生活中常見的超聲波應用及其物理原理分析

楊超

摘 要：物理學是一門與人們日常生活生產都密切相關的學科，它包含多種重要科學原理，如力學、光學、動力學、電學及聲學等。物理學是研究物質世界最基本的結構、最一般的運動定律及所使用的實驗手段和思維方法的自然科學。本文著重于超聲學在人們日常生活中的重要應用及原理做相關分析論述。

關鍵詞：超聲波；應用；物理原理

一、超聲波的產生

聲波是物體機械振動狀態或能量的傳播形式，而超聲波是指振動頻率大于20 000Hz以上的，其每秒的振動次數已經超出人耳聽覺上限，是一種被人們聽不見的聲波。與人耳可以聽到的聲波有所不同：超聲波波長很短，衍射本領較差，在均勻介質中能夠定向直線傳播，而且超聲波的波長越短，該特性就越顯著。

二、超聲的研究與發展

早在1883年就已經有超聲氣哨的出現，但限于當時的科學技術水平，并沒有挖掘出超聲的巨大潛能和應用價值。到1917年，法國物理學家郎之萬用天然壓電石英制造成夾心式超聲換能器，這也是首次成功地把超聲設備應用于軍事中。之后隨著科學技術的不斷發展，人們能產生和接收的超聲波頻率也在不斷提高，目前一正在逐步接近點陣熱振動的頻率。由于超聲波的應用范圍越來越廣泛，對于他的研究也隨之越來越深入，各個國家對于超聲波的應用實踐也更加重視。

三、超聲波在實際生活生產中的應用及原理

（一）在醫療體系的應用

提及超聲波，在日常生活的醫療體系的應用是最為廣泛的，其中最為人們熟知，也是最常用應用便是B超。B超是超聲的主要檢查方法，包括后來的內鏡超聲、三維成像等也都是在B型超聲的基礎上發展起來的。B超主要是應用了超聲的成像技術，它通過同步信號同時發射和掃描電路，發射的電信號通過換能器換成超聲波并入射到人體內，之后就同聲音一樣，它在人的身體內向一定的方向傳播，而且可以穿透物體，當遇到阻礙時就會發出回聲，遇到的阻礙不同，發出的回聲也不同，然后人們把回聲收集起來并顯示在操作屏幕上。由于人體各臟器組織有特定的差異，超聲波在不同的介質反射、折射、衰弱、聲源與接收器相對運動產生多普勒等物理特性，然后應用超聲檢測儀，接受這些信號，再結合臨床經驗，總結不同的反射規律，從而對病人的病情做出合理診斷。

（二）在生活中的應用

超聲清洗消毒，主要用于真空食品密封后，或者是在電子、光學醫藥等一些對工作環境要求較高或者制作物品要求的標準比較嚴格。比如，制藥行業所使用的玻璃器具，在封口不適合高溫加熱的情況下，最好的辦法就是選擇超聲，不僅能達到清洗的目的，還可以對容器的內外壁及瓶口殘余的微生物進行打碎，從而達到清洗消毒的目的。這主要是通過換能器，將功率較高的聲能轉換成機械能，通過中間媒體介質，將超聲波輻射到需要清洗或者消毒的部位，由于受到超聲波的輻射，其能夠使物體保持振動，并逐漸被分離。當聲波強度較高時，便會產生縱波，之后就會產生一各壓縮和膨脹交替的區域，由于不斷地進行能量轉換，可以使周圍達到一個極高的溫度，最后達到消毒殺菌的目的。綜合分析，超聲波的清洗消毒原理，就是利用換能器將傳播到媒體介質上的聲能轉化為所需要的急切能。

（三）在工業生產中的應用

1.超聲焊接

超聲焊接包括金屬的焊接及塑料的焊接，超聲焊接具有焊接時間短、焊接電阻低、焊接表面干凈、焊接更安全等特點。金屬的超聲焊接和塑料超聲焊接的工作原理大體相同，都是通過換能器使超聲波輻射的聲能轉化為機械能，然后機械能再轉化為熱能。只不過金屬的焊接是通過轉化后的熱能，將相結合出的金屬分子活躍性增強，分子間是存在間隙的，通過分子間的相互運動及同性相斥異性相吸的物理原理，最終達到需要焊接處的結合。塑料的超聲焊接則是直接通過轉化的機械能在通過摩擦的方式產生熱能，通過將塑料融化對接再自然冷卻達到焊接目的。

2.用超聲波處理廢水污泥

傳統的廢水在處理過后仍然會留下大量含水量高的污泥，而這些污泥必須在經過濃縮或者脫水后再可以被再次利用。但近幾年新加坡某大學經過研究發現，通過超聲波處理廢水污泥，不僅成本低、效率高，而且還能在處理過程中產生有用的生物氣體，環保性更強，副作用更低。其工作原理就是電流通過換能器，將電能轉化成高強度的聲能，也就是我們說的超聲波，在超聲波攝入到廢水污泥當中時，就會產生許多微笑氣泡，在氣泡炸開后損壞細菌的外置細胞壁，然后通過厭氧消化把這些細菌處理掉，與此同時還可以產生更多的生物氣體。通過有關研究發現，利用超聲波處理廢水污泥過程中產生的這些生物氣體便是甲烷，將這些甲烷收集起來就可以直接燃燒發電，環保又實效。

（四）在軍事中的應用

早期的潛艇主要靠與潛望鏡進行觀察，但有很大的局限性，其只能觀察到水面以上的物體，對于水下則好像盲人一般，所以早起的潛艇任務的事故率非常高，往往因為看不到水下的魚雷或者暗礁致使潛艇自身受到極大傷害。而現代采用的超聲探測技術，就是利用回聲探測來確定物體的危險級別。以水雷為例，由于水雷反射聲波能力很弱，使探測水雷的任務更加困難艱巨，然而，在潛艇任務中不僅要能分辨出這些小目標，還要求精準探測出他們所在的位置，目前的超聲技術，已經探測沉底雷大約400米左右的距離。除此之外，超聲還可以探測海洋里的沉船和暗礁，執行海底警戒的任務。

（五）超聲波的拓展應用

超聲波經過多年的研究與發展，在其基礎上又延伸了兩個新的概念——“次聲波”和“聲納”。以下主要介紹下聲納在無損探傷的應用。無損探傷是在不損壞工件或原材料工作狀態的前提下，對被檢測不見的表面和內部質量進行檢查的一種測試手段。超聲的無損探傷就是利用超聲波在不同介質進行反射，通過比對反射回來的能量來分析確定被檢測工件的損傷程度。這種探傷方式較傳統的驗傷方式效率更高，探測出損傷的部位更精確，操作更安全，使用更加方便。

四、結語

科學分為多種，有生物科學、化學科學、人文地理科學等，而物理科學只是眾多里面的一個分支。如果把科學比作整個銀河系，那么物理科學就是太陽系，而超聲學也只是太陽系里一顆耀眼的恒星。當今時代，科學是永遠不會過時的熱點話題，對于科學的探索需要一代又一代人的不斷努力。以超聲波為例，它的出現給人們生活帶來了眾多便利，極大滿足了人們對物質文化、精神文化的需求。此外，超聲波對促進各國經濟有效發展、鞏固各國的國防水平都起到了不可替代的作用。但對于超聲學的現有研究水平，遠遠不能滿足人們對其潛在價值的深層探索，尤其是由其衍生出的各類復雜科學，已經激起各國科學家的研究興趣。

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