超聲波的特性應用

陳紅利

摘 要： 超聲波具有多種特性。目前超聲波已得到了廣泛的應用。本文對超聲波的特性與應用進行了分析。

關鍵詞： 超聲波 特性 應用

一、超聲波的描述

機械振動在介質中傳播而形成機械波。人耳能夠聽到的機械波稱為聲波，其頻率范圍大致在20Hz-20000Hz之間，頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波，頻率高于20000Hz的機械波稱為超聲波。次聲波和超聲波都不能引起人耳的聽覺，它們與聲波的本質相同，遵守共同的運動規(guī)律，可在固體、液體、氣體中傳播。它們的聲速相同，在流體中以縱波的形式傳播。目前人類已能獲得1012Hz的超聲波。隨著超聲技術的發(fā)展，超聲波已廣泛地應用在醫(yī)學、工業(yè)、國防、農業(yè)等領域。超聲技術在醫(yī)學上的應用已有半個多世紀，已成為醫(yī)學中不可缺少的臨床診斷手段之一。在醫(yī)學診斷上所使用的超聲波是由壓電晶體一類的材料制成的超聲探頭（換能器）產生的。

二、超聲波的特性

由于頻率f升高，波長λ變短，超聲波具有其特殊性，近似于光的某些特征，如束射性，由一種媒質進入另一種媒質發(fā)生折射、反射等；同時有很強的被吸收性與衰減性，帶有很強的能量。以下簡要介紹超聲波的幾個主要特性：

1.超聲波的束射性

人耳可感受的聲音是無指向性的球面波，即以聲源為中心呈球面向四周擴散，周圍均能聽到聲音。超聲波頻率很高，方向性（即束射性）較強。當超聲波發(fā)生體——壓電晶體的直徑尺寸遠大于超聲波波長時，則晶體所產生的超聲波就類似于光的特性。壓電晶體片直徑愈大或頻率越高，即波長λ愈短，則近場區(qū)的長度愈長，此超聲波場的束射性就愈好。

2.超聲波的透射、反射、折射與聚集

在一個黑暗的環(huán)境里將一束光線投射到一個盛滿水的透明玻璃燒杯里，我們將十分清楚地看到光線在水面上產生的透射、反射與折射現(xiàn)象。由于頻率較高，因此超聲波在定向傳播時，在兩種不同媒質的分界面上，會出現(xiàn)類似于光線的透射、反射和折射現(xiàn)象。

超聲波的聚集現(xiàn)象和光線的聚集現(xiàn)象是一樣的。利用超聲波聚集裝置可以將超聲波束會聚到一點，從而將超聲波的聲強提高幾倍甚至幾千倍，利用這樣巨大的聲強可以做許多很有意義的工作，例如超聲波切割、超聲波鉆孔、超聲波打磨等。

3.超聲波的吸收與衰減

聲波在各種媒質中傳播時，由于媒質要吸收掉它的一部分能量，因此隨著傳播路程的增加，聲波的強度會逐漸減弱。

在一個廣場上，一個民族弦樂正在為廣大群眾作街頭演出，當你從遠處走近這個樂隊時，首先聽到的是那音調低沉的鼓聲，慢慢走近樂隊，你會逐漸聽到鎖吶聲、笛聲、二胡聲等;最后走到樂隊周圍時，你才會聽到那音調很高的清脆的鈴聲。

這個例子很生動地說明了各種不同頻率的聲波在空氣中傳播時被吸收的程度是不同的。頻率越高的聲波，空氣對它的吸收越強，所以超聲波傳播的距離較短。

4.超聲波的巨大能量

超聲波之所以在工業(yè)、國防和醫(yī)療等方面發(fā)揮著獨特而又巨大的作用，一個重要原因是超聲波比聲波有著極為強大的功率。根據(jù)聲學工作者的實驗測定，一般的講話聲音的能量是很小的。假設我們想用普通說話的能量來燒開一壺水，那么必須動員700多萬人，連續(xù)說上12個小時才行。超聲波具有的能量要比聲大得多。根據(jù)有關聲學實驗測定，頻率為100萬赫茲的超聲波的能量，要比同幅度的頻率為1000赫茲的聲波的能量大100萬倍。可見，擁有巨大的能量，是超聲波的一個重要特點。

