超聲學(xué)——轉(zhuǎn)自科普網(wǎng)

    超聲學(xué)是研究超聲的產(chǎn)生、接收和在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，超聲的各種效應(yīng)，以及超聲在基礎(chǔ)研究和國民經(jīng)濟各部門的應(yīng)用等內(nèi)容的聲學(xué)重要分支。頻率高于人類聽覺上限頻率(約20000赫)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。
    超聲的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。1883年首次制成超聲氣哨，此后又出現(xiàn)了各種形式的氣哨、汽笛和液哨等機械型超聲發(fā)生器(又稱換能器)。由于這類換能器成本低，所以經(jīng)過不斷改進，至今還仍廣泛地用于對流體媒質(zhì)的超聲處理技術(shù)中。
    20世紀(jì)初，電子學(xué)的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)制成各種機電換能器。1917年，法國物理學(xué)家朗之萬用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器，并用來探查海底的潛艇。隨著軍事和國民經(jīng)濟各部門中超聲應(yīng)用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動型、電磁力型、靜電型換能器等多種超聲換能器。
    材料科學(xué)的發(fā)展，使得應(yīng)用最廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發(fā)展到機電耦合系數(shù)高、價格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導(dǎo)體以及塑料壓電薄膜等。產(chǎn)生和檢測超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。產(chǎn)生和接收的波型也由單純的縱波擴大為橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷達、電子通信和成像技術(shù)等方面。
    近年來，為了物質(zhì)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)研究的需要，超聲波的產(chǎn)生和接收還在向更高頻率(1012赫以上)發(fā)展。例如在媒質(zhì)端面直接蒸發(fā)或濺射上壓電薄膜或磁致伸縮的鐵磁性薄膜，就可獲得數(shù)百兆赫直至幾萬兆赫的超聲；利用凹型的微波諧振腔，可在石英棒內(nèi)獲得幾萬兆赫的超聲。此外，用熱脈沖、半導(dǎo)體雪崩、超導(dǎo)結(jié)、光子與聲子的相互作用等方法，產(chǎn)生或接收更高頻率的超聲。
    超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射散射等傳播規(guī)律與可聽聲波的并無質(zhì)的區(qū)別。超聲在一般流體媒質(zhì)(氣體、液體)中的傳描理論已較成熟，然而聲波在高速流動的流體媒質(zhì)中的傳播，在液晶等特殊液體中的傳播，以及大振幅聲波在流體媒質(zhì)中轉(zhuǎn)插的非線性問題等的研究，仍在不斷發(fā)展。
    當(dāng)超聲在媒質(zhì)中傳播時，由于聲波和媒質(zhì)之間的相互作用，使媒質(zhì)發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的變化，也出現(xiàn)一系列力學(xué)、光學(xué)、電、化學(xué)等超聲效應(yīng)。
    線性交變的振動作用是指由于媒質(zhì)在一定頻率和聲強的超聲波作用下作受迫振動，而使媒質(zhì)中的質(zhì)點位移、速度、加速度以及媒質(zhì)中的應(yīng)力等分別達到一定的數(shù)值而產(chǎn)生一系列超聲效應(yīng)。當(dāng)質(zhì)點速度遠小于媒質(zhì)中的聲速時，所產(chǎn)生的機械效應(yīng)，如懸浮粒子的凝聚、聲光衍射、超聲在壓電或壓磁材料中感生電場或磁場等，可用線性聲學(xué)理論說明，故稱為線性的交變機械作用。
    由于超聲振動的非線性而產(chǎn)生像鋸齒波形效應(yīng)和各種直流定向力，并由此而產(chǎn)生了一系列特殊的超聲效應(yīng)，如超聲破碎、局部高溫、促進化學(xué)反應(yīng)等等。
    當(dāng)液體中有強度超過該液體的空化閾的超聲傳播時，液體內(nèi)會產(chǎn)生大量的氣泡，小氣泡將隨著超聲振動而逐漸生長和增大，然后又突然破滅和分裂，分裂后的氣泡又連續(xù)生長和破滅，這種現(xiàn)象稱之為空化。
