超声波及其应用

（一）超声波

有人认为凡是声音人们都能听见，事实并不尽然。我们知道，声音起源于发声体的机械振动，由于生理机能的限制，人耳能听到的声波频率是有一定限度的，多数人能够听到的声音的频率范围，大约是从20赫芝到2万赫芝（赫芝简称赫）。这个范围的声波叫做可听声。高于2万赫的声波叫做超声波。

每个人能听到声波频率的最高限度各不相同。一般而言，老年人的听觉迟钝些，能够听到的最高频率不超过6千赫，通常人们对最高频率的感受差别也很大，有许多昆虫（象蚊子和蟋蟀等）发出的声音频率大约在2万赫左右，这些音调往往使有些人听得见，而另外一些人则听不到。因此，经常有这样的情景，在天高气爽的秋季，当人们漫步在田间的小路上，此起彼伏的秋虫唧唧声，有人感到尖锐刺耳，有人感到和谐悦耳，也有人却并未入耳，听而不闻。蝙蝠的发生频率高达几万乃至十几万赫，大大地超过了正常人的听觉范围。

有趣的是，某些动物听高音的能力比人强得多。比如巴甫洛夫实验室的工作人员发现狗可以听到高达3方8千赫的声波，这纯属超声振动的范畴了，蝙蝠竟然能听到十几万赫的声波，它的听觉非常敏锐，在夜间活动它的视觉已经不起什么作用了，就完全依赖听觉接受反射回来的超声波信号灵巧地捕捉食物。有人曾做过这样的实验，在漆黑的房间里挂满系有铃铛的绳索，然后把蝙蝠放入，它巧妙地上下翻飞，穿梭于绳索之间，竟然不会碰响任何一只铃铛。

（二）超声波的应用

当代的科学技术能够研制出频率高达l00亿的超声波。产生超声波的一种方法是利用石英片的压电效应，石英片是从石英晶体上用一定的方法切下来的，在压缩的情况下，它具有表面带电的性能。反之，如使石英片的表面周期性地带电，那么这表面就会在电荷的作用下，交替地伸缩，产生了超声波振动。可用电子振荡器使石英片带电，振荡器的频率应当和石英片的固有频率相同。由于石英晶体很贵，产生的超声波不强，常用在实验室里。工程技术上应用的压电片常是人工合成物质，如钛酸钠陶瓷等。

超声波由于频率很高，具有奇特的性质，在工农业生产、医药卫生以及科学研究等方面都有广泛的应用。它可以使媒质产生剧烈的振动，具有机械、热、光、电、化学和生物等方面的种种效应。

把振动着的石英片浸在油缸里，在受到超声波作用的那一部分液体的表面上，就会激起高达10厘米的波峰，同时还有小油滴飞溅到40厘米高处。可以用来清洗小到钟表零件一类的精密部件，大到一、二十米长的整个导弹壳体和反应堆里的热交换器部件。

如果把一根长1米的玻璃管的一头浸在这油缸里，并且用手握住另一头，手有烫灼之感甚至会留下伤痕。若让玻璃管的一端跟木料接触，会把木料烧穿一个洞，这说明超声波的能量转变成了热能。超声波的这种性能可以用来钻孔，对象宝石、玻璃、陶瓷等坚硬的脆性材料，能钻出任意形状、任何口径的孔。如果在切削工具上加进超声振动，可以使切消阻力降低1/5到1/10，并且能提高切削质量。用超声方法可以使物质软化流动，这种方法所需的能量只有普通加热法的千万分之一，因此超声在拉管、拔丝、挤压成型和铆接等工艺上大有作为。

超声波还能使动物的体温升高，比如能使老鼠的体温升高到45℃。因此，这种热效应，使听不见的超声波同看不见的紫外线一样，广泛有效地应用在医疗上。

超声波的高频振动还能“粉碎”液体，使各种在通常情况下不能混合的液体（如油和水等）混合在一起。它也能“粉碎”细菌，可以用来杀菌消毒。它还能使海草等植物的纤维碎裂，动物的细胞破碎，破坏血球，使小鱼和蛙类在一二分钟里被杀死。

超声波的穿透能力很强，可以穿透几米厚的钢铁，在冶金，机械工业广泛用来探测金属内部结构是否均匀，有没有气泡，裂缝等缺陷，这种透视金属的方法有很好的效益，能发现小到1毫米的金属缺陷，还可以制成医学上诊断疾病的工具。

超声波的波长很短，近似直线传播，能够定向发射，因此可以制成“超声雷达”，用来探测鱼群、海底深度、暗礁、潜艇等。这是无线电雷达所望尘莫及的，因为电磁波在水里衰减很快、传播不远，它很难侦察海底的情况。

在农业上，用超声波处理种子，可以缩短发芽时间并提高出芽率。