦察潜艇的问，这件事也是促使人们进行超声技术研究的重要原因之。

　　第件事就是压电效应的发现。1880年法国的居里兄弟在研究石英晶体的电现象时，发现有些物体，如石英等天然晶体，当它们受到外力的作用时，可以产生电荷。他们把这现象称为压电效应。年后，理论物理学家李普曼从理论上预测，如果种物体因受到压力变形而产生电，那么反过来，给它加上电压就会变形。同年，居里兄弟又用实验证实了这个预言。通过对压电效应进厅深入研究以后，人们发现如果把压力变成张力，产生的电荷会改变极性；同样在加电时如果把正负极颠倒过来，物体的形变会由伸长变成缩短。当输入到石英晶体上的是交变电流时，石英晶体就会按照交变电流的节奏伸缩地振动起来，也就是发出了声音。如果交变电流的频率是超声范围的，发出的就是超声波。通常将利用压电材料的压电效应产生超声波频电能变成超声机械能的装置。因此，居里兄弟发现的压电效应是产生超声的种重要的和实用的方法，而石英则是早的压电材料。顺便提下，在这两兄弟中，弟弟的妻子就是赫赫有名的两次获得诺贝尔奖的居里夫人。经过100多年的发展，科学家们发现世界上大约有分之的天然宝石具有压电效应。目前人们又研制出酒石酸钾钠晶体人工控制的石英晶体铌酸锂单晶等人造晶体和钛酸钡锆钛酸铅等压电陶瓷材料。后来发现有些有机物如偏聚氟乙烯奶等也有压电效应，这样就大大扩展了压电材料的家族。同时人们也发现，有些金属和磁性材料，如镍。钴。铁氧体和稀土等，在磁场的作用下也会发生形变，而且逆效应同样存在。这些材料称为磁致伸缩材料，而这现象则称为磁致伸缩效应。现在磁致伸缩效应也发展成种产生超声波的重要方法。同样这类换能器件称为磁致伸缩换能器，它是把电磁能变成超声频振动能的装置。

　　促使超声技术迅速发展的另件事发生在1918年前后。随着各种频率的电子管放大器的研究成功，大功率的高频电发生器的研制成为可能，同时结合居里兄弟发现的压电效应，1918年法国科学家郎之万在总结前人研究探索的基础上，用石英晶体试制成功了夹心式压电超声波换能器。制出了1的水卢纳。伤反潜中得到实际应用+从此以后利用声纳探测潜艇的研究工作受到了各国的普遍重视，海军势力比较强的各国都秘密地进行有关水声设备的研究和改进。另方面，除了军用以外，超声技术在理论研究中也获得了比较广泛的重视。

　　在超声应用的实践过程中，促进了人们对超声波认识的深化，到1925年皮尔斯又发明了超声干涉仪，此后关于超声波波长速度吸收反射等的测量和研究进展很快，1929年美籍奥地利人赫茨菲和美国人赖斯对超声的传播作出了理论上的解释。1932年荷兰人德拜等发明了用光栅衍射法测量在液体中传播的超声波的波长和速度。20世纪30年代初，各国海军大都装备了不同型号的超声侦测设备。在第次世界大战时期，军用的超声探测仪保密程度十分严格，各国竞相独自地进厅研究和生产。1944年发现了超声设备用的新材料，即钛酸盐压电晶体，而且其功率较大，灵敏度较高，在这前后还研究出了产生超声波的磁致伸缩方法，为提供产生较大功率超声波创造了条件。粗略地讲，超声技术的发展是从军事及海洋方面的应用开始的，在第次世界大战前它的发展和应用还仅限于反潜以及海洋探测方面。

　　超声技术在民用方面的应用是第次世界大战以后的事，先出现的是超声波鱼群探测仪，当时使用的频率在让出以下，这种仪器现在已成为渔船上普遍超声测量。超声加工超声清洗，超声诊断和治疗等是在20世纪5060年代兴起的，近年超声技术在生产科研的许多方面得到迅速发展。

