超声波的特性应用
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作者: 陈红利
摘 要： 超声波具有多种特性。目前超声波已得到了广泛的应用。本文对超声波的特性与应用进行了分析。
关键词： 超声波 特性 应用
一、超声波的描述
机械振动在介质中传播而形成机械波。人耳能够听到的机械波称为声波，其频率范围大致在20Hz-20000Hz之间，频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20000Hz的机械波称为超声波。次声波和超声波都不能引起人耳的听觉，它们与声波的本质相同，遵守共同的运动规律，可在固体、液体、气体中传播。它们的声速相同，在流体中以纵波的形式传播。目前人类已能获得1012Hz的超声波。随着超声技术的发展，超声波已广泛地应用在医学、工业、国防、农业等领域。超声技术在医学上的应用已有半个多世纪，已成为医学中不可缺少的临床诊断手段之一。在医学诊断上所使用的超声波是由压电晶体一类的材料制成的超声探头（换能器）产生的。
二、超声波的特性
由于频率f升高，波长λ变短，超声波具有其特殊性，近似于光的某些特征，如束射性，由一种媒质进入另一种媒质发生折射、反射等；同时有很强的被吸收性与衰减性，带有很强的能量。以下简要介绍超声波的几个主要特性：
1.超声波的束射性
人耳可感受的声音是无指向性的球面波，即以声源为中心呈球面向四周扩散，周围均能听到声音。超声波频率很高，方向性（即束射性）较强。当超声波发生体――压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时，则晶体所产生的超声波就类似于光的特性。压电晶体片直径愈大或频率越高，即波长λ愈短，则近场区的长度愈长，此超声波场的束射性就愈好。
2.超声波的透射、反射、折射与聚集
在一个黑暗的环境里将一束光线投射到一个盛满水的透明玻璃烧杯里，我们将十分清楚地看到光线在水面上产生的透射、反射与折射现象。由于频率较高，因此超声波在定向传播时，在两种不同媒质的分界面上，会出现类似于光线的透射、反射和折射现象。
超声波的聚集现象和光线的聚集现象是一样的。利用超声波聚集装置可以将超声波束会聚到一点，从而将超声波的声强提高几倍甚至几千倍，利用这样巨大的声强可以做许多很有意义的工作，例如超声波切割、超声波钻孔、超声波打磨等。
3.超声波的吸收与衰减
声波在各种媒质中传播时，由于媒质要吸收掉它的一部分能量，因此随着传播路程的增加，声波的强度会逐渐减弱。
在一个广场上，一个民族弦乐正在为广大群众作街头演出，当你从远处走近这个乐队时，首先听到的是那音调低沉的鼓声，慢慢走近乐队，你会逐渐听到锁呐声、笛声、二胡声等;最后走到乐队周围时，你才会听到那音调很高的清脆的铃声。
这个例子很生动地说明了各种不同频率的声波在空气中传播时被吸收的程度是不同的。频率越高的声波，空气对它的吸收越强，所以超声波传播的距离较短。
4.超声波的巨大能量
超声波之所以在工业、国防和医疗等方面发挥着独特而又巨大的作用，一个重要原因是超声波比声波有着极为强大的功率。根据声学工作者的实验测定，一般的讲话声音的能量是很小的。假设我们想用普通说话的能量来烧开一壶水，那么必须动员700多万人，连续说上12个小时才行。超声波具有的能量要比声大得多。根据有关声学实验测定，频率为100万赫兹的超声波的能量，要比同幅度的频率为1000赫兹的声波的能量大100万倍。可见，拥有巨大的能量，是超声波的一个重要特点。
5.超声波的声压特性
所谓“声压”指的是由于声波的振动而使声场中的物体受到的附加压力的强度，单位为千克/平方厘米，声波的声压非常微小，其数值约为以1×10-6千克/平方厘米-1×10-6公斤/平方厘米。这么微小的声压，一般是不引起人们的注意的。但是，超声波的声压数一般是很大的。例如，一般强度的超声波射入水中时，而产生的声压可以达到数个大气压。超声波之所以能够产生这样强的声压，其根本原因超声波的频率很高，所以进入介质时，高密度分子间的伸拉很快，致使其间形成瞬时的真空与压缩高密度区，产生巨大的压力差。当振幅达到一定程度时，超声波拥有的能量十分巨大。
三、超声波的应用
1.超声波诊断
目前医学应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A型、B型、M型及D型四大类。
A型：是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。
B型：是用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。
M型：是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。
D型：是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅，管腔有否狭窄、闭塞，以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统，可在超声心动图解剖标志的指示下，以不同颜色显示血流的方向，色泽的深浅代表血流的流速。
2.常用超声波仪
（1）超声波碎石机
超声波碎石机是靠机器发送超声波入人体，利用超声波巨大的能量，使人体内的结石产生共振并因此被震荡粉碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。
（2）超声波加湿器
理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，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湿度，这就是超声波加湿器的原理。治疗咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难经血液流到患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效。
（3）超声波清洗
超声波清洗的原理是由超声波发生器发出高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质――清洗液中。超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化核）在声场的作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物，而使它们分散于清洗液中。当团体粒子被污物包裹而粘附在清洗件表面时，污物被乳化，团体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的，而不需直接接触物件的表面。眼镜店洗眼镜时用的就是这种方法。
（4）超声波探伤仪
用超声波检测材料的仪器称之为超声波探伤仪。它的原理是：超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的分析了解材料性能和结构变化。超声波检测方法通常有穿透法、脉冲反射法、串列法等。
超声波的接收和产生原理相似，当超声波遇到不连续性介质时，即会产生反射，反射的超声波使压电晶片振动，继而在压电晶片两端产生电压，电压转化为探伤仪屏幕上的波形，屏幕x方向是电压探伤仪加在压电晶片上的电压，y方向是压电晶片受振动产生的电压。这样就形成了屏幕上的波形。
现在还有立体超声波显象、超声波CT、超声波内窥镜等超声波技术不断涌现出来，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病的诊断准确率大大提高。超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用，随着科学的进步，它将更加完善，将更好地造福于人类。
参考文献：
［1］王慕冰，袁泽惠.超声波在医学中的应用［J］.中国西部科技(下半月)，2004，(10)：125-126.
［2］李肇柏.超声波诊断的基础［J］.医疗装备，1991，(03)：38-39.
［3］刘凤兰.超声波的特性及在医学诊断中的应用［J］.邢台职业技术学院学报(25卷第3期)，2008，(06)：102-103.
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