聲音的秘密

徐海 楚婉苓 楊敏 公明

“誰的腳步近了，誰的腳步遠了，我都豎起耳朵……”眼睛是心靈的窗戶，而耳朵讓我們聆聽到世上的聲音，機械的、自然的、動聽的、刺耳的……那聲音是什么？聲音是如何傳播的？我們又是如何利用聲波的？就讓我們在這首由李榮浩演唱的著名歌曲《耳朵》的陪伴下，一起走進關于聲音的科學世界。

聲音是什么

聲音是由物體振動產生的聲波，是一種通過介質（空氣或固體、液體）傳播并能被人或動物的聽覺器官所感知的波動現象。最初發出振動（震動）的物體叫聲源。聲音以波的形式振動（震動）傳播。

聲音是一種波，具有波的普遍參數，如頻率、波長、波數等。而人和不同的動物以及很多的儀器等能夠接收到的頻率范圍是不同的。人耳能聽到的聲音頻率范圍為20～20000赫茲，低于或超出這個范圍人耳將聽不到任何聲音，因此，人們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為超聲波，低于20赫茲的稱為次聲波。

超聲效應的應用

超聲波和次聲波雖然不被人耳所接受，但超聲效應卻已廣泛用于我們的實際生活中。

超聲成像

超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能穿透不透明物質，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術。

超聲成像是利用超聲波呈現不透明物內部結構的技術。把從換能器發出的超聲波經聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對聲波的反射、吸收和散射的能力），經聲透鏡會聚在壓電接收器上，所得電信號輸入放大器，利用掃描系統可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。

超聲成像技術已在醫療檢查方面獲得普遍應用。醫學超聲波檢查的工作原理與聲吶有一定的相似性，即將超聲波發射到人體內，當它在體內遇到界面時會發生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因為人體各種組織的形態與結構是不同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫生們正是通過儀器所反映出的波形、曲線，或影像的特征來辨別它們。此外再結合解剖學知識、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否存在病變。

超聲處理

超聲波有能量，利用超聲的機械作用、空化作用、熱效應和化學效應，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，因此超聲波在工礦業、農業、醫療等各個部門獲得了廣泛應用。

超聲波和次聲波頻率范圍

超聲波清洗

超聲波清洗的應用原理是由超聲波發生器發出的高頻振蕩信號，通過換能器轉換成高頻機械振蕩而傳播到介質清洗溶劑中。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。當團體粒子被油污裹著而黏附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子即脫離，從而達到清洗件表面凈化的目的。

超聲手術

隨著科技的發展，醫療技術的進步，傳統外科手術也經歷了一次又一次的進步。尤其是中國自主研發的聚焦超聲手術，已經實現了不開刀、不留疤痕，在體外對體內進行手術。

對許多人來說，聚焦超聲手術是新鮮事物，人們可能會認為傳統的開腹手術或者外科手術更加安全靠譜。那么，聚焦超聲手術會不會給患者帶來傷害呢？答案是否定的。

聚焦超聲手術是將體外無害的低能超聲波穿過身體聚焦到體內患處，聚焦焦點的溫度瞬間可達60～100℃，使患處的細胞及組織發生凝固性壞死，從而達到治療效果。這么高的焦點溫度會對人體造成傷害嗎？

舉個例子，當超聲波穿過人的手時，手只會感覺到微微的振動，但是當超聲波聚焦成一個點時，其溫度會瞬間升高，身體中的腫瘤細胞會被徹底殺死，由于焦點具有較高的精確性，因此身體其他組織不會受到傷害。所以，聚焦超聲手術可以做到只迫害腫瘤，而讓其他身體組織免受傷害。

超聲成像技術

既然聚焦超聲手術是將病灶組織在人體內消融，而不是直接取出，那它會不會給人體帶來創傷呢？事實上，人類擁有與生俱來的強大免疫能力和排異功能，當創傷出現以后，人體會迅速啟動自愈功能。比如人們在不經意間擦破表皮，幾天就可以恢復原狀，甚至看不到受傷的痕跡，這都要歸功于人體免疫修復的巨大功能;當壞死組織比如子宮肌瘤被聚焦超聲高溫殺死后，機體會自動啟動自愈系統，從而將壞死組織進行識別、包圍，繼而將其分解、吞食、吸收。

次聲波的威力

次聲波的特點是來源廣、傳播遠、能夠繞過障礙物傳得很遠。次聲的聲波頻率很低，在20赫茲以下，波長卻很長，傳播距離也很遠。它比一般的聲波、光波和無線電波都要傳得遠。例如，頻率低于1赫茲的次聲波，可以傳到幾千以至上萬千米以外的地方。

1883年8月，南蘇門答臘島和爪哇島之間的克拉卡托火山爆發，產生的次聲波繞地球3圈，全長十多萬千米，歷時108小時。

1961年，蘇聯在北極圈內新地島進行核試驗激起的次聲波繞地球轉了5圈。

次聲波具有極強的穿透力，不僅可以穿透大氣、海水、土壤，而且還能穿透堅固的鋼筋水泥構成的建筑物，甚至連坦克、軍艦、潛艇和飛機都不在話下。

利用超聲成像技術判斷身體健康狀況

7000赫茲的聲波用一張紙即可阻擋，而7赫茲的次聲波可以穿透十幾米厚的鋼筋混凝土。地震或核爆炸所產生的次聲波可將房屋摧毀。次聲如果和周圍物體發生共振，就能產生相當大的能量。如4～8赫茲的次聲能在人的腹腔里產生共振，可使心臟出現強烈共振和肺壁受損。

聲波的衰減

聲音通過聲波的形式在介質中傳播，氣體、固體、液體都可以成為聲音傳播的介質，而在真空環境中，聲音則無法傳播。除此之外，在三類不同的介質中，聲波在固體中的傳播速度最快，其次是液體，自然，聲波在氣體中的傳播速度就是最慢的。

超聲波清洗原理示意

那為什么當窗外的噪聲讓人難以忍受的時候，關上窗戶就能有效的減弱噪音呢？

原來，雖然聲音在固體中的傳播速度是最快的，但是當聲音從聲源出發，穿過介質時，它就會失去一部分能量。所以，當我們關上窗戶時，聲波中的一部分能量就會被窗戶吸收，甚至有一部分還會被反射回去，因此，原始聲波（噪聲）失去了相當多的能量，當我們關上窗戶后，窗外的噪聲就被顯著減小了。

面部醫療聚焦超聲示意圖

關閉窗戶能夠減小噪音的干擾

所以，聲波在不同類型的介質中都會有不同程度的衰減，我們甚至可以用一個簡單的小實驗，來更好地理解這一點。

找一張桌子，輕輕敲擊桌腿，感受下聽到的聲音。接著將頭部側躺在桌面上，讓耳朵緊貼在桌面上，再敲擊一下桌腿處。怎么樣，這一次的聲音是不是又響亮又清楚，遠遠大于第一次聽到的聲音呢？相信閱讀完上面的內容后，你肯定能自己解釋其中的奧秘了！

延伸閱讀

次聲波的危害

次聲波會干擾人的神經系統的正常功能，危害人體健康。一定強度的次聲波，能使人頭暈、惡心、嘔吐、喪失平衡感甚至精神沮喪。有人認為，暈車、暈船就是車、船在運行時伴生的次聲波引起的。

住在十幾層高的樓房里的人，遇到大風天氣，往往感到頭暈、惡心，這也是因為大風使高樓搖晃產生次聲波的緣故。更強的次聲波還能使人耳聾、昏迷、精神失常甚至死亡。