超声波的特性

频率在2kHz以上的声波称之为超声波，由于频率f升高，波长λ变短使得超声波比普通声波具有特殊性，即近似于光的某些特征。如束射性，由一种媒质进人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。本节简要介绍超声波的几个主要特征。
  
  【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。由于超声波频率很高，所以方向性就相对要强，方向性即柬射性。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，如图1一1一1所示。
  
  紧靠晶体辐射板的一段叫近场区，接近于圆柱状；离晶本辐射较远的部分，超声波以一定的角度扩散，叫远场区。若压晶体圆片的直径为D,超声波在该介中的波长为λ，则近区的长度为：
  
  D2－λ2 D2
  
  N= ———— ≈ —— （D》λ）
  
  4λ 4λ
  
  由上式看出，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。
  
  声学工作者用光衍射法，对医用超声波换能器的声场显示做了深入、生动的研究。
  
  就是这个研究成果的一组照片，它对我们深入而又形象地理解超声波的束射性，超声波的聚焦性，都有很大的帮助。图1-2是这种是这种光衍射法的实验光路图。图中的He——Ne激光器的波长为6328A（埃），O为一组组合透镜，它将光束镜发出的扩散光束变为平行光束。最后在相屏上得到的是一个超声波声束的倒立的实相。图1-3图1-6的一组照片，就是从这个相屏上拍摄而成的。整个实验均在暗室中进行。图1-5所示的这张未聚焦的单片换能器的全景超声波束照片，是我们超声波治疗机所发出的超声波声束的生动、形象的显示，是值得我们深入研究和理解的。
  
  理解了超声波的束射性，对超声波治疗有重要的意义。由于超声波具有很强的束射性，在超声波治疗时，要注意使用声头辐面垂直，对准治疗部位。以由于超声波声头辐射出的超声波场中心处最强，愈向外侧愈弱，所以，在超声波治疗操作时，一般都要以一定的速度，在治疗部位做小圆周或其它形式的移动，以使治疗部位得到的超声波剂量基本均匀，从而保证治疗效果的良好。
  
  【超声波的透射、反射、折射与聚集】
  
  由于超声波的频率较高，所以超声波在定向传播时，在两种不同媒质的分界面上，会出现类似于光线一样的透射、反射和折射现象。
  
  光线的透射、反射与折射现象是常见的。例如，我们在一个黑暗的环境里将一束光线投身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。我们采用图1一2所示的光衍射法，也可以清楚地看到超声波声束的反射、透射与折射现象。见图1一7。
  
  光的聚集现象是常见的。如果我们手边在一个放大镜，在强烈的阳光下，太阳光经过放大镜的聚集到一点，就会将这一点上的纸或者香烟等物点燃。许多人都亲身做过这个实验。
  
  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。
  
  【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，所以，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，许多人闻讯前去观看和欣赏那动听的音乐。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，随着你慢慢走近乐队，你就逐渐听到了锁呐声、笛声、二胡声等;当你最后走到乐队周围时，你才听到了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，所以它传播的距离较短。例如上述乐队中音调很高的铃声;因其频率很高，空气对它的吸收作用很强，所以传不远。反之，对频率越低的声波，空气对它的吸收较少，因此，它传播的距离较长。上述乐队中音调低沉的大鼓声音传得很远，正是由于它的频率很低的缘故。
  
  声波在媒质中传播时，被吸收而衰减的另一个特点是对于同一个声波，当它在围体、液体或气体，以及各种不同物质中传播时，它被吸收的程度也是不同的。对于一个频率固定的声波，在气体中传播时，它被吸收的最厉害;在液体中传播时，它吸收的较少；而在固体中传播时，则被吸收的最少。所以，声波在空气中传播的最短，在水中则可传播的远一些，而在金属中则能传播得很远。
  
  以上关于声波吸收的两个特性，无论对可听声，或是对超声波，都是适用的。对于超声波来讲，由于它的频率很高，所发，它在空气中传播时，被吸特别厉害。据科学家们的实验，频率为100亿Hz的超声波，在它离开声源的一刹那间，马上会被空气全部吸收掉。在超声波治疗的临床应用中，对于超声波的吸收特性，必须予以足够的重视。这一点，在下面的有关章节中，将要详细谈到。
  
