声学(1)-李俞增

叫频率．如前用c表示声速，并设f表示频率，波长λ即由式

确定．对于单一频率的正弦或余弦波，波长是波峰与波峰之间或波谷与波谷之间的空间距离．

超声频率高，因此波长小．这有两点重要后果．一点是不必用尺寸很大的声源，即振动源，就可以产生指向性比较尖锐的声波．定性地说，指向性描述声源所发射声束的狭窄程度，狭窄的象手电筒所发射的光，宽广的或说弥散的可象电灯泡所发射的光．在许多声波应用中，我们需要前者而不需要后者．可以证明，如果要产生前者，声源的尺寸应当比声波的波长大几倍．1MHz的声波在水中的波长约为1.4mm，而1000Hz的声波在水中的波长约为1.4m，制作和搬运一个直径几毫米的声源显然比制作和搬运一个直径几米的声源省事得多．

由于同样的原理，不仅容易实现狭窄的声束，还容易实现声束聚焦，象人们通常聚焦光那样．在焦点或焦区，声强可以很高，从而产生一些强烈的作用．

超声波长小的第二点重要后果是，超声可以被微小的障碍物散射开来．平面声波在传播过程中遇到有限大小的障碍物时会被障碍物所散射，就是说，入射波不再沿原方向传播，而是向四周散开（参见5.2.3），包括散到与入射方向相反的方向．所谓障碍物是指材料的声学参量ρc不同于基质ρ0c的物体，ρ是密度（因此基质内的空穴也是障碍物．）．沿各个方向散开的声波幅度分布，或说散射图案，因障碍物的尺寸与波长之比而异．可以想见，当ρc差别不大时，如果声波波长远大于障碍物的尺寸，声波几乎会忽略障碍物的存在，反之则声波几乎象碰上一个界面，而被反射和折射．如果声波波长接近于障碍物的尺寸，声波的散开程度会较大．在某些声波应用中我们倒希望声波被散开，从而可以通过测量散射图案，判断不透明媒质中有没有障碍物以及是怎样的形状、大小、内含物的障碍物．假若障碍物很大，我们可以采用频率低、波长长的声波，若障碍物很小，我们就需用频率高、波长短的超声．

超声的第三个特点是与物质有相互作用．声波的某些物理的、化学的、生物的效应，或

笼统地说，声波与物质的相互作用，只有在高频率范围才会发生．例如有多种类的所谓“弛豫效应”，分别只在不同的高频率范围才能出现．又例如，超声在液体中有一个很突出的物理效应，叫“空化效应”．超声会在液体中产生空穴或气泡，这些气泡处于非稳定状态，在适当条件下会迅速崩溃，从而在气泡内产生几千度的高温，在气泡周围产生近千大气压的激波．高温和强激波的出现则可以导致声致发光、水中声致自由基、机械作用（如粉碎、乳化等等）、化学反应活性加强、高分子解聚等效应．

4．2超声在医学诊断、无损检测和工业检测中的应用

4．1中提到，超声的一个特点是容易形成细声束，以及可以被相当小的障碍物所散射，其中包括背（逆）向散射．将这束细声束向正前方射出，同时使它上下左右摆动，便可以搜索前方有没有障碍物．用电子学的手段，容易测量反射波或背散射波回转的时间，在已知声速的情况下，可以确定前方障碍物的位置．当障碍物足够大时，从回波随声束移动的分布，可以显示出障碍物的形状；对比较小的障碍物，人们正在寻求判断障碍物的大小、形状、内含物等特征的方法．对于不均匀的透明材料，我们常用光学的办法检测；对于不透明材料，用普通的光学方法是做不到的．而包括超声的声波则能够透入任何媒质，不论这媒质是气体、液体、还是固体，也不论透不透光，对不同媒质的差别只是透入深浅不同．利用超声来检查或显示媒质中是否存在障碍物，以及障碍物有哪些特征，叫做超声检测．

