廣東省江門市新會第二中學(xué)高中物理 第二章 物理與生活 超聲波及其應(yīng)用素材.doc

超聲波及其應(yīng)用 人耳最高只能感覺到大約 20 000 hz 的聲波，頻率更高的聲波就是超聲波了。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性當(dāng)聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功，聲波功率就是表示聲波作功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個物體振動的能量跟振動頻率的二次方成正比,而超聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)質(zhì)點振動的頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的，因而能量很大。超聲波的技術(shù)應(yīng)用概括起來主要是利用它能量大和沿直線傳播這兩個特點展開的。超聲波技術(shù)的應(yīng)用 (1)超聲探傷、測厚、測距、醫(yī)學(xué)診斷和成像。我們知道聲波能夠繞過障礙物繼續(xù)傳播，但是，波長越短，這種衍射現(xiàn)象越不明顯，因此，超聲波基本上是沿直線傳播的，可以定向發(fā)射。如果漁船載有水下超聲波發(fā)生器，它旋轉(zhuǎn)著向各個方向發(fā)射超聲波，超聲波遇到魚群會反射回來，漁船探測到反射波就知道魚群的位置了，這種儀器叫做聲納。聲納也可以用來探測水中的暗礁、敵人的潛艇，測量海水的深度等。在工業(yè)生產(chǎn)中常常運用超聲透射法對產(chǎn)品進行無損探測,超聲波發(fā)生器發(fā)射出的超聲波能夠透過被檢測的樣品，被對面的接收器所接收，如果樣品內(nèi)部有缺陷，超聲波就會在缺陷處發(fā)生反射。這時，對面的接收器便收不到或者不能全部收到發(fā)生器發(fā)射出的超聲波信號。這樣，就可以在不損傷被檢測樣品的情況下，檢測出樣品內(nèi)部有無缺陷。在醫(yī)療診斷中則常采用回聲法：將弱超聲波透入人體內(nèi)部，當(dāng)超聲波遇到臟器的界面時，便發(fā)生反射和透射。透射入臟器內(nèi)部的超聲波，再遇到界面時還會再次發(fā)生反射和透射，超聲波接收器專門接收各次的反射波。醫(yī)務(wù)人員根據(jù)所收到的各次反射波的時間間隔和波的強弱，就能夠了解到臟器的大小、位置及其內(nèi)部的病變等,因為人體各個內(nèi)臟的表面對超聲波的反射能力是不同的，健康內(nèi)臟和病變內(nèi)臟的反射能力也不一樣，我們平常說的“b超”就是根據(jù)內(nèi)臟反射的超聲波進行造影，幫助醫(yī)生分析體內(nèi)的病變。根據(jù)同樣的道理也可以用超聲波探測金屬、陶瓷混凝土制品，甚至水庫大壩，檢查內(nèi)部是否有氣泡、空洞和裂紋。(2)超聲處理。超聲處理主要是利用它的功率特性和空化作用，改變或者加速改變物質(zhì)的某些物理、化學(xué)、生物特性或狀態(tài),利用強超聲波進行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脫氣、醫(yī)療、種子處理等，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等各個部門?？栈饔卯?dāng)超聲波在液體中傳播時，由于液體微粒的劇烈振動，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體(如水和油)發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。在我國北方干燥的冬季，利用空化作用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(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣的濕度，這就是超聲波加濕器的原理。對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥力很難達到患病的部位，利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠增進療效。利用超聲波的巨大能量還可以把人體內(nèi)的結(jié)石擊碎。在工業(yè)上可以利用超聲波對金屬零件、玻璃和陶瓷制品進行除垢，如果在放有這些物品的清洗液中通入超聲波，清洗液的劇烈振動沖擊物品上的污垢，就能夠很快清洗干凈，既能免除了人工清洗的煩惱又節(jié)省了大量的時間,還可以利用強超聲波對鋼鐵、陶瓷、寶石、金剛石等堅硬物體進行鉆孔和切削加工。平時我們用錘子和鋼釬可以一下一下地將堅硬的巖石打出洞來，超聲加工也是這個道理，利用緊壓在工件上的金屬變幅桿，當(dāng)繞在它上面的線圈中通過交變電流時，它便產(chǎn)生超聲振動而不斷地敲擊工件。變幅桿下端與工件之間放有金剛砂一類的高強度磨料,在桿的沖擊下，磨料的顆粒就像被錘子敲擊的鋼釬一樣鏨削著工件。雖然變幅桿的伸縮量很小(只有幾十微米)，每次的加工量很小，但由于超聲源的頻率很高，每秒鐘振動在20000次以上，所以工件被“蠶食”的速度是很快的。變幅桿底端的形狀是什么樣，加工出的工件形狀也是什么樣。所以，利用超聲波可以加工出形狀復(fù)雜的零件，而且加工的精度和光潔度也都很高。超聲波技術(shù)的發(fā)展很多動物都有完善的發(fā)射和接收超聲波的器官。以昆蟲為食的編幅，視覺很差，飛行中不斷發(fā)出超聲波的脈沖，依靠昆蟲身體的反射波來發(fā)現(xiàn)食物。海豚也有完善的“聲納”系統(tǒng)，使它能在混濁的水中準確地確定遠處小魚的位置。現(xiàn)代的無線電定位器雷達，質(zhì)量有幾十、幾百、幾千千克，蝙蝠的超聲定位系統(tǒng)只有幾分之一克，而在一些重要性能上，如確定目標方位的精確度、抗干擾的能力等都遠優(yōu)于現(xiàn)代的無線電定位器。深入研究動物身上各種器官的功能和構(gòu)造，將獲得的