什么是超声波?

 基本原理
超声波是声波的一部分，是人耳听不见、频率高于20KHZ的声波，它和声波有共同之处，即都是由物质振动而产生的，并且只能在介质中传播﹔同时，它也广泛地存在于自然界，许多动物都能发射和接收超声波，其中以蝙蝠最为突出，它能利用微弱的超声回波在黑暗中飞行并捕捉食物。但超声还有它的特殊性质'如具有较高的频率与较短的波长，所以，它也与波长很短的光波有相似之处。
特性
超声波是弹性机械振动波，它与可听声相比还有一些特点:传播的方向较强，可聚集成定向狭小的线束﹔在传播介质质点振动的加速度非常之大;在液体介质中当超声强度达到一定值后便会发生空化现象。
一、束射特性
从声源发出的声波向某一方向(其他方向甚弱〉定向地传播，称之为束射。超声波由于它的波长较短，当它通过小孔(大于波长的孔》时，会呈现出集中的一束射线向一定方向前进。又由于超声方向性强，所以可定向采集信息。同样当超声波传播的方向上有一障碍物的直径大于波长时，便会在障碍物后产生"声影”。这些犹如光线通过小孔和障碍物一样，所以超声波具有和光波相似的束射特性。超声波的束射性的好坏，一般用发散角的大小来衡量（习惯上用半发射角臼表示)。以平面圆形活塞式声源为例，其大小决定于声源的宜径(D)和声波的波长(A)。由此看出，要使发声体发射出方向性有较好的超声波，必须使0角尽量小，发射体（声源〉的直痉D必须很大或发射的频率f也必须很高才能得到，否则将适得其反。由于超声波的波长要比可听声的波长短，所以它就比可听声波有较好的束射特性，频率愈高的超声波，波长愈短，这种向一定方向传播的特性就愈显著。
吸收特征
超声波在各种介质传播时，随着传播距离的增加，超声强度会渐渐减弱，能量逐渐消耗，这种能量被介质吸收掉的特性，称之为声吸收。1845年斯托克斯(Stoke。G.G.)发现:当声波通过液体，因液体质点相对运动而产生的内摩擦〈即粘滞作用)导致声吸收，因而导出了由介质的内摩擦或粘性引起的液体中声吸收公式。还有，当声波在液体介质中传播时，压缩区的温度将高于平均温度﹔相反，稀疏区的温度低于平均温度，因此，由于热传导使声波的压缩和稀疏部分之间进行热交换，从而引起声波能量的减少1868年基尔霍夫(Kirchhoff G.)导出了由热传导引起的声吸收公式。
由此看出，吸收系数a与声波频率的平方成正比，当频率增加10倍，则吸收系数就增大100倍。即频率愈高，吸收愈大，因而声波传播的距离愈小。在气体中，1920年爱因斯坦提出了由声频散来确定缔合气体的反应率，从而促进了对气体分子热弛豫吸收机制延伸到液体的研究，得出了由于介质中的分子相互之间的碰撞引起分子热弛豫吸收。所以低频声波在空气中可以传播很远距离,而高频声波在空气中很快的衰减了。在固体中，声吸收在很大程度上取决于固体的实际结构。
由以上看出引起不同介质对声吸收的原因很多，但主要原因是介质的粘滞性、热传导、介质的实际结构及介质的微观动力学过程中引起的弛豫效应等，这些介质中的声吸收都随着声的频率而变化。超声波是高频率的声波，在同一介质中传播时，随着频率的增大，被介质吸收的能量就愈大。例如频率为10Hz的超声波在空气中被吸收的能量比频率为10Hz的声波大100倍;对同一频率的超声波因传播的介质不同。如在气体、液体、固体中传播时，其吸收分别为最厉害、较弱、最小。所以超声波在空气中传播距离最短。
超声波在均匀介质中传播时，由于介质的吸收，而影响声强度随距离的增加而减弱，这就是声波衰减。当超声波起始强度为J0，经过x米距离后，其强度为Jx= Joe-2ax"" '式中a为吸收系数（衰减系数》。由上可得在各种介质中声波的吸收系数，由此看出超声强度是以指数而衰减的。例如频率为106Hz的超声波在离开声源以后，在空气中经过0.5m距离，其强度就要减弱一半;在水中传播,要经过500m的距离后才使强度减弱一半，可看出在水中传播的距离相当于在空气中传播距离的1000倍。随着频率的增高，衰减越快。如频率为1011Hz的超声在空气中传播，当在离开声源的一刹那间就会全部消失得无影无踪。在粘度很大的液体中，超声被吸收得更快。例如在200C时，使频率为300kHz的超声的强度减至一半，只需0.4m厚的空气就够了，至于在水中就要经过440m，在变压器油中就要传播100m左右，而在石蜡中只需传播3m左右。因此，粒度极大的物质《橡皮、胶木、沥青〉则是超声波良好的绝缘体。
能量大
超声波传播的能量比可听声大得多。因为当声波到达某一物质时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率一样，所以分子振动频率决定了分子振动的速度，频率越高速度越大。从而物质的分子由振动而获得了能量，其能量除了与分子的质量有关外，还与分子的振动速度的平方成正比，而振动速度又与分子振动的频率有关，所以声波的频率越高，也就是物质分子得到的能量越高。超声波的频率比声波的频率可高得多，所以超声波可使物质分子获得更大的能量。由此说明超声波本身可以供给物质足够大的能量。
我们平常人耳能到的声波频率低、能量小。如高声谈话声约等于5ouWIcm2的强度。但超声波所具有的能量就比声波大得多。例如频率为10Hz的超声振动所具有的能量，比振幅相同而频率为103Hz的声波振动的能量要大100万倍，因为声波的能量与频率的平方成正比。由此看出，主要是超声波的巨大机械能量使物质质点产生了极大的加速度。
在一般工作中，正常响度的扬声器的声强为2×10—9 WwIcm2，炮的射击声的声强为10—3Wicm2﹔中等响度的声音使水的质点所获得的加速度只有重力加速度〈980cmls2)的百分之几，所以不会对水产生影响。然而如果把超声作用于水中，使水质点所达到的加速度可能比重力加速度大几十万倍甚至几百万倍，所以就会使水质点产生急速运动。它在超声提取中有着极其重要的作用。