超声的应用和超声学的内容 [复制链接]

第5版()
专栏：

　　超声的应用和超声学的内容
　　应崇福
声音里的超声
世界上充满了种种声音，这些声音应当研究。需要分析语言和音乐的性质，需要讲究传声的工具和方法，以便能在有线和无线通讯里真实地传递语言和音乐，在大厅里获得完好的声音质量；需要分析机器和喷气管所产生的噪声，需要鉴定不同材料隔绝声音的程度，以便抑制这些噪声，等等。研究声音的学科——声学，原先都是针对这些声音而作了种种的努力。研究的对象是声音，研究的目的也是为了声音；而且很明显，这里所谈的声音是指我们能听得见的声音。
约在本世纪初，实验室里却产生了从物理角度看是同普通声音没有本质上区别，但从人的角度看是听不见的一种声音——“超声”。这种声音的存在本是不足为奇的。如果感到有些神秘，那只消修改一下声音这名词的含义便豁然了。原来，一般认为声音就是可听见的“东西”，但物理学认为声音有客观标准，这标准不包含听得见或听不见的人的因素。有看得见的光，也有看不见的X光。可见光和X光，从物理角度看，都是电磁波，没有本质上的差异。同样，超声虽然我们听不见，但从物理角度看，却是道道地地的一种声音。可听声和超声同是介质的一种振动，或准确些说，一种力学的波动。
超声和平常的可听声有量的差别。超声的频率高，可听声的频率低；前者约在两万赫（一秒钟里的振动次数简称为“赫芝”或“赫”）以上，后者约在两万赫以下（频率约在二十赫以下的声音，也是听不见的，声学里叫做次声）。不过，如果只有这项差别，超声就不会在广义的声音中像今天这样突出了。从物理观点看，超声的听不见本不是什么关键性的特点，但重要的是这个特点在一定程度上决定了超声——以及超声学——的发展。原来，如前面提到，可听声的研究很自然的是为可听声服务的，可听声在日常生活中占着重要位置。可是，超声在自然界里一般并不重要，因此它本身不成为服务对象。问题便转到超声能服什么务了。多方面的探索证明，超声能服务，而且能在很多的方面服务。服务的范围除少数例外，都不涉及声音本身，而涉及和声音无关的工业、农业、医疗、国防等方面。在这种情况下，超声和超声学便显得突出起来。
超声的应用和应用原理
超声的应用，大致可分为两大类。一类是检测和控制，一类是处理。检测和控制是用超声来检查或测量某些性质以及控制某些过程。这些性质和过程，一般是与声音无关的。例如，可以检查金属的或原子能燃料的内部有无孔隙或裂纹，人体内有无肿瘤，牛是否够肥；可以从单面测量板壁的厚度；可以测量固体的弹性；可以分析气体的成分；还可以测量封闭容器里（如火箭里）液面的高度，封闭管里流体的速度。超声测量的结果，有的可直接用来控制生产过程，如测量成品的粘度，依据所测数据控制原料的配合成分。在雷达里，可以用超声来延迟电讯号。超声检测应用在海洋里，有很大的国防意义，目前只有超声能承担搜索潜艇的任务。这项检测应用的研究，已形成一门独立的水声学。超声检测的例子是很多的，这里提到的只是一小部分。
所谓超声处理，就是指利用比较强的超声来长远的改变物质的性能。这类应用也有不胜枚举的实例。用超声可以清洗零件（比不用超声时要洗得快些、透些），可以切钻硬脆的材料（如半导体、宝石、人齿等），可以焊接金属（包括铝、钛等难焊的金属）和塑料，可以消雾、除尘，可以加速干燥，可以助燃，可以散热，可以排除金属里的含气，可以减细铸件的晶粒，可以解聚、聚合，可以加速酿酒，可以乳化，可以改进电镀质量，可以医治坐骨神经疼，可以促使种子提早发芽。此外，用超声还可以起许多其它的作用。通过这些应用，原来的外形和性能都由于超声而起了变化。
应当指出，超声的许多应用，同任何工具的运用一样，是有一定的限度的。例如，超声能凝聚气体中或液体中的细粒，促使沉降下来，但并不能凝降无论多么稀少的细粒。超声能探伤，但并不能查探任何材料中任何大小的伤。此外，即使在超声能起作用的地方，值得应用与否也还该考虑。在有些情况下，超声不是唯一可利用的工具。如果这时超声的成本较高或效果较差，那就不应当使用。目前，在有些方面要使用超声，还有待于先提高超声技术。
超声的新应用在不断涌现。例如，国外正在试验利用超声指示交通工具的速度，这项应用的特点是工具不必和地面紧密接触。坦克车等履带车辆不便用普通方法定车速，也可能采用这种定速方法。此外，还有人正在试验用超声对光的调制，来纪录和陈示雷达等等。
超声的作用既然如此多种多样，那末可以想像，超声作用的机理就绝不是单一的，因而要全面了解就不很容易。把问题看得太难了，会束缚自己的思考；而把问题看得太容易了，也会产生急躁情绪，二者同样不利于我们对自然规律的探索。
根据比较熟知的声学原理，可以说明许多超声的作用。例如，知道超声这种机械振动波和电磁波有许多相同的地方，通过类比就可以了解许多超声检测应用的原理。利用光的反射可以看见透明材料里的孔，那末按照同样的道理，利用超声也可以“看见”不透明材料里的孔，“看见”不透明海洋里的潜艇、人体内的肿瘤等等。在检测和控制中，大部分用超声而不用较低频率的可听声，是因为超声比可听声在实际情况更类似光。说得更确切些，超声更类似无线电里的微波。两种波的现象和理论，有不少是类似的。如果想到用雷达可以搜索飞机，那便容易了解为什么用超声可以搜索潜艇了。
