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超聲學是研究超聲的科學,它是聲學的一個重要分支。頻率高於人類聽覺上限頻率(約20000赫)的聲波,稱為超聲波,或稱超聲。超聲學主要研究超聲的產生、接收和在媒質中的傳播規律,超聲的各種效應,以及超聲在基礎研究和國民經濟各部門的應用等。

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超聲學是研究超聲的科學,它是聲學的一個重要分支。頻率高於人類聽覺上限頻率(約20000赫)的聲波,稱為超聲波,或稱超聲。超聲學主要研究超聲的產生、接收和在媒質中的傳播規律,超聲的各種效應,以及超聲在基礎研究和國民經濟各部門的應用等。 

1 超聲學 -發展歷史

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超聲的研究和發展,與媒質中超聲的產生和接收的研究密切相關。1883年首次製成超聲氣哨。為了用超聲對媒質進行處理,此後又出現了各種形式的氣哨、汽笛和液哨等機械型超聲發生器(又稱換能器)。由於這類換能器成本低,所以經過不斷改進,至今還仍廣泛地用於對流體媒質的超聲處理技術中。

20世紀初,電子學的發展使人們能利用某些材料的壓電效應(見壓電性)和磁致伸縮效應製成各種機電換能器(包括發生器和接收器)。1917年,法國物理學家P·朗之萬用天然壓電石英製成了夾心式超聲換能器,並用來探查海底的潛艇。隨著軍事和國民經濟各部門中超聲應用的不斷發展,又出現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、靜電換能器等多種超聲換能器。而材料科學的發展,使得應用最廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發展到機電耦合係數高、價格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導體以及塑料壓電薄膜等(見電聲換能器)。產生和檢測超聲波的頻率,也由幾十千赫提高到上千兆赫。產生和接收的波型也由單純的縱波擴大為橫波、扭轉波、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叉指換能器和體波換能器都已成功地用於雷達、電子通信和成像技術等方面。為了物質結構等基礎研究的需要,超聲波的產生和接收還在向更高頻率(約1012赫以上) 發展。例如在媒質端面直接蒸發或濺射上壓電薄膜(ZnO、CdS等)或磁致伸縮的鐵磁性薄膜,就可獲得數百兆赫直至幾萬兆赫的超聲;利用凹型的微波諧振腔,可在石英棒內獲得幾萬兆赫的超聲。此外,用熱脈衝、半導體雪崩、超導結、光子與聲子的相互作用等方法產生或接收更高頻率的超聲。

2 超聲學 -傳播

超聲學電子波的衍射
超聲波在媒質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規律與可聽聲波的並無質的區別。超聲在一般流體媒質(氣體、液體)中的傳播理論已較成熟,然而聲波在高速流動的流體媒質中的傳播,在液晶等特殊液體中的傳播以及大振幅聲波在流體媒質中傳播的非線性問題等的研究,仍在不斷發展。

超聲也能在固體中傳播。由於固體媒質本身形狀和性質的多樣性,導致了超聲在其中傳播的複雜性。在無限大、各向同性的均勻固體媒質中,一般只有縱波和橫波兩種基本波型。在無限大各向異性固體媒質中,一般沿每個方向上可有三種波:一種是近似於縱波的准縱波,另兩種是近似於橫波的准橫波。由於媒質的應力、應變關係是一個張量關係,所以,同一種波型的波在不同傳播方向上有不同的聲速;在同一傳播方向上,不同波型的波也有不同的聲速。

在有界媒質中,當媒質的幾何尺寸與聲波的波束寬度及波長可相比較時,由於邊界的影響,在媒質中只允許一些滿足邊界條件的特定振動方式的聲波傳播,這就是導波。固體中的導波一般有縱波、切變波、彎曲波和扭轉波等。在固體媒質自由表面層或兩種固體媒質分界面附近的導波,就是聲表面波,而瑞利波就是一種常用的聲表面波。在媒質中,導波的相位以相速度Cp傳播,而能量以群速度Cg傳播,而且CpCg都是頻率的函數。

3 超聲學 -效應

超聲學超聲學防除垢裝置

當超聲在媒質中傳播時,由於聲波和媒質之間的相互作用,使媒質發生一系列物理的和化學的變化,也出現一系列力學、光學、電、化學等超聲效應。超聲產生這些效應的基本作用主要有三個。

①線性交變的振動作用,它是由於媒質在一定頻率和聲強的超聲波作用下作受迫振動,而使媒質的質點位移、速度、加速度以及媒質中的應力等分別達到一定的數值而產生一系列超聲效應。當質點速度遠小於媒質中的聲速時,所產生的機械效應,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,可用線性聲學理論說明,故稱為線性的交變機械作用。

