超声及其应用 南京大学物理系声学教研组苏联专家 [复制链接]

第7版()
专栏：

超声及其应用
南京大学物理系声学教研组苏联专家
依·盖·米哈依洛夫博士
在我们周围的世界中充满着声音——人们的嗓音，鸟的啭声，树叶的沙沙声，城市街道的噪声，火车头的汽笛声和其它的声音。声音有响，有轻，也有低和尖之区分。我们常可以根据其特点来指出这些声音的来源，从而极易区别这是人声、鸟声或是汽车的喇叭声。在很早以前，人们就开始注意并研究了声源的性质与由它所发生的声音之间的关系。每个人都易亲身体会到这一点：当用手抚摸正在发声的弦或鼓皮时，立刻会感觉到它们在振动。事实上，任何一物体处在振动状态时，都要发生声音。同时人们也知道声音音调的高低和发声物体的几何形状及大小之间有着一定的联系。弦愈长，则声音愈低，鼓愈大则发出的声音也就愈低，且聒耳。反之，欲得高或尖的声音，则必须采用较小的振动物体。
发声物体振动得愈厉害，则所发的声音也愈强。我们还知道，发强声音的弦有很大的振动幅度，甚至用眼睛都能看到。
音调的高低是不同声音的特点之一。在物理学中用每秒钟物体的振动次数，来描写音调的高低，这个量称为振动频率，它的单位是“赫兹”。当物体具有某一定大小的振动幅度时，它产生某一强度的声音。在物理学中把振动的“幅度”称为“振幅”。我们研究了振动大小和声强间的关系，并知道，如果振幅增加到二倍，则声强增加到四倍，也就是说声强正比于振幅的平方，但是如果有二个物体以同一振幅振动，而频率不同，则声强也就不同。在一定振幅下，振动频率愈高，则声强也愈大。事实上，声强是正比于振动频率的平方，和振幅的平方。
物体的振动，引起周围的介质、微粒振动。例如当声源处在空气中时，则它将引起其表面附近的空气质点的振动。而这些质点又引起了其邻近质点的振动。依此类推。因此声源的振动就激发起介质——空气的振动。这种振动以声波的方式并以一定的速度向四周传播。正好像在水中抛一石块时水波的传播一样。声波传播的速度在各种物质中不是一样的。在空气中约等于330米／秒，在水中约为1500米／秒，而在钢中则为5000米／秒左右。
声波是物质介质中稀疏与稠密相交替的传布。在二个相邻稠密或稀疏间的距离称为波长。可见，波长就是声源振动一次时声波所传播的距离。显然，当声速一定时，频率愈低则波长愈长。声波到达人耳时，引起了耳膜的振动。此振动通过神经纤维传到人脑，因而我们就感到了声音的存在。
人耳是一个很灵敏的声音接收器，但是它只能接收某一频率范围——大约从20赫兹到16000—20000赫兹——内的声音。人听不见低于20赫兹或高于20000赫兹的声音。但是有一些动物能听见较高频率的声音，例如狗和蝙蝠能听到高于20000赫兹的声音。人不能听到的这种高于20000赫兹的声音称为超声。近代，人们已能获得频率达2000000000赫兹的超声。当然，用一般的方法，例如用弦振动是不可能获得如此高频率的超声的。用一些特殊的声源可获得超声。从石英晶体中割切出来的晶片是常用的超声振源中之一，石英具有很有趣的性质，如果从石英中以一定的方式割出一薄片，并把它放在交流电场中，则薄片开始振动，其振动频率等于电场的频率。频率的兆赫兹以上的交流电场只能用无线电技术来产生。因此仅在发明无线电后才有可能获得超声。
超声已广泛地应用于各个科学领域和技术方面，在苏共二十一次代表大会的决议中，着重指出了发展超声工作的必要性，这一点更证明了超声应用的重要性。
那么超声是什么呢？它具有那些奇妙的性质呢？上面我们已经讲过超声是高于人耳听觉“上限”的机械振动，即高于20000赫兹的声波。为什么在高频的声音具有一些重要的有用的性质呢？这主要是由二种极重要的情况所产生的。我们依次来介绍：
一、在高的超声频时，声波波长很短，例如在1兆赫兹的超声波在水中的波长等于1.5毫米；而在音频，如1000赫兹时，波长为1.5米。由物理学知道，如声波波长比声源的大小，愈小的话则愈易获得强方向性的声束，类似于探照灯的光束。在波长很短时，容易得到“声探照灯”。采用音频声波不可能解决此问题。例如，一般鼓的大小约为0.5米，它所幅射的声波波长为几米。因此鼓幅射的是球形波，即声能将以相同的声音强度向各方向传布。
