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什么是超聲波
閱讀：2971 發(fā)布時(shí)間：2022-7-14
超聲波是一種聲波。聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)(或能量)的傳播形式,。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng),。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后,，它就上下振動(dòng),，這種振動(dòng)狀態(tài)通過(guò)空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波,。超聲波是指振動(dòng)頻率大于20KHz以上的,，人在自然環(huán)境下無(wú)法聽(tīng)到和感受到的聲波。頻率高于人的聽(tīng)覺(jué)上限(約為20000赫)的聲波,，稱為超聲波,，或稱為超聲。超聲波在媒質(zhì)中的反射,、折射,、衍射、散射等傳播規(guī)律,，與可聽(tīng)聲波的規(guī)律并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別,。但是超聲波的波長(zhǎng)很短，只有幾厘米,，甚至千分之幾毫米,。與可聽(tīng)聲波比較，超聲波具有許多奇異性：
1、傳播特性──超聲波的波長(zhǎng)很短,，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長(zhǎng)大好多倍,，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播,，超聲波的波長(zhǎng)越短,，這一特性就越顯著。
2,、功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí),，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量,。在相同強(qiáng)度下,，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大,。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比,，它的功率是非常大的,。
3、空化作用──當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí),，由于液體微粒的劇烈振動(dòng),，會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合,，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用,，從而產(chǎn)生幾千到上萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用,，會(huì)使液體的溫度驟然升高,，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體(如水和油)發(fā)生乳化,，并且加速溶質(zhì)的溶解,，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用,。頻率高于2×104赫的聲波,。研究超聲波的產(chǎn)生、傳播,、接收,，以及各種超聲效應(yīng)和應(yīng)用的聲學(xué)分支叫超聲學(xué)。產(chǎn)生超聲波的裝置有機(jī)械型超聲發(fā)生器(例如氣哨,、汽笛和液哨等),、利用電磁感應(yīng)和電磁作用原理制成的電動(dòng)超聲發(fā)生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)和鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)制成的電聲換能器等。
4,、超聲效應(yīng) 當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學(xué)的變化,，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)的,、熱的、電磁的和化學(xué)的超聲效應(yīng),，包括以下4種效應(yīng)：
A,、機(jī)械效應(yīng)。超聲波的機(jī)械作用可促成液體的乳化,、凝膠的液化和固體的分散,。當(dāng)超聲波流體介質(zhì)中形成駐波時(shí)，懸浮在流體中的微小顆粒因受機(jī)械力的作用而凝聚在波節(jié)處,，在空間形成周期性的堆積,。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時(shí)，由于超聲波的機(jī)械作用而引起的感生電極化和感生磁化,。
B,、空化作用。超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn)生大量小氣泡,。一個(gè)原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓,，壓強(qiáng)的降低使原來(lái)溶于液體的氣體過(guò)飽和，而從液體逸出,，成為小氣泡,。另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體“撕開(kāi)”成一空洞，稱為空化,?？斩磧?nèi)為液體蒸氣或溶于液體的另一種氣體，甚至可能是真空,。因空化作用形成的小氣泡會(huì)隨周圍介質(zhì)的振動(dòng)而不斷運(yùn)動(dòng),、長(zhǎng)大或突然破滅。破滅時(shí)周圍液體突然沖入氣泡而產(chǎn)生高溫,、高壓,，同時(shí)產(chǎn)生激波。與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成電荷,，并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象,。在液體中進(jìn)行超聲處理的技術(shù)大多與空化作用有關(guān)。
C,、熱效應(yīng),。由于超聲波頻率高,，能量大，被介質(zhì)吸收時(shí)能產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng),。
D,、化學(xué)效應(yīng)。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學(xué)反應(yīng),。例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過(guò)氧化氫,；溶有氮?dú)獾乃?jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會(huì)變色或退色,。這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨,。超聲波還可加速許多化學(xué)物質(zhì)的水解、分解和聚合過(guò)程,。超聲波對(duì)光化學(xué)和電化學(xué)過(guò)程也有明顯影響,。各種氨基酸和其他有機(jī)物質(zhì)的水溶液經(jīng)超聲處理后，特征吸收光譜帶消失而呈均勻的一般吸收,，這表明空化作用使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,。
5、超聲應(yīng)用 超聲效應(yīng)已廣泛用于實(shí)際,，主要有如下幾方面：
?、俪暀z驗(yàn)。超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短,，具有較好的方向性，而且能透過(guò)不透明物質(zhì),，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷,、測(cè)厚、測(cè)距,、遙控和超聲成像技術(shù),。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上,，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息(如對(duì)聲波的反射,、吸收和散射的能力)，經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上,，所得電信號(hào)輸入放大器,，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡,。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用,，在微電子器件制造業(yè)中用來(lái)對(duì)大規(guī)模集成電路進(jìn)行檢查，在材料科學(xué)中用來(lái)顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等,。聲全息術(shù)是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術(shù),，其原理與光波的全息術(shù)基本相同,，只是記錄手段不同而已。用同一超聲信號(hào)源激勵(lì)兩個(gè)放置在液體中的換能器,，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波：一束透過(guò)被研究的物體后成為物波,，另一束作為參考波。物波和參考波在液面上相干疊加形成聲全息圖,，激光束照射聲全息圖,，利用激光在聲全息圖上反射時(shí)產(chǎn)生的衍射效應(yīng)而獲得物的重現(xiàn)像，通常用攝像機(jī)和電視機(jī)作實(shí)時(shí)觀察,。
?、诔曁幚怼＠贸暤臋C(jī)械作用,、空化作用,、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接,、鉆孔,、固體的粉碎、乳化,、脫氣,、除塵、去鍋垢,、清洗,、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等,，在工礦業(yè),、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)部門獲得了廣泛應(yīng)用,。
?、刍A(chǔ)研究。超聲波作用于介質(zhì)后,，在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過(guò)程,，聲弛豫過(guò)程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運(yùn)過(guò)程，并在宏觀上表現(xiàn)出對(duì)聲波的吸收,。通過(guò)物質(zhì)對(duì)超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu),，這方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。普通聲波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于固體中的原子間距,，在此條件下固體可當(dāng)作連續(xù)介質(zhì),。但對(duì)頻率在1012赫以上的特超聲波，波長(zhǎng)可與固體中的原子間距相比擬,，此時(shí)必須把固體當(dāng)作是具有空間周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),。點(diǎn)陣振動(dòng)的能量是量子化的,，稱為聲子。特超聲對(duì)固體的作用可歸結(jié)為特超聲與熱聲子,、電子,、光子和各種準(zhǔn)粒子的相互作用。對(duì)固體中特超聲的產(chǎn)生,、檢測(cè)和傳播規(guī)律的研究,，以及量子液體——液態(tài)氦中聲現(xiàn)象的研究構(gòu)成了近代聲學(xué)的新領(lǐng)域——量子聲學(xué)。