第九节 次声波和超声波

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次声波和超声波

　　人耳能够听到的声波的频率是有限的，大致在20赫兹到20000赫兹之间，频率低于20赫兹的声波我们称它为次声波；频率高于20000赫兹的声波，我们称为超声波，次声波和超声波虽然不能引起人类听觉器官的感觉，但它们对人类仍具有很大的实际意义。
　　地震、台风、核爆炸、火箭起飞都能产生次声波，接受次声波，研究次声波的产生，可以为现代生产、人民生活、科学研究服务，到目前为止，次声波的研究和应用才只是刚刚开始。
　　超声波由于具有不同于可闻声波的特性，在各项领域有许多重要作用。高频的超声波方向性好，因为波长短，衍射不明显，超声波能定向传播。超声波的穿透本领大，能量集中，在液体、固体中传播时，衰减很小。在不透明的固体中，超声波能穿透几十米的厚度。超声波碰到杂质或介质分界面有显著的反射。

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声波及其应用

　　人耳最高只能感觉到大约 20000 Hz 的声波，频率更高的声波就是超声波了．超声波广泛地应用在多种技术中．
　　超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播．它的应用就是按照这两个特点展开的．
　　理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比．超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大．在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度．这就是超声波加湿器的原理．对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位．利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗效．利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎．
　　金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事．如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，能够很快清洗干净．
俗话说"隔墙有耳"，这说明声波能够绕过障碍物．但是，波长越短，这种绕射现象越不明显，因此，超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射．如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了．这种仪器叫做声纳．声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度．
　　根据同样的道理也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹．
　　人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样．平常说的"B超"就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变。
　　有趣的是，很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官．以昆虫为食的蝙蝠，视觉很差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物．海豚也有完善的"声纳"系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置．现代的无线电定位器--雷达，质量有几十、几百、几千千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器．深入研究动物身上各种器官的功能和构造，将获得的知识用来改进现有的设备和创制新的设备，这是近几十年来发展起来的一门新学科，叫做仿生学．

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噪声的作用

　　噪声一向为人们所厌恶。但是，随着现代科学技术的发展，人们也能利用噪声造福人类。
　　噪声除草
　　科学家发现，不同的植物对不同的噪声敏感程度不一样。根据这个道理，人们制造出噪声除草器。这种噪声除草器发出的噪声能使杂草的种子提前萌发，这样就可以在作物生长之前用药物除掉杂草，用"欲擒故纵"的妙策，保证作物的顺利生长。
　　噪声诊病
　　美妙、悦耳的音乐能治病，这已为大家所熟知。但噪声怎么能用于诊病呢？最近，科学家制成一种激光听力诊断装置，它由光源、噪声发生器和电脑测试器三部分组成。使用时，它先由微型噪声发生器产生微弱短促的噪声，振动耳膜，然后微型电脑就会根据回声，把耳膜功能的数据显示出来，供医生诊断。它测试迅速，不会损伤耳膜，没有痛感，特别适合儿童使用。此外，还可以用噪声测温法来探测人体的病灶。
　　有源消声
　　通常所采用的三种降噪措施，即在声源处降噪、在传播过程中降噪及在人耳处降噪，都是消极被动的。为了积极主动地消除噪声，人们发明了"有源消声"这一技术。它的原理是：所有的声音都由一定的频谱组成，如果可以找到一种声音，其频谱与所要消除的噪声完全一样，只是相位刚好相反（相差180°），就可以将这噪声完全抵消掉。关键就在于如何得到那抵消噪声的声音。实际采用的办法是：从噪声源本身着手，设法通过电子线路将原噪声的相位倒过来。由此看来，有源消声这一技术实际上是"以毒攻毒"。

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电子琴的发音原理

　　电子琴既可以演奏不同的曲调，又可以发出强弱不同的声音，还可以模仿二胡、笛子、钢琴、黑管以及锣鼓等不同乐器的声音。那么，电子琴的发音原理是怎样的？
　　大家知道，当物体振动时，能够发出声音。振动的频率不同，声音的音调就不同。在电子琴里，虽然没有振动的弦、簧、管等物体，却有许多特殊的电装置，每个电装置一工作，就会使喇叭发出一定频率的声音。当按动某个琴键时，就会使与它对应的电装置工作，从而使喇叭发出某种音调的声音。
　　电子琴的音量控制器，实质上是一个可调电阻器。当转动音量控制器旋扭时，可调电阻器的电阻就随着变化。电阻大小的变化，又会引起喇叭声音强弱的变化。所以转动音量控制旋扭时，电子琴发声的响度就随之变化。
　　当乐器发声时，除了发出某一频率的声音──基音以外，还会发出响度较小、频率加倍的辅助音──谐音。我们听到的乐器的声音是它发出的基音和谐音混合而成的。不同的乐器发出同一基音时，不仅谐音的数目不同，而且各谐音的响度也不同。因而使不同的乐器具有不同的音品。在电子琴里，除了有与基音对应的电装置外，还有与许多谐音对应的电装置，适当地选择不同的谐音电装置，就可以模仿出不同乐器的声音来。

