無聲無形卻可探索世界的超聲波

楊劍 馬將

在八年級《物理》中，我們通過學習知道了聲音是以波的形式傳播的。但你知道嗎？這個世界上還有一種我們聽不見的聲音——超聲波。雖然聽不見，但超聲波離我們的生活并不遙遠。

我們每天都可以聽到來自周圍的各種聲音，可當聲波的頻率超過20000赫茲（Hz）后我們再無法聽見，這種聲波被稱為超聲波。超聲波和我們日常聽見的聲波具有相同的本質屬性，區別在于頻率高低不同。超聲波傳播時具有方向性強、能量易于集中、傳播位移足夠大等優勢。

既然我們聽不見超聲波，那超聲波是如何被發現的呢？有這么一個有趣的故事。一位名叫拉扎羅·斯帕拉捷的科學家發現蝙蝠在黑夜里仍可以靈活地飛翔、捕食，于是對蝙蝠做了一系列實驗：蒙住蝙蝠的眼睛、堵上蝙蝠的鼻子、在蝙蝠的身上涂抹油漆，但都未能影響蝙蝠的飛行能力。最后，當蝙蝠的耳朵被堵住時，蝙蝠再也無法瀟灑自如地飛行，變得四處磕磕碰碰，很快落在地上。斯帕拉捷這才明白，原來蝙蝠是靠聲音“觀察”環境和躲避障礙的。

通過繼續深入研究，人們發現，蝙蝠可以通過喉嚨發出極高頻率的超聲波，超聲波沿著一條直線迅速傳播，遇到物體后就像手電筒的光照射到鏡子上一樣被反射回去;而蝙蝠的耳朵可以接收到人耳無法接收到的超聲波信號。蝙蝠就是依靠這種人類無法聽到的超聲波在黑夜中暢行無阻的。

不止蝙蝠，自然界中還有其他的超聲波高手。例如海豚，就能夠利用它們呼吸孔下面的氣囊發出超聲波，魚群反饋回的超聲波是捕食的信息，同類發出的超聲波可以用來交流，障礙物反饋回的超聲波則可用于探測周圍環境。此外，還有不少動物能夠發出或者聽到超聲波，例如大象、水母等。

科學家模仿自然界中的超聲波現象，用超聲波裝置發出超聲波信號，當信號遇到傳播介質中的其他物體時，就會反射回來。接收記錄反饋回的超聲波的時間間隔、方位，便可測出目標的方位和距離。依據這個原理科學家們設計出了聲吶系統。

延伸閱讀

超聲波清潔工

超聲波不僅有這么多“高大上”的用途，其實還是一位“上得廳堂，下得廚房”的清潔工。超聲波清洗機的原理是通過超聲波使清洗水槽中的清洗液和其中的微氣泡產生連續的機械振動。這些微氣泡就像許多小刷子，來回沖擊污垢，使污垢雜質疲勞損壞，進而脫離清洗件表面。超聲波清潔效率可達到98%以上，是目前世界上公認的最有效的清潔方法。

超聲科學先鋒隊

隨著科學技術的日新月異，超聲波技術距離人們的生活越來越近，使用范圍也越來越廣。在軍事領域，潛艇模仿海豚，通過潛艇上的聲吶系統發出的超聲波來探測水下目標。由于超聲波在液體中衰減極小，故在伸手不見五指的深海中也可實現遠距離監測，是迄今為止最有效的深海探測方式。另外，超聲波還可應用于武器。超聲波武器發射的高頻聲波可以在一定程度上引起強氣壓，并造成人體視物模糊、惡心等生理反應。

在科研領域，有一種名叫非晶合金的新型材料在電阻焊接時易發生晶化、氧化，此時超聲波焊接就體現出了它杰出的優勢：傳統的電焊工藝需要靠高溫熔化來實現兩個工件的結合;使用超聲波進行焊接，只需要保持一定的壓力，利用超聲波連續振動使被焊接的上下工件產生摩擦、形變，就能使結合面處的溫度上升。這種技術實現了不熔化的固體焊接，有效地避免了電阻焊接過程中產生的飛濺和氧化現象。

在最新款的高端智能手機中，非晶合金被用作屏幕旋轉結構的鷹翼鉸鏈，由此可見該材料的特殊之處?？蒲腥藛T最新發現，利用超聲波技術，可以實現非晶合金的室溫制造與成型，完全突破了傳統的制造與成型方法，在該領域中引起了廣泛關注。

抗疫前線的超聲波身影

2020年新冠病毒在全球肆虐，作為阻斷病毒傳播路徑必不可少的醫療用品，口罩在各國成為供不應求的硬通貨。而防護效果最好的KN95口罩，也與超聲波有關。

超聲波焊接技術是KN95口罩自動化生產線核心組成部分。KN95口罩由5層到6層無紡過濾布、鼻梁條、耳帶等組成。KN95口罩自動化生產線則由無紡過濾布上料機構、鼻梁條超聲波焊接機構、耳帶超聲波焊接機構和口罩折疊機構等組成。以耳帶焊接機構為例，它利用超聲波傳輸的高頻振動使口罩的耳帶與無紡過濾布表面相互摩擦，產生局部高溫，從而使無紡過濾布與耳帶熔合。超聲波停止之后，繼續保持一段時間的壓力，使連接處固化成型，這樣焊接后的強度接近原材料的強度。

此外，KN95口罩上面的壓痕、封邊、鼻梁線的裝配也都是通過超聲波焊接工藝來完成的。大家不妨拿一個KN95口罩，摸摸銜接處，感受下超聲波焊接技術的實戰成果吧。

（來源：《知識就是力量》 有刪減）