超声波

波长极短的机械波

超声波是频率高于20000赫兹的声波，是一种在弹性介质中传播的机械纵波。超声波频率高、波长短，在传播过程中具有方向性好、能量大、穿透能力强等特性。

定义

超声波即频率高于20000赫兹的声波，是一种在弹性介质中传播的机械纵波。在20摄氏度、1标准大气压下的空气中，超声波波长约为1.72厘米或更小（由频率决定）。

人能听见的声音频率范围在20赫兹~20000赫兹左右，因此人耳无法听见超声波。

物理特性

由于超声波是波的一种，因此超声波具有一些机械波的通性，例如存在反射、折射、干涉和衍射等现象。此外，超声波由于频率高、波长短，在传播过程中具有方向性好、能量大、穿透能力强等特性。

方向性好

由于超声波的频率高,其波长较同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显，容易保持定向而集中的超声波束，所以超声波的传播方向好。

能量

在波的传播过程中，波的功率与波的频率的平方成正比。超声波在介质中传播时,当振幅相同时,振动频率越高能量越大。因此,它比普通声波具有大得多的能量。

穿透能力

超声波虽然在气体中衰减很强,但在固体和液体中衰减较弱。在不透明的固体中,超声波能够穿透几十米的厚度,所以超声波在固体和液体中应用较广。

传播速度

超声波的传播速度由介质弹性模量与密度共同决定，遵循公式（K为杨氏模量），速度排序满足。例如钢的纵波速度可达5920m/s，纯水20℃时声速1482m/s，20℃标准大气压的空气中声速仅为343m/s。

空化作用

超声波在液体中传播时，液体时而受拉时而受压,产生近于真空或含少量气体的空穴。在声波压缩阶段。在空穴崩溃时产生放电和发光现象,当一定频率的超声波通过液体时，尺寸适宜的空穴会发生共振现象，超声波的稀疏阶段使空穴迅速涨大，然后在压缩阶段，空穴又突然被绝热压缩，直至湮灭。在空穴涨大时，由于摩擦而产生的电荷在湮灭过程中进行中和，产生放电发光现象。在空穴突然被压缩时，液体以极大的速度填充空穴，因而使小泡附近的液体或固体都会受到上千个大气压的高压。上述现象称为空化现象，超声波在液体中的这种作用称为空化作用。

热效应

超声波在介质传播过程中，部分能量会通过粘滞吸收、弛豫吸收等机制转化为热能。这种热效应在超声理疗（如深部组织加热治疗）和工业干燥工艺中有重要应用。单位体积产热功率与超声频率、介质粘滞系数及声强平方成正比。

历史发展

早期探索

1793年夏天，意大利科学家拉扎罗·斯帕拉捷 (Lazzaro Spallanzani) 对蝙蝠在黑夜里飞行感到十分好奇,于是他便捉来一些蝙蝠实验。他先是蒙上蝙蝠的眼睛,再是堵住它的鼻子,结果发现蝙蝠还是能够自由地在黑夜中飞行;他塞上蝙蝠的耳朵后,则发现它从墙上摔落下来。于是他总结出蝙蝠是利用听觉飞行的，并最终发现了超声波的存在。

1893年，弗朗西斯·高尔顿(Francis Galton)发明了高尔顿哨子，这是一种可调节频率的哨子，可以产生超声波。他用它来测量人类和其他动物的听力范围，证明许多动物可以听到高于人类听力范围的声音。

应用发展

1917年，在第一次世界大战期间，保罗·朗之万（Paul Langevin）利用高频静电发声器和石英谐振器开发了用于潜艇侦测的设备。这标志着超声波和压电技术在声纳设备上的首次实际运用。

1928年,前苏联工程师谢尔盖·索科洛夫首次提出将超声波用于金属探伤领域的想法;1941年,第一台商用超声波金属探伤仪由美国工程师费斯通发明并申请了专利。1949年,美国医学博士约翰·威德（John Julian Wild）利用改进后的超声波金属探伤仪进行了病人肠道诊断,结果成功地获得了可供临床治疗参考的图像。1951年,他发明出了第一台超声波医学诊仪,标志了一个新的医学诊断学科的诞生——“超声诊断学”。他因此被人们誉为“超声医学之父”。此后,很多大公司都对医用超声仪进行了技术研究和产品开发,包括日本的阿洛卡公司,德国的西门子公司,荷兰的飞利浦公司,美国的通用电气公司等。