对于超声，障碍物是ρc不同于基质的物体．人的肝脏内如果有个肿块，这肿块的ρc不同于肝脏的ρc，肿块就是超声的障碍物．母体内的胎儿对于羊水中的超声也是障碍物．因此超声检测很自然地用于人体，常称为医学超声诊断．把超声源（超声探头）在人体外表面扫动或在一处转动，使声束在人体内作线扫描或扇形扫描，配合电子学手段，显示出人体内部与声束方向平行的断层内超声图像的方法，就是当今家喻户晓的“B超”，B是相对于A、C、F等一些声束扫描方式而言的．在医学诊断中，应用多普勒效应又可以检测体内血液的流动情况及血管形态的某些异常．

类似的原理和方法可以用于检查金属和非金属材料内部的缺陷，缺陷也是障碍物．材料内部可能有夹杂物、气泡或裂缝．夹杂物、气泡或裂缝的ρc都与材料本身的不同，因此

将反射或散射入射的超声．用超声检测材料是工业上广泛采用的无损检测手段之一（无损是说不破坏材料），其它的手段有X光、γ射线、电磁场等等．超声又可类似地用来测量容器内液位的高低等等．

利用超声的某些性质在不同的媒质中，或在同一媒质的不同状态下的差异或变化，主要是声速或衰减度的差异或变化，可以识别或检测不同的媒质或媒质的不同状态，例如可以检测液体混合物的成分变化．用超声手段对媒质的一些非声学量（如成分、粘度、温度、应力等等）进行测量，有时叫超声工业检测．

4．3超声在加工处理和医学治疗中的应用

利用超声的能量以及超声与物质的相互作用，特别是前面提到的（参见5．4．1）超声空化作用，可以改变物质的一些物理、化学及生物性质或状态，或者加快这些改变过程，简称加工和处理．超声的频率范围宽、产生大能量的设备比较小巧，又不伴生噪声，因此声波的加工和处理应用几乎都在超声范围（声哨除外）．

在工业上，超声大量用于乳化、清洗、粉碎、搪锡、钻孔、雾化、焊接、金属成型等等．近几年来，超声加速化学反应的作用受到关注，声化学逐渐发展为一门新兴的热门分支学科．

超声用于医学治疗已有多年的历史，应用面广泛，近来新报道了治疗偏瘫、面神经麻痹、小儿麻痹后遗症、乳腺炎、乳腺增生症、血肿等等，都有一定的疗效．

4．4超声电子学器件和系统

声学的实验研究，历史上受到真空电子管发明的极大推进．此后，声学和电子学紧密联系，主要是声学的研究和应用大量利用电子学器件．近几十年来，声学反过来为电子学提供器件，特别是70年代声表面波的新技术兴起之后．运用声波能够制作可用于10MHz～103MHz电信号的延迟线、振荡器、谐振器、带通滤波器、脉冲压缩滤波器、卷积器等等，广泛用在电视、通讯、雷达、电子对抗等方面．把一些器件组合起来，又可以形成具有某

些特殊功能的电子学系统．器件和系统大部运用声表面波，也有些运用体声波和磁弹波，有关的研究构成超声电子学．

声波器件之所以能作为电子学器件，是因为产生和接收声波的元件是电声式的．如果把这些元件（超声换能器）也包括在器件中，则有电信号转成声信号，声信号再转成电信号，于是器件的输入和输出都是电信号，构成电子学器件．以声表面波器件为例，波的产生、传播、接收和处理，都可用半导体平面工艺在一小块压电（如铌酸锂、石英）单晶基片上完成．声表面波是在这块压电基片表面浅处传播的声波，它的波形，容易由选择换能器的几何形状和基片上附加的一些结构加以控制和改变．加上声波的波速比电磁波波速小五个数量级的特点，声表面波可以用来制成频率范围适用、性能独特、小型、适时的上述多种电子学器件