  【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，还有一个原因是由于超声波比一般可听声有着强大的功率。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，连续大声喊叫12个小时才行。超声波具有的能量，要比一般可听声大的多。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赫兹的可听声能量大100万倍。所以说，拥有巨大的能量，是超声波的一个重要特点。超声波的许多应用，也都是利用它的这一特点进行工作的。为什么超声波拥有这么强大的功率呢？这是由于声波到达某一物质中时，由于声波的振动作用，使物质中的分子随便之一起振动，两者振动的频率是一致的。物质分子振动的频率，决定了该物质分子振动的速度，频率越高，速度越大。我们知道，一个运动物体所具有的动能E与其质量M和运动速度有下列关系:
  
  E=Mv2
  
  即，运动物体的动能与其质量成正比，与其速度的平方也成正比。
  
  由于超声波的频率很高，它使所进入的物质分子运动速度，也随之变的很高。根据上式可知，这样高的运动速度，使该物质分子具有很大的动能，这就是超声波拥有巨大能量的缘故。
  
  【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附加压力的强度，单位为公斤/平方厘米，一般可听声的声压非常微小，其数值约为 0.000001公斤/平方厘米~0.000002公斤/平方厘米。这公微小的声压，一般是不引起人们的注意的。但是，超声波的声压，一般是很大的。例如，在水中通过一般强度的超声波时，因超声波而产生的附加压力，可以达到好几个大气压。超声波之所以能够产生这样强的声压，可以达到好几个大气压，其根本原
  
  因仍然是由于超声波的频率很高，所以振动时，使高密度分子间的伸拉很快以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。当它的振幅达到一定程度时，超声波拥有的能量十分巨大。
  
  当超声波束通过液体时，由于巨大的超声波声压作用，可以在液体中出现"空化现象"。这种现象所产生的瞬时压力，可以高达几千个，甚至上万个大气压!这么巨大的瞬时压力，使超声波的应用，在许多方面显示出它独特的巨大作用。现在已被普遍应用的超声波清洗，超声波乳化等，都是超声波空化现象的具体运用。
  
  超声波的空化现象是怎样产生的呢?让我们通过观察一个声学实验，来了解空化现象产生的奥妙。
  
  如图1一8所示，在一个盛满水的玻璃容器中，放大一个超声波发生器的声头。
  
  在超声波机末工作之前，该容器中的液体分子受到的只是大气压的压力，液体的分子都很稳定，没有什么变化。当超声波机开始工作后，一般强大的超声波束穿过了整个液体内部。我们知道，当声波通往某种物质时，由于声振动现象，这种压缩和稀疏相互交替的作用，使该物质分子受到的压力产生了变化。例如当超声波振动使水分子压缩时，水分子所受到压力将是大气压加上水分子被压缩时受到的压力，这个变化的压力就是前面我们所谈到的"声压"。当这个巨大的声压使水分子团压缩时，好象水分子团受到了来自四面八方的巨大压力(参看图1一8A)当超声波振动使水分子稀疏时，水分子又受到了向四面八方散开的拉力(参看图1一 8B)。对于一般的液体，它能经受得住声压的巨大压力作用，所以在受到压缩力时，水分子团不会发生反常的现象。但是当水分子团受到稀疏作用而受到四面八方的拉力时，它们就支持不住了。在拉力集中的地分，水分子团就会断裂开来，这种断裂作用，最容易发生在存有杂质和气泡的地方，因为这些地方水的强度特别低，根本经不住几倍于大气压力的巨大的拉力作用而发生断裂。这种断裂的结果，使水中会产生许多气泡状的小空腔，这种空腔存在的时间很短，一瞬间，就会闭合起来。小空腔闭合的时侯，会产生巨大的瞬时压力，一般的可高达几千个，甚至上万个大气压。这种巨大的瞬时压力，可以使悬浮在水中的固体表面受到急剧的破坏，超声波的绝妙的清洗作用、乳化作用以及超声波治疗中利用超声波来击碎脑血栓和胆结石块等，都是运用了超声波的这种巨大的瞬时压力。这种由于超声波在液体中的声压，而使液体分子团破裂而产生无数气体小空腔，由于这些小空腔闭合而产生的瞬时压力的现象，称之为超声波的空化现象。超声波的空化现象，也是超声波的重要特性之一。

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