②由於超聲振動的非線性而產生像鋸齒波形效應和各種直流定向力〔如輻射壓力、烏森(Oseen)力和平均粘滯力等〕,並由此而產生了一系列特殊的超聲效應,如超聲破碎、局部高溫、促進化學反應等等。

③液體內的聲空化作用,當液體中有強度超過該液體的空化閾的超聲傳播時,液體內會產生大量的氣泡,小氣泡將隨著超聲振動而逐漸生長和增大,然後又突然破滅和分裂,分裂后的氣泡又連續生長和破滅。這種現象稱之為空化。這些小氣泡急速崩潰時在氣泡內產生了高溫高壓,並且由於氣泡周圍的液體高速沖入氣泡而在氣泡附近的液體中產生了強烈的局部激波,也形成了局部的高溫高壓,從而產生了超聲的清洗、粉碎、乳化、分散、促進化學反應等一系列的作用,同時還伴有強烈的空化雜訊和聲致發光。在液體中進行的超聲處理技術,大多數都與空化作用有關。

4 超聲學 -應用

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超聲的傳播機理和超聲對媒質的各種效應是所有超聲應用的物理基礎。超聲的應用,大致包括三個方面。
① 以超聲為工具,來檢驗、測量或控制各種非聲學量及其變化的超聲檢測和控制技術。用超聲波易於獲得指向性極好的定向聲束,採用超聲窄脈衝,就能達到較高的空間解析度,加上超聲波能在不透光材料中傳播,因此,它已廣泛地用於各種材料的無損探傷、測厚、測距、醫學診斷和成像等。而利用媒質非聲學特性(如粘度、流量、濃度等)和聲學量(聲速、衰減和聲阻抗率)之間的聯繫,通過對聲學量的檢測還可達到對非聲學量的檢測和控制。當前,超聲檢測這方面的新研究和新應用仍在不斷地出現,例如聲發射技術和超聲全息等等。而採用數字信號處理技術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,非常活躍。

②超聲處理。它是通過超聲對物質的作用而來改變或加速改變物質的一些物理、化學、生物特性或狀態的技術。由於使用適當的換能器可產生大功率的超聲波,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、促進化學反應、醫療以及種子處理等已經廣泛地應用於工業、農業、醫學衛生等各個部門,並還在繼續發展。但很多應用機理至今尚未搞清,有待深入研究。

③ 在基礎研究領域中的應用。機械運動是最簡單、也最普通的物質運動,它和其他形式的物質運動以及物質結構之間的關係非常密切。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結構的一個重要途徑。20世紀40年代起,人們在研究媒質中超聲波的聲速和聲衰減隨頻率變化的關係時,就陸續發現了它們與各種分子弛豫過程(如分子的內、外自由度之間能量轉換的熱弛豫,分子結構狀態變化的結構弛豫等過程)及微觀諧振過程(如鐵磁、順磁、核磁共振等)之間的關係,從而形成了分子聲學的分支學科。

隨著人們能產生和接收的超聲波頻率的不斷提高,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──聲子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係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體中聲子與電子、聲子與超導結、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微觀結構和微觀過程的三大重要手段。與之有關的一門新分支學科──量子聲學也正在形成。

5 超聲學 -發展

超聲學是一門應用性和邊緣性很強的學科,從它一百多年來的發展可以看出,超聲學是隨著它在國防、工農業生產、醫學、基礎研究等領域中應用的不斷深入而得到發展的。它不斷借鑒電子學、材料科學、光學、固體物理等其他學科而使自己更加豐富,同時超聲學的發展又為這些學科的發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都是借鑒了雷達的原理和技術而發展起來的,而超聲的發展又為電子學、光電子學、雷達技術的發展提供了超聲延遲線、濾波器、卷積器、聲光調製器等重要的體波和表面波器件。但是,超聲學仍是一門年輕的學科,其中存在著許多尚待深入研究的問題,對許多超聲應用的機理還未徹底了解,況且實踐還在不斷地向超聲學提出各種新的課題,而這些問題的不斷提出和解決,都已表明了超聲學是在不斷向前發展。

6 超聲學 -相關學科

次聲學、電聲學、大氣聲學、音樂聲學、語言聲學、建築聲學、生理聲學、生物聲學、水聲學、物理學、力學、熱學、光學、聲學、電磁學、核物理學、固體物理學。

7 超聲學 -參考資料

[1] 澤澤網 http://www.zzgwu.com/wiki/index.php?doc-view-423258
[2] 大科普網 http://www.ikepu.com/physics/physics_branch/ultrasonics_total.htm

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