发射与接收

超声波产生的方法一般有机械法、热学方法、电动方法、磁滞伸缩、压电法等，其中探伤应用最多的是压电法。

压电法

压电法产生超声波的方法核心是利用压电晶体来实现的。试验发现，某些晶体材料(如石英晶体)做成的晶体薄片，当其受到拉伸或压缩时，表面就会产生电荷，此现象称为正压电效应；反之，当对此品片施加交变电场时，品体内部的质点就会产生机械振动，此现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体材料就称为压电材料。

将超声波传到晶片上，晶片就会振动，在晶片的两电极间就会产生频率与超声波相等、强度与超声波成正比的高频电压。反之亦然。

发射

在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应，晶片中就会产生超声频率的机械振动——超声波;若此机械振动与被检测的工件较好地耦合，超声波就会传入工件。

接收

若发射出去的超声波遇到界面被反射回来，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正压电效应，在晶片的上下电极之间就会产生交变的电信号。将此电信号采集、检波、放大并显示出来，就完成了对超声波信号的接收。

超声波频率的调整是通过改变交变电场的频率或晶片尺寸(晶片厚度)来实现的。

磁致伸缩法

某些材料（如镍、铁钴合金）在磁场作用下会发生微小的伸缩和收缩。这种变化可以引起高频振动，从而产生超声波。这种方法适用于较低频率（一般在几十千赫兹范围内），且输出功率较大，适用于工业应用，如超声波清洗、探伤等。

动物感知

尽管人类无法听到超声波，但许多动物都能感知并利用超声波。

蝙蝠

蝙蝠使用超声波测距（回声定位）技术探测猎物。它们可以发出并探测超过 100 kHz 的频率，声波遇到猎物或障碍物时会反射回来，蝙蝠利用回声来定位与辨别方向。

昆虫

广泛的研究表明，许多昆虫都能发出超声波。一些夜间活动的昆虫能听到蝙蝠的回声定位，其中包括许多蛾类、甲虫、螳螂和草蛉类。当听到蝙蝠的声音时，一些昆虫会做出躲避动作以避免被抓住。

狗

狗的听觉频率的上限约为 45 kHz，而猫的听觉频率的上限为 64 kHz。可以利用能发出超声波的狗哨来训练与召唤狗。大多数狗哨的发声频率在23kHz~54kHz间，因此狗能听到哨声而人听不到。利用这一点可以向狗发出周围人听不到的指挥信号。

海豚和鲸鱼

海豚的听觉频率上限约150kHz，鲸鱼的听觉频率上限约为123kHz。

应用领域

工业

（1）无损探伤

用人造超声源在海水里发射，通过接收回射超声波并分析计算，能够探测海洋潜艇位置、鱼群以及确定海底的暗礁等障碍物形状及远近。利用人造超声波在固体里传播的时间能够确定物体的长度，通过超声波在固体里遇到障碍物界面上的反射波可以确定物体内部损伤如裂缝、气孔及杂质等位置。这种方法称为无损探伤。

（2）相控阵超声检测

相控阵超声检测（PAUT）是一种先进的无损检测技术，通过控制多个超声换能器元件的激发时序，动态调整超声波束的角度和焦点，实现对材料内部缺陷的高分辨率成像。这种技术广泛用于焊缝检测、航空航天结构件检查和复合材料质量控制，能够提高检测效率并减少人为误差。

（3）长距离管道检测

超声导波技术利用低频超声波在管道壁上传播，可沿管道延伸几十米甚至上百米，从而在不拆卸管道的情况下检测腐蚀、裂纹等缺陷。这种方法适用于石油、天然气、化工和电力行业的管道完整性监测。

医学

（1）超声波成像

超声波成像使用2兆赫兹及更高的频率。由于其有较短的波长，因此可以解析结构和组织中的微小内部细节。超声波功率密度通常小于每平方厘米1瓦，以避免损坏被检查物体。医学诊断中的B型超声检查（简称B超）就是利用超声波成像来生成影像。

（2）超声诊断

基于回波扫描技术的超声诊断技术的基本原理是利用超声波在组织界面处产生的反射回波形成的图象或信号来鉴别和诊断疾病。这种技术主要用于解剖学范畴的检测和诊断，目的是了解器官的形态学和组织学方面的状况与变化。比如,检测体内异物和肿瘤,检查器官的形状及大小的变化等等。

（3）超声波清洗

强超声波在液体中传播时，由于能量大、频率高，会在液体中产生许多空穴气泡。在空穴气泡突然闭合时发出的冲击波可在其周围产生上千个大气压强，对污层进行直接反复冲击。一方面破坏污物与清洗件表面的吸附；另一方面也会引起污物层的破坏而脱离清洗件表面，并使它们分散到清洗液中。气泡的振动也能对固体表面进行擦洗。气泡还能“钻入”裂缝中做振动，使污物脱落。对于有油脂性污物，由于超声空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化。当固体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱落。

