超声学的过去和现在 [复制链接]

第5版()
专栏：

超声学的过去和现在
应崇福
超声原是一种自然现象，许多种动物都能够产生和利用超声。现在，由于生产的发展和需要，它已逐步发展成为一门科学——超声学。
很早以前，人们就研究过蝙蝠，但据科学家们的测定，蝙蝠能够发射和接收超声，而且是靠超声来“导航”。
在十九世纪末叶，有人设计了一个哨子，让空气从一个狭缝里喷出来，冲击一个边刃，就发出声音。提高气流的速度，同时减小狭缝和边刃之间的距离，声音的频率会提高。调整气流的速度和狭缝同边刃的距离，使频率高到大约二万赫以上，声音就听不见了，这种声音就是超声。这种哨子也就成了最早的流体动力式超声发生器。
最初，超声技术的重要发展，是在军事应用方面取得的。第一次世界大战期间，德国潜艇严重地威胁着法国海军。而在当时不能使光和无线电波在水中传很远，难以利用光和无线电波来探测潜艇。因此，从一九一五年起，就有郎之万等一批法国人，去研究怎样利用水中回声来探测潜艇。这就是在军舰上向水中发射一个声音，如果在声波传播的路线上有潜艇，声波就会反射回来，而被接收到。水中声速是知道的。因此，根据发射声波和接到回波的时间间隔，就可以算出潜艇在多远的地方。如果声波象手电筒发射的光波那样能够成束定向，那么还可以知道潜艇在哪个方向上。潜艇的方向也就是发射和接收声波的装置所朝的方向。但是，可听声是难以成束定向的，发射出去以后很快就扩散开去。郎之万等知道，声波频率提高，它的定向性就好起来。超声的定向性又比高频率可听声更好。超声探测潜艇的本领也比可听声大。于是，他们就改用超声来探测潜艇，并制成超声接收器和超声发生器。这是世界上最早的压电式超声发生器。到一九一八年，这种超声仪器已能探测距离军舰约一公里半的潜艇。这项发明在第二次世界大战中就成为反潜艇的利器。
超声的应用大致分为检测和控制、处理和加工两大类。
超声检测就是，用能量比较小的超声，来检查或测量物质的某些性质或状态。探潜艇就是一种超声检测。借助超声探测水下鱼群，是探潜艇的自然发展，今天已在海洋渔业中广泛应用。另一种十分普遍的超声应用——探伤，也属于这个范围。超声射向固体材料，遇到空洞等缺陷会反射回来，接收这些反射回来的超声，就可以判断材料内部缺陷。超声探伤是在一九二八年由一位苏联人提出来的。测定超声在固体材料里的传播速度，还可以推算出材料的弹性等，因为材料弹性同材料中的超声速度是有关系的。
有些检测的结果又可以用来作自动控制。例如，可以用超声来测量一个封闭容器里的液体高度。从容器底部向上射入超声，遇到液面会反射回来，根据发射超声和收到回声的时差以及液中超声速度，就可以知道液面高度。如果我们要控制液面高度，就可以让超声仪器在测到一定高度的时候发出讯号，通知执行机构停止灌注液体。
超声处理和加工，就是用能量比较大的超声，来改变物质的一些特性或状态。郎之万在一九一七年已经能够用能量较大的超声产生声功率大到每平方厘米十瓦、频率十五万赫的超声。他在作水中探测实验的时候，无意中看到在超声辐射区内的小鱼会死亡。当时在场看了这个演示的一个科学工作者，在九年后同另一个科学工作者一起，用一台频率在二十万到五十万赫之间、电功率二千瓦的超声发生来作实验。他们发现，在超声作用下产生了一系列的奇怪现象：水面会喷出雾来；两种本来不相混合的液体，例如水和油、水和水银，会混合成由细液滴构成的乳液；水里浮悬的炭屑等细粒会聚结成团；细菌会死亡；血球会破碎；一根在作超声频振动的棒，碰上木料，会引起木料冒烟，也可以在玻璃上钻出一个孔来。
这些现象的发现，为超声在处理和加工上的应用开辟了道路，一九二七年后这方面发展很快。如使本来不相融的两种液体混成乳液（即乳化），和使一种粉末分散到另一种粉末里去，而今天它已广泛用于纺织、食品等工业部门，甚至于用来把火箭的固体燃料均匀地混合起来。玻璃钻孔现在已有专用超声加工机，还可以切割半导体材料硅或锗等。超声的生理作用则被用来灭菌消毒和治疗人畜疾患。