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人耳听不到的声音——超声波

一、概述
　　人类能够听见的声音，其振动频率范围大体上为16Hz到20kHz．振动频率低于20Hz的声波称为次声，振动频率高于20kHz的声波，称为超声波，次声和超声波是一种听不见的声波．由于超声波不能直接被人们所听见，因此对于它的发现和认识也是比较晚的，超声波的发展历史大概仅有100年左右．由于它具有许多独到之处和优点，因此，在其崭露头角的不久就得到了许多应用，并迅速地发展成为一门新兴的边缘学科——超声学．概括地讲，超声波主要有以下两个特点．
　　1、波长短
　　顾名思义，超声波的频率超过声波的频率，在20kHz以上，目前使用的超声波从20kHz到几十兆赫，频率很高，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15cm～1.5cm；金属超声探伤所用的波长为1.2cm～0.4cm；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17cm～7cm，同无线电波相比相当于超高频（SHF）到极高频（EHF）频段，近年来还开始使用波长更短的超声波，其频率在10MHz以上，其波长只有几十微米，已接近可见光的波长了．
波长这样短的超声波，它具有类似光线的一些物理性质．
　　（1）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．
　　（2）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四面八方发散，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，能分辨出非常微小的缺陷或物体．
　　（3）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，但是一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器．
　　2、功率大
　　（1）超声波能够产生并传递强大的能量．声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，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1MHz超声波比1kHz的声波的能量大100万倍．
　　（2）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的小空穴，这些小空穴瞬间就会闭合，小空穴闭合时能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，这一现象称为空化．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．
　　（3）能够聚焦．超声波的聚焦可以使用凹面镜和声学棱镜，此外还有把发射表面作成像雷达抛物面天线的形状进行聚焦。聚焦的能量可达上万瓦每平方厘米，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一系列特点，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、信息技术以及孩子技术相媲美，是一门具有广阔发展前景的高新技术．

二、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，这一点可以通过出土的文物上有许多乐器和演奏乐器的图案的事实来证实．但是，对于听不见的超声波的发现和研究，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10年代，大约只有100年的发展历史．
　　谈到超声的发展史，有几件著名的事件需要提及．第一件事发生在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1500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子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．
　　第二件事发生在1914年至1918年的第一次世界大战期间，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三分之一．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题，这件事也是促使人们进行超声技术研究的重要原因之一．
　　第三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，发现有一些物体，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．他们把这一现象称为压电效应．一年后，理论物理学家李普曼从理论上预测，如果一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以同年，居里兄弟又用实验证实了这个预言．通过对压电效应进行深入研究以后，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一伸一缩地振动起来，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的器件称为压电超声技能器．压电超声换能器是把高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一种重要的和实用的方法，而石英则是最早的压电材料．顺便提一下，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三分之二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加编聚氯乙烯（ ）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，有一些金属和磁性材料，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，而这一现象则称为磁致伸缩效应．现在磁致伸缩效应也发展成一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一件事发生在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，制出了最早的水下声纳，并在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．另一方面，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于涉仪，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．在第二次世界大战时期，军用的超声探测仪保密程度十分严格，各国竞相独自地进行研究和生产．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，在第二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二次世界大战以后的事，最先出现的是超声波鱼群探测仪，当时使用的频率在10 kHz以下，这种仪器现在已成为渔船上普遍的装备，所用的频率已达10 kHz以上．至于超声探伤、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50～60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．

三、自然界中的超声
　　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，他们不仅能发出超声，而且能够利用超声来达到他们的目的．从这一点上来说，有许多动物都是著名的“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最出名的．我们人类能听到的声音的频率范围大概是16～20 000 Hz，在这一频率以外，包括次声和超声，我们是听不到的．讲到这里，我们自然会问到一个问题，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，我们现在对这一问题已经有了一定的了解．在哺乳动物中，大象和人一样，能听到的声音频率大概在20～20 000 Hz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100kHz以上的超声．鱼类、两栖类、爬虫类和鸟类最好的听觉范围在100 Hz到 5 kHz之间．猫头鹰在2 kHz到9 kHz的频率范围内听觉最敏锐．
　　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1°～20°的范围之内．人类、蝙蝠以及海豚的声定向本领最高，可以达到1°以内．鱼类和两栖类动物的声定位精度是10°～20°；爬虫类和鸟类的声定位精度是到2°～20°．
　　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，蝙蝠能在漆黑的夜晚自由自在地飞行，在丛林中飞行不会撞到树上，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一双能够适应漆黑的夜晚的眼睛．当时有一个意大利的科学家，他对人们的这一共识有所怀疑，于是，他做了一次试验．在一间漆黑的房子里，挂了许多绳子，在绳子上系一些铃铛．他把蝙蝠的眼睛蒙住，然后放飞．结果蝙蝠仍能在漆黑的房子中自由地飞行，而且一点也碰不到绳子，铃铛不响．这一实验表明，蝙蝠在夜间飞行，并不是因为有一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？他又做了另一次试验，这一次，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一个无头苍蝇一样，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，那么相对第一次试验来说，绳子和铃铛又不会发声，蝙蝠是怎样听的呢？这一个问题当时无法解释．大概过了二百年，这一问题才被弄明白．原来蝙蝠在飞行的过程中，会不断地发出一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．从这一点来说，人类所研制的声纳设备无论怎么先进，也比不上蝙蝠的声纳系统．除此以外，海豚也是利用超声在大海里游泳和捕食的．

四、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．
　　1、超声波作为探测以及测量的信息
　　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．
　　2、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、贵重金属的收集以及超声悬浮等；在液体中的应用包括超声清洗、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．

五、结束语
　　从上面简单介绍可以看出超声学是声学及物理学的一门重要分支．但作为一门技术性学科，超声学具有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、医疗卫生、科学研究以及国防建设等各方面，前面介绍仅是一个粗略的概括．但是这些已经显示出了超声技术在 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一个开始阶段．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．可以预见，随着科学技术的进一步发展，人类对于超声技术的研究将更加广泛和深入，超声技术的应用也将得到更加普遍的推广和重视．

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