　　前面我们谈到，人类对于超声的了解和利用是从20世纪初开始的。超声技术的发展史仅有100年左右。然而，大自然中的确有许多动物，他们不但能发出超声，而且能够利用超声来达到他们的目的。从这点来说，有许多动物都是的超声专家，人类与他们相比的确逊色许多。在这些动物中，蝙蝠和海豚可以说是出名的。我们人类能听到的声音的频率范围大概是16200001在这频率以外，包括次声和超声，我们是听不到的。讲到这里，我们自然会问到个问，大自然中的动物能听到的声音的频率范围是多少呢，经过研究，我们现在对这问已经有了定的了解。在哺乳动物中，大象和人样，能听到的声音频率大概在20200002之间。而其他的哺乳动物，包括狗和猫，都能听到超声。蝙蝠和海豚可以听到1001出以上的超声。鱼类两栖类。爬虫类和鸟类好的听觉范围在出到51出之间。猫头鹰在2让出到9让出的频率范围内听觉敏锐。

　　动物可以根据声音确定声源的方位。不同的哺乳动物，其具体的声定位精度有所不同，大概在120可以达到1以内。鱼类和两栖类动物的声定位精度是1020；爬虫类和鸟类的声定位精度是到220.

　　人类关于动物应用超声的研究，可以追溯到300年以前。当时，人们都知道，螗蝠能在漆黑的夜晚自由自在地飞厅，在丛林中飞厅不会撞到树上，在山洞中飞行也不会撞到岩石上，而且还能在漆黑的夜晚捕捉到猎物。大部分人都认为蝙蝠有双能够适应漆黑的夜晚的眼睛。当时有个意大利的科学家，他对人们的这共识有所怀疑，于是，他做了次试验。在间漆黑蝙蝠的眼睛蒙住，然后放飞。结果蝙蝠仍能在漆黑的房子中自由地飞行，而且点也碰不到绳子，铃铛不响。

　　这实验明，蝙蝠在夜间飞行，并不是因为有双明亮的能看穿黑夜的眼睛。既然这样，那么蝙蝠是靠什么在夜间飞行的呢，他又做了另次试验，这次，不是把蝙蝠的眼睛蒙住，而是把蝙蝠的耳朵塞住，让蝙蝠在房间里飞。结果是，房间里的铃声大作，被塞住耳朵的蝙蝠就像个无头苍蝇样，到处碰壁。这个实验说明，蝙蝠在夜间的飞行是靠耳朵听，而不是靠眼睛看。

　　既然蝙蝠在夜间飞行是依靠耳朵听，那么相对第次试验来说，绳子和铃铛又不会发声，蝙蝠是怎样听的呢，这个问当时无法解释。大概过了百年，这问才被弄明白。原来蝙蝠在飞行的过程中，会不断地发出系列人耳听不到的超声波脉冲，这些脉冲遇到障碍物会反射回来，蝙蝠用耳朵听到这些反射声时就会判断出障碍物在什么地方，从而能够及时地避开障碍物。另外，蝙蝠通过对反射声的识别，还能够判断出反射体是障碍物还是猎物，从而能够避开障碍物，捕捉猎物。从这点来说，人类所研制的声纳设备无论怎么，也不蝠的声纳，除此以外，海记利用超声在大海里游泳和捕食的。

　　超声波的应用范围从超声的物理性质出发，其应用可分为两大方面。

　　超声波作为探测以及，量的信息在气体中的测量参数包括风向风速气温煤气渗漏检查电缆漏电检查料位控制自动控制遥测防盗报警气体成份分析等；在液体中可以测量的参数有流速流量水温鱼群探测海深海底地貌寻找沉船反潜水下通讯以及液体的密度粘度浊度等；在固体中的测量参数有厚度探伤超声波固体延迟线超声诊断生物体组织的特征等。

　　超声波作为加工处理的能量在气体中的应用包括干燥除尘凝聚贵重金属洗乳化粉碎搅拌混合提取分散。加速化学反应等；在固体中的应用有超声金属加工超声金属及塑料焊接陶瓷玻璃及宝石等的打孔等。

　　结束语从上面简单介绍可以看出超声学是声学及物理学很强的学科交叉性和应用性。它可以渗透到声学的其他分支乃至物理学以外的科学技术领域；同时它具备在学科间相互交叉形成若干新的边缘学科的特点，因此，从这个意义上讲，超声学是推动多门科学技术高速发展的重要因素，因而有着广阔的前景和强大的生命力。

　　目前，超声技术的应用几乎遍及工农业生产医疗丘生科学研究以及国防建设等各方面，前面介绍仅是个粗略的概括。但是这些己经显出了超声技术在国民经济各部门中的重要性。超声技术的发展还只有近百年的历史，人们对于它的认识和利用还处在个开始阶段。而它对基础科学应用科学和工程技术等的贡献，还具有相当大的潜力。可以预，随着科学技术和深入，超声技术的应用也将得到更加普遍的推广和重视。