在超声处理应用方面，一般说来，情况就要复杂得多。原因是不难理解的。在这些应用里，因为超声改变了物质的性质，所以不仅有声的问题，还常有物质性质的问题。在某些应用上，牵涉到的物质性质问题比较简单，用声学里比较熟知的理论可以作一定程度的解释。例如，用超声沉降悬浮在流体里的微粒，用比较熟知的声学理论可以推论，当流体里有声波时，微粒会按颗粒大小以不同的程度随着振动。由于振动程度不同，微粒便有机会相互接近、凝聚以致沉降。然而，有不少的应用，用比较熟知的声学理论，仍不能解释。这时，超声学工作者便发展声学的理论，试图用来解释某些现象。例如，近几年来推论和实验指出，在固体和流体的交界处周围，超声会导致流体的一种迂回流动，这种流动起搅动作用，而且是在紧要的地区起搅动作用，因此可以加速某些化学反应。超声学工作者并进一步发展了一些原来只算声学边缘的理论，如“空化”方面的理论。推论和观察到，超声会在液体里导致微小空腔的涨大和迅速闭合，闭合时在空腔附近出现高可达几千大气压的压强。这么大压强的发生可以解释若干超声的作用，如超声去脂。超声学工作者并引用了一些新的技术，例如在苏联，采用了高速照相技术，来分析超声加工中磨料破坯工件表面的情况，超声清洗的情况，气体里悬浮粒子受声作用时的凝聚情况等。
有不少超声处理作用的机理，目前还很不了解或不很了解。例如超声为什么会刺激种子提早发芽，会加速老化铝合金，会促进氮的合成等等。像前面所提到的，这些应用常涉及较复杂的物质性质问题。为要很好地了解超声作用的原理，需要超声工作者进一步发展超声理论，同时也需要其它多方面的工作者共同努力。
超声学的内容
超声学的任务在于巩固和提高超声已发现的用途，发展超声的新的用途。这种提法似乎比较笼统，但鉴于超声的服务范围很广，所以还是可行的。当然，要巩固、提高和扩充超声的用途，决不是简单地多使用些超声。
应当指出，按目前发展情况，超声学有扩大频率范围，包括对可听声应用的研究的趋势。这样，似乎超声学超出了自己的“超”字范围。但是，在通常提到的超声应用里，实际上有些应用是利用了可听声的。除尘便常用频率为几千赫的声，而这项应用多年来一直列入超声的应用范围。从前面提到的发展过程来看，这种划分是可以理解的，因为这时可听声用到声音以外的领域里去了。事实证明，可听声不仅可以用于处理，也可以用于检测。例如，几百赫的声音可用来测定空腔的大小，几千赫的声音可用来检查两块材料的粘结程度。不过，可听声在声音外领域的这类利用，原未得到足够的发展，有少量发展时，便列入了超声学的研究范围了。由于可听声的应用逐渐加多，应否把这类应用的研究包括在超声学的范围，便成为一个值得讨论的问题。有人提出“应用声学”这一名辞来包括各种频率声音的处理和检测的研究。如果这样办，超声学的内容便有重新确定的必要。应当指出，处理和检测的应用是在超声的基础上发展的。到目前为止，极大部分的应用，特别在检测方面，还是利用了不可听的超声。因此，可以沿用超声学的名称，包括可听声在声音外领域应用的研究。
为了巩固和提高已发现的用途，一方面需要改进现有的超声工具和创造新的超声工具，另一方面需要进一步了解超声的基本性能和在具体应用中的作用机理。基本性能有超声的传播速度、衰减、反射、透射、散射、聚焦，空间分布，包括在气、液、固各态里，在不同形状的介质里，在不均匀介质里，在不连续介质里，在运动介质里，在振幅较大的时候，在瞬变的时候，等等。
根据过去的经验，由于超声易于试用，以及对超声作用的潜力还发掘不足，使用现有的超声工具，通过多方面的、开始时不过分强调理论根据的试探，有可能发现新的用途。一般说来，在具体的应用课题上进行试探，常是其他领域的工作者所采取的方式。这是可以理解的：各个领域有各自的具体课题，各个部门的工作者都想采用不难应用的超声来试探一下，看能否获得效果。在这种试探中，有不少是完全失败的，有不少是少方面成功、多方面失败的，但也有成功多于失败或完全成功的。这种部分成功或完全成功的试探，大大地丰富了超声学的内容。在短短的时期中，超声学能有今日的规模，在相当大的程度上应归功于这种试探。当然，试探不宜漫无边际，不宜违反科学规律。
促进超声新应用的发展，同时还要建立在坚实的科学研究的基础之上。在已有的根基上逐步发展，会有更广泛有效的新用途。更可以有系统地创造新的方法，开辟新的领域。苏联近两年来，创造了极强的超声，达到每平方厘米约十万瓦。比起经常使用的每平方厘米几瓦或几十瓦，其威力是很可观的。掌握这种强力的超声，必然会导致重要的新应用的出现。近几年来，苏联和美国用人工产生了频率为几千、几万兆赫的超声。与一般使用的几万赫、几十万赫、或几兆赫的超声相比，这也是崭新的创造。这样高或更高频率的超声，很可能出现新的现象，特别在介质的微观性能方面。这种有系统地向高、强、大等方向的努力，是超声学工作者的重要任务。
超声已有的用途很多，可能有的用途还未可限量。超声学的任务相当重大，内容也很丰富。有理由认为，超声的理论和技术，目前落后于实际，因此深入研究是迫切的需要。年轻的超声学，过去和现在一直在蓬勃成长。为了社会主义建设，这门学科还应该加速发展。