原標(biāo)題：什么是超聲波？超聲波的工作原理？

　　你經(jīng)常聽到人們使用這個短語 “像蝙蝠一樣瞎子”——但如果蝙蝠會說話，它們會批評我們“像蝙蝠一樣聾”嗎? 人類“?我們可能認(rèn)為我們擅長聽東西，但我們的耳朵可以 僅檢測相對較窄的頻率帶(聽 起來 之 不同的音高)以人聲為中心——我們最需要聽到的聲音。 蝙蝠、飛蛾、海豚和其他各種生物可以聽到更高的聲音 超出人類聽覺范圍的聲音頻率，這是已知的 如 超聲波.自從科學(xué)家發(fā)現(xiàn) 超聲波，他們發(fā)現(xiàn)了它的各種重要用途，從醫(yī)學(xué)診斷 到材料測試和科學(xué)研究。讓我們仔細(xì)看看 在超聲波及其工作原理。

　　照片：超聲(超聲心動圖)圖像 一顆跳動的人心。美國宇航局(美國航天局)使用此設(shè)備來研究 太空旅行對宇航員的長期影響。 照片由 美國宇航局 馬歇爾太空飛行中心(NASA-MSFC).

　　什么是超聲波?

　　注意：如果您熟悉聲音的一般科學(xué)，您可能會發(fā)現(xiàn)瀏覽我們的文章很有用 聲音 在你繼續(xù)閱讀之前。

　　人耳可以聽到在大約范圍內(nèi)振動的聲波 每秒20次(低沉的隆隆聲)到大約14，000次 第二(高亢的口哨聲);兒童一般可以聽到 比父母的聲音更高，因為我們的聽覺能力 隨著年齡的增長，高頻會變得更糟。 更科學(xué)地說，我們可以說 我們可以感知的聲音的頻率范圍為 20-20，000 赫茲 (赫茲)。一個 赫 是頻率的度量 有東西振動和 1 Hz 等于每秒振動一次。人聲發(fā)出聲音 范圍從幾百赫茲到幾千赫茲。

　　假設(shè)你可以以某種方式經(jīng)常敲擊鼓皮，以至于它振動 每秒超過20，000次。您也許可以看到皮膚 振動(只是)，但你肯定聽不到。無論如何 你用力敲擊鼓，你不會聽到任何聲音。鼓仍然會 傳輸聲波，但你的耳朵無法 認(rèn)出他們。蝙蝠、狗、海豚和飛蛾可能會聽到它們的聲音， 然而。聽起來像，頻率超出了人類的范圍 聽覺，是例子 超聲波.

　　插圖：超聲波(橙色波段，右)涵蓋了超越人類的聲音頻率范圍 聽覺——并且高于日常聲音、聲音和樂器的頻率。

　　(有趣的是，就像有些聲音太高 我們聽，所以也有 聲音對于我們的耳朵來說太低了。這些被稱為 次聲.我們所知道的地震波 地震 都是例子。我們需要特殊的探測器來知道什么時候 地震已經(jīng)發(fā)生，因為我們并不總是能聽到或感覺到它們。

　　超聲波的頻率高于正常聲波， 但他們也有更短的 波長.在 換句話說，距離 在一種超聲波穿過空氣中和在空氣中傳播的超聲波之間 跟在它后面比正常的聲波要短得多。 這具有重要的實際效果：超聲波反射 從事物中回來比普通聲波要好得多，這使得 它們確實非常有用。

　　照片：像這樣的蝙蝠用聲音而不是光來“看”。它們通過發(fā)出超聲波束并聆聽回聲來導(dǎo)航——這種技術(shù)稱為回聲定位。墨西哥無尾蝙蝠(Tadarida brasiliensis)離開德克薩斯州洞穴的照片。作者：Ann Froschauer，圖片由 美國魚類和野生動物管理局。

　　超聲波是如何制造的?

　　我們不可能像我們制造的那樣制造超聲波 正常的聲音——通過撞擊和吹東西，就像我們所做的那樣，例如，在 樂器。那是因為我們無法快速擊中和吹東西 足夠。但是我們可以使用電來制作超聲波 設(shè)備 以極高的頻率振動。某些材料的晶體 (如 石英) 振動非?？?當(dāng)你通過時 電力 通過 他們——一種稱為 壓電.如 它們振動，推動和拉動周圍的空氣，產(chǎn)生超聲波。設(shè)備 使用壓電產(chǎn)生超聲波被稱為 壓電的 傳感器.壓電的 晶體也可用于 相反的方式：如果超聲波在空氣中傳播發(fā)生 為了與壓電晶體碰撞，它們會擠壓其表面 輕微的，導(dǎo)致短暫的電流流過它。所以 如果您將壓電晶體連接到電晶體 米，你得到 即時超聲探測器。

　　藝術(shù)品：超聲波如何用于清潔物品。1) 高頻交流電源向三個壓電換能器 (2) 供電。它們以超聲波頻率晃動，將它們的振動發(fā)送到薄的石英玻璃板(3)，該玻璃板將波(4)傳輸?shù)匠錆M液體(5)的盆中，您將要清潔的物體放入其中。

　　可以產(chǎn)生超聲波 用 磁性 而不是 電力。就像壓電晶體在 對電的反應(yīng)，所以還有其他晶體使 超聲波響應(yīng)磁性。這些被稱為 磁 致 伸縮 晶體和使用它們的換能器稱為磁致伸縮 傳感器。(磁效應(yīng)被稱為磁致伸縮。

　　超聲波有什么用?

　　將超聲波用于實際目的 有時被稱為 超聲——而且是 用于工業(yè)領(lǐng)域的一切 焊接 和 鉆孔生產(chǎn)均質(zhì)牛奶和 攝影膠片.

