超聲波的特性應(yīng)用

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

關(guān)鍵詞： 超聲波 特性 應(yīng)用

一、超聲波的描述

機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中傳播而形成機(jī)械波。人耳能夠聽到的機(jī)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(jī)械波稱為次聲波，頻率高于20000Hz的機(jī)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(zhì)相同，遵守共同的運(yùn)動(dòng)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(shù)的發(fā)展，超聲波已廣泛地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、國防、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。超聲技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已有半個(gè)多世紀(jì)，已成為醫(yī)學(xué)中不可缺少的臨床診斷手段之一。在醫(yī)學(xué)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(chǎn)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(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)發(fā)生折射、反射等；同時(shí)有很強(qiáng)的被吸收性與衰減性，帶有很強(qiáng)的能量。以下簡要介紹超聲波的幾個(gè)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(kuò)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(qiáng)。當(dāng)超聲波發(fā)生體——壓電晶體的直徑尺寸遠(yuǎn)大于超聲波波長時(shí)，則晶體所產(chǎn)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(gè)黑暗的環(huán)境里將一束光線投射到一個(gè)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(chǎn)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(shí)，在兩種不同媒質(zhì)的分界面上，會(huì)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(huì)聚到一點(diǎn)，從而將超聲波的聲強(qiáng)提高幾倍甚至幾千倍，利用這樣巨大的聲強(qiáng)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(zhì)中傳播時(shí)，由于媒質(zhì)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(qiáng)度會(huì)逐漸減弱。

在一個(gè)廣場上，一個(gè)民族弦樂正在為廣大群眾作街頭演出，當(dāng)你從遠(yuǎn)處走近這個(gè)樂隊(duì)時(shí)，首先聽到的是那音調(diào)低沉的鼓聲，慢慢走近樂隊(duì)，你會(huì)逐漸聽到鎖吶聲、笛聲、二胡聲等;最后走到樂隊(duì)周圍時(shí)，你才會(huì)聽到那音調(diào)很高的清脆的鈴聲。

這個(gè)例子很生動(dòng)地說明了各種不同頻率的聲波在空氣中傳播時(shí)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(qiáng)，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(dú)特而又巨大的作用，一個(gè)重要原因是超聲波比聲波有著極為強(qiáng)大的功率。根據(jù)聲學(xué)工作者的實(shí)驗(yàn)測定，一般的講話聲音的能量是很小的。假設(shè)我們想用普通說話的能量來燒開一壺水，那么必須動(dòng)員700多萬人，連續(xù)說上12個(gè)小時(shí)才行。超聲波具有的能量要比聲大得多。根據(jù)有關(guān)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)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?？梢姡瑩碛芯薮蟮哪芰浚浅暡ǖ囊粋€(gè)重要特點(diǎn)。

5.超聲波的聲壓特性

所謂“聲壓”指的是由于聲波的振動(dòng)而使聲場中的物體受到的附加壓力的強(qiáng)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(qiáng)度的超聲波射入水中時(shí)，而產(chǎn)生的聲壓可以達(dá)到數(shù)個(gè)大氣壓。超聲波之所以能夠產(chǎn)生這樣強(qiáng)的聲壓，其根本原因超聲波的頻率很高，所以進(jìn)入介質(zhì)時(shí)，高密度分子間的伸拉很快，致使其間形成瞬時(shí)的真空與壓縮高密度區(qū)，產(chǎn)生巨大的壓力差。當(dāng)振幅達(dá)到一定程度時(shí)，超聲波擁有的能量十分巨大。

三、超聲波的應(yīng)用

1.超聲波診斷

目前醫(yī)學(xué)應(yīng)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(shí)質(zhì)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(shí)，首先將人體界面的反射信號轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)弱不同的光點(diǎn)，這些光點(diǎn)可通過熒光屏顯現(xiàn)出來，這種方法直觀性好，重復(fù)性強(qiáng)，可供前后對比，所以廣泛用于婦產(chǎn)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(dòng)界面時(shí)間變化的一種方法。最適用于檢查心臟的活動(dòng)情況，其曲線的動(dòng)態(tài)改變稱為超聲心動(dòng)圖，可以用來觀察心臟各層結(jié)構(gòu)的位置、活動(dòng)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)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(dòng)和器官活動(dòng)的一種超聲診斷方法，又稱為多普勒超聲診斷法?？纱_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(nèi)血液的流量。近幾年來科學(xué)家又發(fā)展了彩色編碼多普勒系統(tǒng)，可在超聲心動(dòng)圖解剖標(biāo)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(jī)

超聲波碎石機(jī)是靠機(jī)器發(fā)送超聲波入人體，利用超聲波巨大的能量，使人體內(nèi)的結(jié)石產(chǎn)生共振并因此被震蕩粉碎，從而減緩病痛，達(dá)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(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(dòng)會(huì)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(jīng)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(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)——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(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)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(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增長，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力，破壞不溶性污物，而使它們分散于清洗液中。當(dāng)團(tuán)體粒子被污物包裹而粘附在清洗件表面時(shí)，污物被乳化，團(tuán)體粒子即脫離，從而達(dá)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(shí)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(shí)，材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生原理相似，當(dāng)超聲波遇到不連續(xù)性介質(zhì)時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生反射，反射的超聲波使壓電晶片振動(dòng)，繼而在壓電晶片兩端產(chǎn)生電壓，電壓轉(zhuǎn)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(dòng)產(chǎn)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(nèi)窺鏡等超聲波技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，并且還可以與其他檢查儀器結(jié)合使用，使疾病的診斷準(zhǔn)確率大大提高。超聲波技術(shù)正在醫(yī)學(xué)界發(fā)揮著巨大的作用，隨著科學(xué)的進(jìn)步，它將更加完善，將更好地造福于人類。

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