“超声探照灯”在第一次世界大战中，首先被法国物理学家郎之万用来发现太平洋中德国人的潜水艇。用这种“声探照灯”来侦察潜水艇，与用一般探照灯来搜索飞机，更精确地说用雷达来侦察飞机是类似的。我们在水中发出一短的“声音脉冲讯号”，使它向一定方向传播。当遇到潜水艇时，这讯号就会及时回来，然后用一特殊接收器来接收它。当知道了声音在水中的传播速度，并测得讯号来回所需的时间后，就能求出到潜水艇的距离。如果在声音传播路程上没有任何障碍物，那么它能在海中走得很远。但由于在传播过程中逐渐衰减，所以不再回到接收器。这种“声探照灯”称为“声纳”。
声纳的原理还有其他一系列的实际应用。例如声束可以射向海洋或大洋的底，那么观察由底反射上来的声音讯号，就可测出海洋的深度。这种仪器称为回声测探仪。目前所有舰船上均有这种仪器。还可以指出，声音能从鱼群上反射回来，所以回声仪也能用来寻找鱼群。
回声仪还能用于寻找沉没在海中的船只。例如，曾找到了第一次世界大战中被德国人击沉的“路齐达尼”号客船。
利用超声“探照灯”可发现金属内部的缺陷——裂缝、气泡。苏联学者索科洛夫教授，首先建议把超声用于此目的。目前，在世界上已广泛的应用超声来探测金属内部的伤痕。
超声探伤仪的工作原理与声纳、回声仪相似。所不同之点，在于探伤仪是使用较狭的超声束，且比回声仪的频率要高。超声波能很好地在金属中传播，且能“照射”很大的机器零件（约几米大小的零件）。
目前还有一种超声探伤仪，它能用来检验混凝土、陶瓷、汽车轮胎等的质量。
超声波不仅能从固体内的缺陷中反射，而且也能从人体内部的恶性肿瘤上反射。目前已用这种仪器来检查人体组织，这些仪器的使用结果比伦琴射线（即X射线）为好。
定向的超声束还可用于其他方面。例如可以设计超声液面计，用来连续地、自动地确定在封闭容器内液面之高度。在超声频时容易精确地测量出声速与声音在物质介质中的衰减。声速及其衰减和物质的分子结构有密切的关系，因此超声方法是研究物质结构的一种重要方法。
二、超声波广泛使用的第二原因是：在高频时，可以获得较强的振动。以前我们已讲过声强正比于频率的平方，如果在某一振幅下振动频率增加100倍，则声强增加到10000倍。在低频时仅仅靠增加振动的振幅来增加功率。但是振子材料的机械强度是有一定的限制的。
声强一般表示为通过垂直于声波传播方向的单位面积上的瓦特数。在音频时，每平方厘米上0.01瓦的强度已是很大的了。它能引起耳朵的痛觉，甚至可能使耳膜振破，例如在发射重炮时就能产生这样高强度的声音。
但在超声频下，目前已能获得每平方厘米5000瓦的声强！
在强的超声场中质点的振动很剧烈，且在压缩和稀疏的区域中发生了很大的瞬息交变的压力，例如频率为300000赫兹，声强为10瓦／厘米时，压力振幅等于5.4大气压，而质点运动的最大加速度要比重力加速度大100000倍。
1927年曾发表了美国物理学家胡特和马米斯的著作，他们在强的超声场中观察到了很多新的有趣的现象。
此后其他物理学家也进行了类似研究，他们发现，在液体中的现象是与“空化”现象有关，所谓空化现象就是液体在极高频率的疏稀、稠密的交替过程中发生了“破裂”，形成了一些真空泡。而经过一极短的时间（半个周期），这些空泡砰然而闭，因此在液体中产生了很强的冲击波，这个冲击压力可达一万个大气压。
这种在强超声场内所发生的空化现象，使我们得到很多极重要的实际应用，其中最重要的应用是固体表面的清洗和脱脂、超声焊接、加速氧化化学反应乳化作用、粉碎粒子等等。
如果我们把被油或磨料弄脏的金属零件放在超声场中，则超声波能去除金属表面的脏物。现在在工业上已用它来清洗微小的零件。
如果我们把有空化现象的熔锡放在铝的表面上，则铝表面上的一层氧化铝很快被去除，因而锡与铝就焊在一起了。超声焊接就是根据这个原理。
粉碎与乳化作用，主要是根据下述原理：空化破裂的冲击波，粉碎了液体中的固态微粒或粉碎了二种互不溶解的液体，而形成为乳胶体，例如用此法可制造油水乳胶体。它在金属加工工业中用得较广。
最重要的是用超声波来加工硬金属，如果使一种特殊的工具很快地振动，而在这种工具与被加工零件表面间，放一些水浮液磨料，则在零件上就钻出了与工具部分的形状一样的孔来。
在短短的文章中，不可能列举现代超声波在工业上的全部应用。世界上各国的学者和工程师们，其中也包括中国的同志们，已完成了很多超声仪器的设计和制造工作。可以期望，超声波将给人类以更多、更重要的贡献。