5.超聲波的聲壓特性

所謂“聲壓”指的是由于聲波的振動而使聲場中的物體受到的附加壓力的強度，單位為千克/平方厘米，聲波的聲壓非常微小，其數(shù)值約為以1×10-6千克/平方厘米-1×10-6公斤/平方厘米。這么微小的聲壓，一般是不引起人們的注意的。但是，超聲波的聲壓數(shù)一般是很大的。例如，一般強度的超聲波射入水中時，而產生的聲壓可以達到數(shù)個大氣壓。超聲波之所以能夠產生這樣強的聲壓，其根本原因超聲波的頻率很高，所以進入介質時，高密度分子間的伸拉很快，致使其間形成瞬時的真空與壓縮高密度區(qū)，產生巨大的壓力差。當振幅達到一定程度時，超聲波擁有的能量十分巨大。

三、超聲波的應用

1.超聲波診斷

目前醫(yī)學應用的超聲診斷方法有不同的形式，可分為A型、B型、M型及D型四大類。

A型：是以波形來顯示組織特征的方法，主要用于測量器官的徑線，以判定其大小?？捎脕龛b別病變組織的一些物理特性，如實質性、液體或是氣體是否存在等。

B型：是用平面圖形的形式來顯示被探查組織的具體情況。檢查時，首先將人體界面的反射信號轉變?yōu)閺娙醪煌墓恻c，這些光點可通過熒光屏顯現(xiàn)出來，這種方法直觀性好，重復性強，可供前后對比，所以廣泛用于婦產科、泌尿、消化及心血管等系統(tǒng)疾病的診斷。

M型：是用于觀察活動界面時間變化的一種方法。最適用于檢查心臟的活動情況，其曲線的動態(tài)改變稱為超聲心動圖，可以用來觀察心臟各層結構的位置、活動狀態(tài)、結構的狀況等，多用于輔助心臟及大血管疫病的診斷。

D型：是專門用來檢測血液流動和器官活動的一種超聲診斷方法，又稱為多普勒超聲診斷法。可確定血管是否通暢，管腔有否狹窄、閉塞，以及病變部位。新一代的D型超聲波還能定量地測定管腔內血液的流量。近幾年來科學家又發(fā)展了彩色編碼多普勒系統(tǒng)，可在超聲心動圖解剖標志的指示下，以不同顏色顯示血流的方向，色澤的深淺代表血流的流速。

2.常用超聲波儀

（1）超聲波碎石機

超聲波碎石機是靠機器發(fā)送超聲波入人體，利用超聲波巨大的能量，使人體內的結石產生共振并因此被震蕩粉碎，從而減緩病痛，達到治愈的目的。

（2）超聲波加濕器

理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個物體振動的能量與振動頻率成正比，超聲波在介質中傳播時，介質質點振動的頻率很高，因而能量很大。在我國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風扇把霧滴吹入室內，就可以增加室內空氣濕度，這就是超聲波加濕器的原理。治療咽喉炎、氣管炎等疾病，藥品很難經血液流到患病的部位，利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠提高療效。

（3）超聲波清洗

超聲波清洗的原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出高頻振蕩信號，通過換能器轉換成高頻機械振蕩而傳播到介質——清洗液中。超聲波在清洗液中疏密相間地向前輻射，使液體流動而產生數(shù)以萬計的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡（空化核）在聲場的作用下產生振動，當聲壓達到一定值時，氣泡迅速增長，然后突然閉合，在氣泡閉合時產生沖擊波，在其周圍產生上千個大氣壓力，破壞不溶性污物，而使它們分散于清洗液中。當團體粒子被污物包裹而粘附在清洗件表面時，污物被乳化，團體粒子即脫離，從而達到清洗件表面凈化的目的，而不需直接接觸物件的表面。眼鏡店洗眼鏡時用的就是這種方法。

（4）超聲波探傷儀

用超聲波檢測材料的儀器稱之為超聲波探傷儀。它的原理是：超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學特性和內部組織的變化對超聲波的傳播產生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的分析了解材料性能和結構變化。超聲波檢測方法通常有穿透法、脈沖反射法、串列法等。

超聲波的接收和產生原理相似，當超聲波遇到不連續(xù)性介質時，即會產生反射，反射的超聲波使壓電晶片振動，繼而在壓電晶片兩端產生電壓，電壓轉化為探傷儀屏幕上的波形，屏幕x方向是電壓探傷儀加在壓電晶片上的電壓，y方向是壓電晶片受振動產生的電壓。這樣就形成了屏幕上的波形。

現(xiàn)在還有立體超聲波顯象、超聲波CT、超聲波內窺鏡等超聲波技術不斷涌現(xiàn)出來，并且還可以與其他檢查儀器結合使用，使疾病的診斷準確率大大提高。超聲波技術正在醫(yī)學界發(fā)揮著巨大的作用，隨著科學的進步，它將更加完善，將更好地造福于人類。

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