超声波和次声波：应用及特点

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：频率高于20 000 Hz的声波称为超声波，频率低于20 Hz的声波称为次声波。（一）超声波及其应用超声波在自然界中是存在的。有些动物的器官，如蝙蝠、蟋蟀、纺织娘等都能发出超声波。（二）次声波及其应用近年来，次声波的应用也有很大的发展。建立次声波接收站，可以监听几千里外的核武器试验、导弹的发射。最近，也有科学家利用次声波对人体产生作用的特点，探索研制一种能导致神经麻痹的“武器”——“次声炸弹”。

人耳能够听到的声波的频率在20 Hz到20 000 Hz之间，而低于20 Hz和高于20000 Hz的声波，都不能引起人耳的听觉。频率高于20 000 Hz的声波称为超声波，频率低于20 Hz的声波称为次声波。

（一）超声波及其应用

超声波在自然界中是存在的。例如，风声和海浪声中，除了有我们能够听到的声波以外，还含有超过我们听觉范围的声波。有些动物的器官，如蝙蝠、蟋蟀、纺织娘等都能发出超声波。早在两百多年前，有人就对蝙蝠进行过试验，探测到蝙蝠一边飞行，一边从喉咙里产生每秒钟振动20 000 Hz以上的超声波，经过嘴发射出去。超声波遇到障碍物发射回来，传回到蝙蝠又大又灵敏的耳朵里，使它能立即判断出前面是什么物体、物体的大小和距离，并采取相应的行动。如果没有接收到回声，蝙蝠就照直继续前进，蝙蝠就是利用自己身上特有的超声定位器来探路和寻找食物的。这时蝙蝠的耳兼具了“眼”的功能。

与可听声波比较，超声波具有一些独特的性能：

1.束射性

超声波可以像光一样聚集成为一束能量高度集中的波束，向着一定的方向直线传播出去，这种性能使波具有较好的方位分辨力和较远的作用距离。频率越高，束射性越好。

2.高能性

超声波由于频率高，所引起的质点振动，即使振幅很小，但加速度也很大，因此可以产生很大的力，使它所传播的能量比可听声波大得多，106Hz的超声波所传播的能量相当于振幅相同的103Hz的可听声波的106倍。

3.穿透性

超声波在液体里传播，损耗很小，在固体里传播，损耗更小。因此，超声波对液体和固体有很强的穿透性，可以利用它来对液体或固体的深部进行探测。

由于超声波具有以上特性，它在近代的科学研究和技术上得到日益广泛的应用。我们可以用人工方法制造许多型号不同的超声波发射器，它们的频率变化从2×104到1×109Hz不等，同时也能制造相应的各种型号的超声波接收器，用它们接收各种超声波信号。因此，可以利用它来测量海的深度，记录发送和接收时间间隔，再根据声波在水中的传播速度，就可以计算出反射处的距离，反复测量多次，最终画出海底的地形图（见图3-3-4）。按相同的原理，超声波也能用来帮助探索鱼群、暗礁、潜水艇，大雾天气进行自动导航等。

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图3-3-4　超声波探测仪测深示意图（引自张民生等，2008）

（1）深度记录装置　（2）声波发生器　（3）接收器

利用超声波进行操作与测量的技术发展很快。它既是一种波动形式，可作为探测与负载信息的载体和媒质，又是一种能量形式，可对传声媒质产生一定的影响，使传声媒质的性质、状态或结构发生变化乃至将传声媒质破坏。半个多世纪以来，在上述特性基础上发展的超声技术，已在人类社会的许多领域获得广泛应用。

在工业上，超声波可以用来诊断金属内部的气泡、伤痕和裂缝，又可以以能量的形式进行焊接，尤其在电子工业中大型集成电路等的同时多点快速焊接，它不会像普通焊接那样引起化学变化与机械变形。超声波测井技术现已广泛用于石油地质、煤田地质及水文工程的勘探。电子计算机参与测井数据处理，使得这一技术得到了更迅速的发展。

在医学上，用超声波振动能量代替通常的手术刀进行临床治疗（超声手术刀），已在骨科、胸科、脑科及肿瘤、息肉切除中得到成功的应用。用超声波对癌细胞实施热疗作为配合化疗（药物疗法）和放疗（放射疗法）的辅助手段也取得了较好的效果。由于超声波能够使媒质微粒产生很大的相互作用力，所以，它也被用来清除玻璃、陶瓷等制品表面的污垢，并对这些制品进行加工（如钻极细的孔）。此外，还可以利用它来粉碎和剥落金属表面的氧化膜。利用超声的粉碎、乳化作用可使各种在通常情况下不能混合的液体混合在一起，制成各种乳浊液，例如，它可用于制药工业及日常工业部门制造化妆品、皮鞋油，制成油（汽油、柴油）与水或煤灰的乳化燃烧物，以提高单位燃料的燃烧值。

（二）次声波及其应用

近年来，次声波的应用也有很大的发展。建立次声波接收站，可以监听几千里外的核武器试验、导弹的发射。仿生学专家模拟水母耳研制出的台风预报仪可以预报海啸、地震和台风。最近，也有科学家利用次声波对人体产生作用的特点，探索研制一种能导致神经麻痹的“武器”——“次声炸弹”。

超声波和次声波：应用及特点

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