（4）多普勒超声

多普勒超声利用多普勒效应，通过测量血流对超声波频率的偏移，实时评估血流速度和方向，广泛用于心血管疾病的诊断，如检测动脉狭窄、血栓形成和心脏瓣膜功能异常。该技术无创、安全，常与二维超声结合使用，以提供更详细的血流动力学信息。

（5）高强度聚焦超声

高强度聚焦超声（HIFU）是一种非侵入性治疗技术，通过精确聚焦超声波能量，使病变组织局部温度迅速升高至60°C以上，导致病变细胞坏死而不损伤周围健康组织。HIFU已成功应用于子宫肌瘤、前列腺癌和肝癌的治疗，具有无创、安全、恢复快的特点。

（6）超声波碎石

体外冲击波碎石术（ESWL）利用高能超声波（通常为冲击波）聚焦于体内的结石，如肾结石或胆结石，使其受到强烈的机械作用力而破碎成较小的碎片，便于随尿液或胆汁自然排出。这种方法无创、恢复快，大幅减少了外科手术的需求，是泌尿系统和胆道结石治疗的常用手段。

（7）辅助药物透皮输送

超声波透皮输送（sonophoresis）利用超声波产生的微小气泡和流体动力学效应，使皮肤屏障短暂开放，提高药物的渗透性，从而将药物有效输送至皮下组织或血液循环系统。该技术在局部镇痛、抗炎药物递送和美容医学（如透皮输送抗衰老成分）等方面具有重要应用，能够减少口服或注射药物的副作用。

科研应用

（1）声镊技术

声镊技术利用超声波的辐射力来操控微观粒子，如细胞、液滴和纳米颗粒，实现精确的非接触式操作。这项技术在生物医学、微流控和材料科学领域具有广泛应用，例如用于细胞操纵、药物递送和微流控芯片实验，提高了实验的灵活性和精准度。

（2）声化学

声化学技术利用超声波引发和加速化学反应，主要机制是声空化效应，即超声波激发液体中的微气泡，使其快速膨胀和崩溃，产生局部高温高压环境，促进反应速率并改善产率。这项技术广泛应用于有机合成、纳米材料制备和催化反应，有助于提高反应效率并降低能耗。

其他

海洋声呐

超声波易于定向发射，方向性好，强度好控制，我们把利用声波进行工作的探测设备称为声呐。用人造超声源在海水里发射，通过接收回射超声波并分析计算，能够探测海洋潜艇位置、鱼群以及确定海底的暗礁等障碍物形状及远近。

酒催醇

利用超声波所产生的空穴效应提高活化能，使新酒处于湍流、液体循环、激波、高速剪切力和微机械冲击的机械效应中，与气泡中自由基形成和水蒸气分解的化学效应中。通过加快分子间反应速度，从而提高效率,缩短常规的贮存期,可降低生产成本。需要注意的是，目前酒催醇机理尚未完全明确，实际工业应用较少。

超声波加湿器

振荡器安装在水槽底部，直接与水接触。在激振电路作用下，振荡器发生高频振动产生超声波。水在超声波作用下产生直径几微米的均匀雾状水粒并逸出水面。这种雾状水粒表面积很大，极易在周围环境中汽化。

安全与防护

长期接触120dB以上超声波（尤其在20-100kHz频段的低频超声波）可能导致耳蜗毛细胞损伤，引发高频听力下降或耳鸣。超过155dB时，超声波能量可在生物组织内转化为热能，导致局部温度升高（如脑、眼等敏感器官），可能诱发炎症或细胞损伤。液体环境中，超180dB的强超声波可能引发空化气泡破裂，产生瞬时高压与高温，造成组织机械性损伤甚至器官出血。

高频超声波（>100kHz）在空气中因粘滞吸收与热扩散效应而快速衰减（衰减系数约1-10dB/cm），传播距离短，同等声压级下实际危害较低；而低频超声波（20-100kHz）衰减速率较慢（<0.5dB/cm），穿透性强，尤其在密闭工业环境中易形成驻波，导致能量累积，长期暴露于该频段的高强度声场更易引发听觉系统或内脏器官损伤。

为了应对超声波对人体与机体的损害，需要采取特殊的隔声措施。对工业超声波设备（如清洗机、焊接仪）加装隔声罩或阻尼材料，利用阻抗失配原理阻断声能传播；喷气发动机等航空设备需设计涡流衰减结构以抑制超声频段噪声。生物产生的超声波通常能量不高，数量级近似于人讲话产生的声强，因此蝙蝠等动物发出的超声波对人体是无害的。

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