    這些小氣泡急速崩潰時在氣泡內(nèi)產(chǎn)生了高溫高壓，并且由于氣泡周圍的液體高速沖入氣泡，而在氣泡附近的液體中產(chǎn)生了強烈的局部激波，也形成了局部的高溫高壓，從而產(chǎn)生了超聲的清洗、粉碎、乳化、分散、促進化學(xué)反應(yīng)等一系列的作用，同時還伴有強烈的空化噪聲和聲致發(fā)光。在液體中進行的超聲處理技術(shù)，大多數(shù)都與空化作用有關(guān)。
    以超聲為工具，來檢驗、測量或控制各種非聲學(xué)量及其變化的超聲檢測和控制技術(shù)。用超聲波易于獲得指向性極好的定向聲束，加上超聲波能在不透光材料中傳播，因此它已廣泛地用于各種材料的無損探傷、測厚、測距、醫(yī)學(xué)診斷和成像等。當(dāng)前，超聲檢測這方面的新研究和新應(yīng)用仍在不斷地出現(xiàn)，例如聲發(fā)射技術(shù)和超聲全息等等。而采用數(shù)字信號處理技術(shù)來解決超聲檢測中以往尚未解決或尚未圓滿解決的問題的研究工作，近年來也非?；钴S。
    超聲處理是通過超聲對物質(zhì)的作用而來改變或加速改變物質(zhì)的一些物理、化學(xué)、生物特性或狀態(tài)的技術(shù)。由于使用適當(dāng)?shù)膿Q能器可產(chǎn)生大功率的超聲波，而通過聚焦、增幅桿等方法，還可獲得高聲強的超聲，加上液體中的空化現(xiàn)象，使得利用超聲進行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脫氣、促進化學(xué)反應(yīng)、醫(yī)療，以及種子處理等已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生等各個部門，并還在繼續(xù)發(fā)展。但很多應(yīng)用機理至今尚未搞清，有待深入研究。
    機械運動是最簡單、也最普通的物質(zhì)運動，它和其他形式的物質(zhì)運動以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系非常密切。超聲振動本身就是一種機械運動，因此，超聲方法也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個重要途徑。20世紀(jì)40年代起，人們在研究媒質(zhì)中超聲波的聲速和聲衰減隨頻率變化的關(guān)系時，就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了它們與各種分子弛豫過程及微觀諧振過程(如鐵磁、順磁、核磁共振等)之間的關(guān)系，從而形成了分子聲學(xué)的分支學(xué)科。
    隨著人們能產(chǎn)生和接收的超聲波頻率的不斷提高，目前已正在逐步接近點陣熱振動的頻率，利用這些甚高頻超聲的量子化聲能來研究原子間的相互作用、能量傳遞等問題是十分有意義的。通過對甚高頻超聲聲速和衰減的測定，可以了解聲波與點陣振動的相互關(guān)系及點陣振動各模式之間的耦合情況，還可以用來研究金屬和半導(dǎo)體中聲子與電子、聲子與超導(dǎo)結(jié)、聲子與光子的相互作用等。因此，超聲和電磁輻射及粒子轟擊一起列為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和微觀過程的三大重要手段。與之有關(guān)的一門新分支學(xué)科——量子聲學(xué)也正在形成。
    超聲學(xué)是一門應(yīng)用性和邊緣性很強的學(xué)科，從它一百多年來的發(fā)展可以看出，超聲學(xué)是隨著它在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。它不斷借鑒電子學(xué)、材料科學(xué)、光學(xué)、固體物理等其他學(xué)科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。同時，超聲學(xué)的發(fā)展又為這些學(xué)科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超聲探傷和超聲成像技術(shù)都是借鑒了雷達的原理和技術(shù)而發(fā)展起來的，而超聲的發(fā)展又為電子學(xué)、光電子學(xué)、雷達技術(shù)的發(fā)展提供了超聲延遲線、濾波器、卷積器、聲光調(diào)制器等重要的體波和表面波器件。
    但是，超聲學(xué)仍是一門年輕的學(xué)科，其中存在著許多尚待深入研究的問題，對許多超聲應(yīng)用的機理還未徹底了解，況且實踐還在不斷地向超聲學(xué)提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學(xué)是在不斷向前發(fā)展。