什么是超聲波?

 基本原理
超聲波是聲波的一部分，是人耳聽不見、頻率高于20KHZ的聲波，它和聲波有共同之處，即都是由物質(zhì)振動(dòng)而產(chǎn)生的，并且只能在介質(zhì)中傳播﹔同時(shí)，它也廣泛地存在于自然界，許多動(dòng)物都能發(fā)射和接收超聲波，其中以蝙蝠最為突出，它能利用微弱的超聲回波在黑暗中飛行并捕捉食物。但超聲還有它的特殊性質(zhì)'如具有較高的頻率與較短的波長(zhǎng)，所以，它也與波長(zhǎng)很短的光波有相似之處。
特性
超聲波是彈性機(jī)械振動(dòng)波，它與可聽聲相比還有一些特點(diǎn):傳播的方向較強(qiáng)，可聚集成定向狹小的線束﹔在傳播介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的加速度非常之大;在液體介質(zhì)中當(dāng)超聲強(qiáng)度達(dá)到一定值后便會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象。
一、束射特性
從聲源發(fā)出的聲波向某一方向(其他方向甚弱〉定向地傳播，稱之為束射。超聲波由于它的波長(zhǎng)較短，當(dāng)它通過小孔(大于波長(zhǎng)的孔》時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出集中的一束射線向一定方向前進(jìn)。又由于超聲方向性強(qiáng)，所以可定向采集信息。同樣當(dāng)超聲波傳播的方向上有一障礙物的直徑大于波長(zhǎng)時(shí)，便會(huì)在障礙物后產(chǎn)生"聲影”。這些猶如光線通過小孔和障礙物一樣，所以超聲波具有和光波相似的束射特性。超聲波的束射性的好壞，一般用發(fā)散角的大小來衡量（習(xí)慣上用半發(fā)射角臼表示)。以平面圓形活塞式聲源為例，其大小決定于聲源的宜徑(D)和聲波的波長(zhǎng)(A)。由此看出，要使發(fā)聲體發(fā)射出方向性有較好的超聲波，必須使0角盡量小，發(fā)射體（聲源〉的直痙D必須很大或發(fā)射的頻率f也必須很高才能得到，否則將適得其反。由于超聲波的波長(zhǎng)要比可聽聲的波長(zhǎng)短，所以它就比可聽聲波有較好的束射特性，頻率愈高的超聲波，波長(zhǎng)愈短，這種向一定方向傳播的特性就愈顯著。
吸收特征
超聲波在各種介質(zhì)傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，超聲強(qiáng)度會(huì)漸漸減弱，能量逐漸消耗，這種能量被介質(zhì)吸收掉的特性，稱之為聲吸收。1845年斯托克斯(Stoke。G.G.)發(fā)現(xiàn):當(dāng)聲波通過液體，因液體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦〈即粘滯作用)導(dǎo)致聲吸收，因而導(dǎo)出了由介質(zhì)的內(nèi)摩擦或粘性引起的液體中聲吸收公式。還有，當(dāng)聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，壓縮區(qū)的溫度將高于平均溫度﹔相反，稀疏區(qū)的溫度低于平均溫度，因此，由于熱傳導(dǎo)使聲波的壓縮和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而引起聲波能量的減少1868年基爾霍夫(Kirchhoff G.)導(dǎo)出了由熱傳導(dǎo)引起的聲吸收公式。
由此看出，吸收系數(shù)a與聲波頻率的平方成正比，當(dāng)頻率增加10倍，則吸收系數(shù)就增大100倍。即頻率愈高，吸收愈大，因而聲波傳播的距離愈小。在氣體中，1920年愛因斯坦提出了由聲頻散來確定締合氣體的反應(yīng)率，從而促進(jìn)了對(duì)氣體分子熱弛豫吸收機(jī)制延伸到液體的研究，得出了由于介質(zhì)中的分子相互之間的碰撞引起分子熱弛豫吸收。所以低頻聲波在空氣中可以傳播很遠(yuǎn)距離,而高頻聲波在空氣中很快的衰減了。在固體中，聲吸收在很大程度上取決于固體的實(shí)際結(jié)構(gòu)。