“工欲善其事，必先利其器”。超声仪器的创造显然很重要。郎之万等发明的石英晶体超声发生器只在液体里有效，在气体里效果始终很差。于是，人们又回过头去改善产生超声的气哨。八十多年前产生的气哨功率很小，特别在频率高于两万五千赫的时候。一九二二年发明的共振腔式的气哨，提供了强力的空气声源。这种哨利用了一个空腔对声音的共振作用，就象空热水瓶可以把周围微弱声音放大一样（耳朵挨近瓶口，可以听见嗡嗡作响）。这种哨经过改进后，由于效率高，近年来很受重视。
在二十年代末期，开始采用磁致伸缩材料来产生和接收超声。这种材料（如镍），在交变磁场（大小和方向正反不断改变的磁场）作用下，会一伸一缩而产生超声；而当它受到超声的作用的时候，在它周围又会产生交变磁场，因此又可以用来接收超声。在几万赫频率，这种材料现在使用得比较多。
在第二次世界大战中发展起来的雷达技术，给超声技术以有力帮助。例如，在探伤、测厚、诊断等检测工作中，超声仪器向雷达学习，象脉搏一样，一下一下地断续发射短促的超声，叫超声脉冲。而收到从被测对象反射回来的超声脉冲以后，又象雷达那样把探测结果显示在荧光屏上。这样就使超声探伤成为一种重要的非破坏性检测材料的方法。在某些情况下，例如检查大厚度材料中的小气孔，就连X射线和γ射线也比不上它。用脉冲超声从板的一面来测定板厚的技术也发展起来了。它的根本道理同测定封闭容器内的液面高度一样。在一些大医院里，医生还用超声诊断仪来给病人检查疾患。在诊断仪的荧光屏上，用一些不断跳动着的好看的绿色波线，甚至用真实形象，反映出人体内部组织的情况。这种仪器可以检查X射线无法透视的胆囊、肝脏等软组织。
在二次大战后，还出现了可作超声发生和接收元件的新的压电材料——钛酸钡等。这种材料是陶质的，比石英单晶体容易制造，可以做成各种形状。一九四八年出现了又一种流体动力式超声发生器——簧片哨，它主要用于液体中。由于它设备简单，工作效率高，它的出现推动了某些工业上的超声应用。
还应当提到，近年来另一个新成就——直接放大超声。我们要把声音放大，一般是采用扩音器。先把小声音变成电流，然后用电子学的办法把电流放大，再转换成大声音。以往超声也用这样的办法。但是近年来，已找到几种办法，不经过声电转换的手续，而直接把弱超声变成强超声。例如，拿一小块硫化镉单晶体，一端送进较弱的超声，在光和电的作用下，另一端会出来较强的超声。硫化镉是所谓光敏电阻，在光照下，一部分电子会挣脱原子的束缚而变成自由电子，称为光电子。如果这时候硫化镉是联到接通电源的电路中，那么，光电子就会在电源的电压作用下定向运动而形成电流。要是电源的电压大到一定程度，就可以使光电子的定向运动速度超过超声在硫化镉中传播速度。如果使超声和光电子朝一个方向从这端传到那端，那么超声就会被光电子“推着跑”。这时候光电子的能量传给了超声，而把超声放大。超声的直接放大，可能给超声检测仪器带来根本性的变革。
近二十年来，出现了许多超声的应用和研究的新领域。例如用超声来清洗，在国外已成为最广泛的超声应用之一。超声清洗不仅用于电子管零件、钟表零件、钻石、注药针、印刷线路、轴承等小件，也用于大的工件，象汽车的整个汽缸等。
超声还可以把两种不同金属直接焊接起来，而不需要任何焊剂。
超声检测已从宏观世界走向微观世界。早在二十年代，就有人制成了足够精确地测量超声在气体里传播的速度和衰减的设备。利用这种设备进行研究，发现在二氧化碳中，频率不同的超声速度也不同；而某个频段衰减特别大。通过后来的理论分析说明，超声能用来研究物质的微观结构，例如二氧化碳分子中的碳原子和氧原子的振动情况。进一步发现，超声还能用来研究液体。近十几年来，超声又用来研究固体，象研究电子的能级、一种原子排列上的缺陷——位错等。