　　照片：這位孕婦正在觀看超聲波掃描 嬰兒在子宮內(nèi)發(fā)育。請注意超聲波掃描儀(右下角)是 慢慢地在她的腹部移動，監(jiān)視器(上圖)顯示她孩子的照片。 照片由Rafael Martie提供，由美國海軍和 維基共享資源.

　　醫(yī)療超聲掃描

　　超聲波最著名的例子可能是醫(yī)學(xué)測試。 為了避免打開身體來檢測疾病，醫(yī)生可以 只需在皮膚上運行超聲波掃描儀即可查看內(nèi)部。這 掃描儀探頭通?？雌饋碛悬c像 電腦鼠標(biāo). 它有一個內(nèi)置的換能器，可以將無害的超聲波向下發(fā)射到您的體內(nèi)。如波濤洶涌 穿過不同的骨骼和組織，它們反射回來 再。同一個傳感器(或旁邊的一個單獨的傳感器)接收 反射波和連接到掃描儀的計算機(jī)使用它們來 在屏幕上繪制您內(nèi)心發(fā)生的事情的詳細(xì)圖片。 胎兒(在子宮內(nèi)發(fā)育的未出生嬰兒)的掃描是這樣進(jìn)行的 道路。

　　照片：小型超聲探頭的特寫。照片由Byron C. Linder提供，由美國海軍提供 Flickr.

　　無損檢測

　　類似的設(shè)備用于測試機(jī)器中的缺陷，例如 飛機(jī) 噴氣發(fā)動機(jī).如果有裂縫 在金屬深處， 從內(nèi)部檢查它不會發(fā)現(xiàn)問題。但如果你跑 超聲波掃描儀在金屬外部，內(nèi)部裂縫 會干擾并反射回一些超聲波——所以 缺陷將 顯示在測試監(jiān)視器上。以這種方式檢測材料是 有時稱為 無損檢測, 因為你沒有 必須損壞或拆開東西才能檢查出來。

　　照片：檢查飛機(jī)發(fā)動機(jī) 超聲波，無損檢測。檢查員正在移動 超聲探頭 用右手在飛機(jī)部件上。她是 同時用左手調(diào)整超聲波束。 照片由Michelle Michaud提供，由美國空軍提供。

　　高倍超聲

　　相對低強(qiáng)度的超聲波用于醫(yī)學(xué)掃描 和無損檢測。更強(qiáng)的超聲波具有非常 不同的用途。如果你有一個疼痛的腎結(jié)石，發(fā)射有力 來自體外的超聲波可以使結(jié)石振動和 析。強(qiáng)超聲波有時也用于破壞 癌癥腫瘤和腦損傷(大腦受損區(qū)域)。在一個 類似的方式，超聲波可用于清潔珠寶，手表， 假牙，以及可能也是的各種機(jī)器零件 難以(或無法)以其他方式清潔。

　　聲納

　　超聲波的另一個流行用途是在船舶上，用于導(dǎo)航 以及用于在水下定位物體。聲音在水中的傳播速度比在空氣中傳播得更快，這很有幫助 因為光幾乎不穿過水。大多數(shù)人都知道 鯨魚可以使用低頻聲音在整個海洋中進(jìn)行交流。 潛艇 使用類似的技巧 調(diào)用的導(dǎo)航類型 聲納 (聲音導(dǎo)航和測距)，有點像水下 相當(dāng)于 雷達(dá).

　　照片：監(jiān)控聲納掃描屏幕需要技巧和注意力。該系統(tǒng)位于角斗士號船上，用于探測水雷。攝影：Peter D. Lawlor，圖片由 美國海軍.

　　它是如何工作的?當(dāng)潛艇深入水面時，它可以通過發(fā)出聲音并聆聽 回聲——就像使用回聲定位的蝙蝠一樣。通過計時需要多長時間 為了讓回聲回來，潛艇的導(dǎo)航員可以弄清楚是否還有其他回聲 船舶, 潛艇或附近的其他障礙物。船舶也使用聲納進(jìn)行計算 通過發(fā)射聲束來繪制海深(或繪制海底地圖) 直下。這種技術(shù)被稱為 回波 測 深.

　　側(cè)掃聲納

　　照片：典型的側(cè)掃聲納拖魚。這個使用頻率為600 kHz的超聲波，遠(yuǎn)高于人類聽力的極限。在這里，它被連接到一艘科研船上的設(shè)備上，然后被降低到水中被拖到旁邊。照片由John F. Williams提供 美國海軍.

　　不同的聲納系統(tǒng) 使用非常寬的聲音頻率范圍，從非常低的次聲 (這可能會給鯨魚和其他海洋生物帶來問題)， 通過可聽見的聲音(您在戰(zhàn)時潛艇中聽到的經(jīng)典“ping”噪音) 在電影中)，直到非常高的超聲波(通常用于 工業(yè)拖網(wǎng)漁船等使用的魚類定位系統(tǒng))。高頻 聲音用于 側(cè)掃聲納，其中有一個小型的魚雷狀掃描單元 被稱為拖曳魚被拖到船后面，向兩側(cè)發(fā)出寬的聲納光束。光束以一定角度離開拖魚并再次反射回來，產(chǎn)生下方大面積海域(和海床)的輪廓。 側(cè)掃聲納用于海洋考古(定位海底沉船)、海洋研究和普通捕魚。 不同的魚在不同程度上反射聲音，通過技能和經(jīng)驗，不僅可以從聲納波束中找出哪些魚存在，還可以從某個區(qū)域找出有多少條魚。通常，使用的聲音頻率越高，顯示的細(xì)節(jié)就越多，但有效范圍越短;較高的頻率最適合在相對較淺的小區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)工作 水 而更深的水或遠(yuǎn)程檢測則需要較低的頻率。