由以上看出引起不同介質(zhì)對(duì)聲吸收的原因很多，但主要原因是介質(zhì)的粘滯性、熱傳導(dǎo)、介質(zhì)的實(shí)際結(jié)構(gòu)及介質(zhì)的微觀動(dòng)力學(xué)過程中引起的弛豫效應(yīng)等，這些介質(zhì)中的聲吸收都隨著聲的頻率而變化。超聲波是高頻率的聲波，在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著頻率的增大，被介質(zhì)吸收的能量就愈大。例如頻率為10Hz的超聲波在空氣中被吸收的能量比頻率為10Hz的聲波大100倍;對(duì)同一頻率的超聲波因傳播的介質(zhì)不同。如在氣體、液體、固體中傳播時(shí)，其吸收分別為最厲害、較弱、最小。所以超聲波在空氣中傳播距離最短。
超聲波在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的吸收，而影響聲強(qiáng)度隨距離的增加而減弱，這就是聲波衰減。當(dāng)超聲波起始強(qiáng)度為J0，經(jīng)過x米距離后，其強(qiáng)度為Jx= Joe-2ax"" '式中a為吸收系數(shù)（衰減系數(shù)》。由上可得在各種介質(zhì)中聲波的吸收系數(shù)，由此看出超聲強(qiáng)度是以指數(shù)而衰減的。例如頻率為106Hz的超聲波在離開聲源以后，在空氣中經(jīng)過0.5m距離，其強(qiáng)度就要減弱一半;在水中傳播,要經(jīng)過500m的距離后才使強(qiáng)度減弱一半，可看出在水中傳播的距離相當(dāng)于在空氣中傳播距離的1000倍。隨著頻率的增高，衰減越快。如頻率為1011Hz的超聲在空氣中傳播，當(dāng)在離開聲源的一剎那間就會(huì)全部消失得無影無蹤。在粘度很大的液體中，超聲被吸收得更快。例如在200C時(shí)，使頻率為300kHz的超聲的強(qiáng)度減至一半，只需0.4m厚的空氣就夠了，至于在水中就要經(jīng)過440m，在變壓器油中就要傳播100m左右，而在石蠟中只需傳播3m左右。因此，粒度極大的物質(zhì)《橡皮、膠木、瀝青〉則是超聲波良好的絕緣體。
能量大
超聲波傳播的能量比可聽聲大得多。因?yàn)楫?dāng)聲波到達(dá)某一物質(zhì)時(shí)，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也跟著振動(dòng)，振動(dòng)的頻率和聲波頻率一樣，所以分子振動(dòng)頻率決定了分子振動(dòng)的速度，頻率越高速度越大。從而物質(zhì)的分子由振動(dòng)而獲得了能量，其能量除了與分子的質(zhì)量有關(guān)外，還與分子的振動(dòng)速度的平方成正比，而振動(dòng)速度又與分子振動(dòng)的頻率有關(guān)，所以聲波的頻率越高，也就是物質(zhì)分子得到的能量越高。超聲波的頻率比聲波的頻率可高得多，所以超聲波可使物質(zhì)分子獲得更大的能量。由此說明超聲波本身可以供給物質(zhì)足夠大的能量。
我們平常人耳能到的聲波頻率低、能量小。如高聲談話聲約等于5ouWIcm2的強(qiáng)度。但超聲波所具有的能量就比聲波大得多。例如頻率為10Hz的超聲振動(dòng)所具有的能量，比振幅相同而頻率為103Hz的聲波振動(dòng)的能量要大100萬倍，因?yàn)槁暡ǖ哪芰颗c頻率的平方成正比。由此看出，主要是超聲波的巨大機(jī)械能量使物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生了極大的加速度。
在一般工作中，正常響度的揚(yáng)聲器的聲強(qiáng)為2×10—9 WwIcm2，炮的射擊聲的聲強(qiáng)為10—3Wicm2﹔中等響度的聲音使水的質(zhì)點(diǎn)所獲得的加速度只有重力加速度〈980cmls2)的百分之幾，所以不會(huì)對(duì)水產(chǎn)生影響。然而如果把超聲作用于水中，使水質(zhì)點(diǎn)所達(dá)到的加速度可能比重力加速度大幾十萬倍甚至幾百萬倍，所以就會(huì)使水質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生急速運(yùn)動(dòng)。它在超聲提取中有著極其重要的作用。