超聲波的奧秘：無聲無形卻可探索世界

楊劍 馬將

自然界中的“超級音響”

既然我們聽不見超聲波，那是如何發(fā)現(xiàn)超聲波的呢？在蘇教版《語文》六年級課本中有一個有趣的故事，一位名叫拉扎羅·斯帕拉捷的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(dāng)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(huán)境，躲避障礙的。

通過繼續(xù)深入研究，人們發(fā)現(xiàn)蝙蝠可以通過喉嚨發(fā)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燈光照射到鏡子上一樣被反射回去。而它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。

超聲定位示意圖

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

科學(xué)家模仿自然界中的超聲波現(xiàn)象，用超聲波裝備發(fā)出超聲波信號，當(dāng)信號遇到傳播介質(zhì)中的其他物體時，就會回來。接收記錄反饋回的超聲波的時間間隔、方位，便可測出目標(biāo)的方位和距離，科學(xué)家們就是依據(jù)這個原理設(shè)計出了聲吶系統(tǒng)。

蝙蝠利用超聲波在夜間行動

“超聲”科學(xué)先鋒隊

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，超聲波技術(shù)距離人們的生活越來越近，使用范圍也越來越廣闊。在軍事領(lǐng)域，潛艇模仿海豚，通過潛艇上的聲吶系統(tǒng)發(fā)出的超聲波，探測水下作戰(zhàn)目標(biāo)。超聲波在液體中衰減極小，在伸手不見五指的深海中也可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測，是迄今為止最有效的深海探測方式。另外，超聲波還被應(yīng)用于武器中，超聲波武器發(fā)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(yīng)。

而在科研領(lǐng)域有一種名叫非晶合金的新型材料。非晶合金在電阻焊接時易發(fā)生晶化、氧化。此時超聲波焊接就體現(xiàn)出了它杰出的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的電焊工藝需要依靠高溫熔化來實現(xiàn)兩個工件的結(jié)合，而使用超聲波進(jìn)行焊接時，只要保持一定壓力，利用超聲波連續(xù)振動使被焊接的上下工件產(chǎn)生摩擦、形變從而使結(jié)合面處的溫度上升。這種技術(shù)實現(xiàn)了不熔化的固體焊接，有效地避免了電阻焊接過程中產(chǎn)生的飛濺和氧化現(xiàn)象。

在最新款的高端智能手機中，非晶合金被用作屏幕旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的鷹翼鉸鏈，由此可見該材料的特殊之處。科研人員最新發(fā)現(xiàn)，利用超聲波技術(shù)，可以實現(xiàn)非晶合金的室溫制造與成型，完全突破了其傳統(tǒng)制造與成型方法，引起了該領(lǐng)域科研人員的廣泛關(guān)注。

抗疫前線的超聲波身影

利用超聲波檢測鋼板是否存在缺陷

口罩生產(chǎn)中使用的超聲波焊接技術(shù)

2020年新冠病毒在全球肆虐，口罩是阻斷病毒傳播路徑必不可少的醫(yī)療用品，在各國成為供不應(yīng)求的硬通貨。KN95口罩由5～6層無紡過濾布、鼻梁條、耳帶組成。

其中，超聲波焊接技術(shù)是KN95口罩自動化生產(chǎn)線核心組成部分。KN95口罩自動化生產(chǎn)線由無紡過濾布上料機構(gòu)、鼻梁線超聲波焊接機構(gòu)、耳帶超聲波焊接機構(gòu)和口罩折疊機構(gòu)組成。以耳帶焊接機構(gòu)為例，它利用超聲波傳輸?shù)母哳l振動使口罩的耳帶與無紡過濾布表面相互摩擦，產(chǎn)生局部高溫，從而令無紡過濾布與耳帶熔合。超聲波停止之后，繼續(xù)保持一定時間的壓力，使連接處固化成型，這樣焊接后的強度可以接近原材料的強度。除此之外，KN95口罩上面的壓痕、封邊、鼻梁線的裝配都是通過超聲波焊接工藝來完成的，大家不妨拿一個口罩，摸摸銜接處，感受下超聲波焊接技術(shù)的實戰(zhàn)成果吧。

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超聲波清潔工

超聲波清洗機

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就是通過超聲波使清洗水槽中的清洗液和其中的微氣泡產(chǎn)生連續(xù)的機械振動，這些微氣泡就像許多的小刷子一樣來回沖擊污垢，使污垢雜質(zhì)疲勞損壞，進(jìn)而脫離清洗件表面。超聲清潔效率可達(dá)到98%以上，是目前世界上公認(rèn)的最有效的清潔方法。

（責(zé)任編輯 / 陳瑩?? 美術(shù)編輯 / 張志浩）