广东省江门市新会第二中学高中物理 第二章 物理与生活 超声波及其应用素材.docVIP

超声波及其应用 人耳最高只能感觉到大约 20 000 hz 的声波，频率更高的声波就是超声波了。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功，声波功率就是表示声波作功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比,而超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的，因而能量很大。超声波的技术应用概括起来主要是利用它能量大和沿直线传播这两个特点展开的。超声波技术的应用 (1)超声探伤、测厚、测距、医学诊断和成像。我们知道声波能够绕过障碍物继续传播，但是，波长越短，这种衍射现象越不明显，因此，超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射。如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了，这种仪器叫做声纳。声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度等。在工业生产中常常运用超声透射法对产品进行无损探测,超声波发生器发射出的超声波能够透过被检测的样品，被对面的接收器所接收，如果样品内部有缺陷，超声波就会在缺陷处发生反射。这时，对面的接收器便收不到或者不能全部收到发生器发射出的超声波信号。这样，就可以在不损伤被检测样品的情况下，检测出样品内部有无缺陷。在医疗诊断中则常采用回声法：将弱超声波透入人体内部，当超声波遇到脏器的界面时，便发生反射和透射。透射入脏器内部的超声波，再遇到界面时还会再次发生反射和透射，超声波接收器专门接收各次的反射波。医务人员根据所收到的各次反射波的时间间隔和波的强弱，就能够了解到脏器的大小、位置及其内部的病变等,因为人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样，我们平常说的“b超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变。根据同样的道理也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹。(2)超声处理。超声处理主要是利用它的功率特性和空化作用，改变或者加速改变物质的某些物理、化学、生物特性或状态,利用强超声波进行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱气、医疗、种子处理等，已经广泛地应用于工业、农业、医疗卫生等各个部门。空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。在我国北方干燥的冬季，利用空化作用把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度，这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗效。利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎。在工业上可以利用超声波对金属零件、玻璃和陶瓷制品进行除垢，如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，就能够很快清洗干净，既能免除了人工清洗的烦恼又节省了大量的时间,还可以利用强超声波对钢铁、陶瓷、宝石、金刚石等坚硬物体进行钻孔和切削加工。平时我们用锤子和钢钎可以一下一下地将坚硬的岩石打出洞来，超声加工也是这个道理，利用紧压在工件上的金属变幅杆，当绕在它上面的线圈中通过交变电流时，它便产生超声振动而不断地敲击工件。变幅杆下端与工件之间放有金刚砂一类的高强度磨料,在杆的冲击下，磨料的颗粒就像被锤子敲击的钢钎一样錾削着工件。虽然变幅杆的伸缩量很小(只有几十微米)，每次的加工量很小，但由于超声源的频率很高，每秒钟振动在20000次以上，所以工件被“蚕食”的速度是很快的。变幅杆底端的形状是什么样，加工出的工件形状也是什么样。所以，利用超声波可以加工出形状复杂的零件，而且加工的精度和光洁度也都很高。超声波技术的发展很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官。以昆虫为食的编幅，视觉很差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物。海豚也有完善的“声纳”系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置。现代的无线电定位器雷达，质量有几十、几百、几千千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器。深入研究动物身上各种器官的功能和构造，将获得的