二、超声波和次声波

    通常的超声波频率范围在2´104 ~ 5´108 Hz之间,若用激光激发晶体,可产生频率高达5´108 Hz以上的超声波。超声波由于频率高、波长短,因而产生了一系列与通常声波不同的特点。一个特点,由于其波长比在同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所以可以像光一样沿直线传播,具有很好的定向性。另一个特点,由于波的强度正比于频率的平方,所以在相同振幅时,超声波比普通声波具有大得多的能量。近代超声技术已能产生几百乃至几千瓦的超声波功率,压强振幅可达数千大气压。第三个特点,虽然超声波在气体中能够被强烈吸取,但在液体和固体中吸取却很小,因而具有很强的穿透能力。在不透明的固体中,可以穿透几十米的厚度。

    由于超声波具有上述特点,可以比较容易地获得能量高、方向性好并在液体或固体中具有很强穿透能力的超声波束,这样的超声波束具有广泛的应用。

    用超声波束可以探测海洋的深度、海底地形、鱼群或潜艇,也可以探测工件内部的伤痕,如裂缝、气孔等,还可以探测人体内部组织的发育状况或病变,如肝、脾肿大,肾、胆结石等。如果同时利用声全息技术,可以把声全息讯号以光的形式显示出来,这样便可以直接观察到被测物体的图像。

    当强超声波束在液体中传播时,声压振幅可达几十个大气压。因为相距半波长的两个介质质点具有相反的振动相位,对于高频超声波而言,半波长可以小到1 mm左右,这就是说在1  mm的距离上超声波产生了几十个大气压的压强差。可见超声波能够产生多么巨大的力!液体在这样巨大的力的作用下,发生剧烈的摩擦,因而产生局部的高温、高压以及放电现象,这能够破坏物质的结构,也能加速化学反应的进行。坚硬的固体在这样巨大的力的作用下,会被粉碎。利用超声波的这种性质还可以进行焊接、钻孔、清洗和除尘等。

    超声波在介质中的传播特性,如波速、衰减和吸取等都与介质的某些物理性质(如弹性模量、密度、温度等)有密切关系,因此可以通过声学量的测量来测定介质的这些性质。测定这些物理量的各种超声波仪器已经制成。

    由于超声波频率与一般电磁波频率相近,因此可以用超声元件代替某些电子元件,如超声波延迟线等。在无线电技术中,有时需要将讯号延迟一定的时间,而由于电磁波的速率很大,必须使用很长的传输线。如果通过超声延迟线将电磁波经换能器转换为超声波,让比电磁波波速小得多的超声波在介质中传播一定的距离后,再重新转换为电磁波,相当于电磁波在空间或传输线上传播很长的距离,从而达到将讯号延迟的目的。

    超声波对生物体也有明显的作用。例如,某些农作物种子经超声波处理后可提前发芽和增产,而有的植物种子经超声波处理后发芽能力却会降低。人体的某些病变,用超声波治疗可获得良好效果。

    产生超声波一般是通过电磁振荡与机械振动的转换来实现,完成这种转换的装置称为电声换能器。用来产生超声波的电声换能器,常见的有两种,一种是压电换能器,另一种是磁致伸缩换能器。

    压电换能器是利用具有压电效应的陶瓷晶体(如石英、酒石酸钾钠、锆钛酸铅和钛酸钡等)制成的。这种晶体在周期性压力作用下,会产生周期性电压,这种现象称为压电效应。相反,在周期性电压作用下,晶体会发生机械振动,这种现象称为电致伸缩,又叫逆压电效应。压电换能器就是利用这种效应产生超声波的。

    磁致伸缩换能器是利用具有磁致伸缩效应的铁磁材料(如纯镍、镍钴合金和钴铁氧体等)制成的。这种材料在周期性磁场作用下,会发生周期性的伸缩,即机械振动,这种现象称为磁致伸缩效应。

    超声波接收器也是一种换能器,通过这种换能器可将接收到的超声波转换为电讯号。最常见的转换原理是压电效应和逆磁致伸缩效应。

    次声波又称亚声波,是指频率范围在10-4 ~ 20 Hz之间的机械波。次声波虽然不能引起人的听觉,但会引起人的生理上或心理上的感觉,产生不适症状,如恶心、头晕或精神沮丧等。

    自然界中的许多现象会产生次声波,如火山爆发、地震、大气湍流、台风、海啸、磁暴和极光等。除自然现象外,许多人为活动也会伴随产生次声波,如核爆炸、火箭发射等。

    由于次声波的频率很低,波长很长,所以只有遇到巨大的障碍物或介质的分界面时,才会发生明显的反射和折射。又由于次声波在介质中传播时很少被吸取,在大气中传播几千公里吸取还不到万分之几分贝,所以它可以传播得很远。

    利用次声波的这些特点,可以探测地震和海啸的发生以及火箭的发射。可以监视和检测大气层,根据风暴和台风所激发的次声波,预报风暴和台风的到来等。

       
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