來去無痕的超聲波

萬寶林

1793年夏天的一個晴朗的夜晚，喧鬧的城市漸漸平靜下來。意大利科學家斯帕拉捷匆匆吃完飯，便走出街口，把籠子里的蝙蝠放了出去。當他看到放出去的幾只蝙蝠輕盈敏捷地來回飛翔時，不由得驚叫起來。因為那幾只蝙蝠，眼睛全被他蒙上了，都是“瞎子”呀。

斯帕拉捷很奇怪：不用眼睛，蝙蝠憑什么來辨別前方的物體，捕捉靈活的飛蛾呢？于是，他把蝙蝠的鼻子堵住。結(jié)果，蝙蝠在空中還是飛得那么敏捷、輕松。

最后，斯帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵，把它們放到夜空中。這次，蝙蝠可沒有了先前的神氣。它們像無頭蒼蠅一樣在空中東碰西撞，很快就跌落在地。

啊！蝙蝠在夜間飛行，捕捉食物，原來是靠聽覺來辨別方向、確認目標的！斯帕拉捷的實驗，揭開了蝙蝠飛行的秘密，促使很多人進一步思考：蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜，“聽”到?jīng)]有聲音的物體呢？

后來人們繼續(xù)研究，終于弄清了其中的奧秘。原來，蝙蝠靠喉嚨發(fā)出人耳聽不見的“超聲波”，這種聲音沿著直線傳播，一碰到物體就像光照到鏡子上那樣反射回來。如圖所示，蝙蝠用耳朵接收到這種“超聲波”，就能迅速作出判斷，靈巧地自由飛翔，捕捉食物。

超聲波的特點與應用

超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。

如圖所示，超聲波清洗機由超聲波發(fā)生器發(fā)出的超高頻率超聲波，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻率振動而傳播到清洗溶劑中，超聲波在清洗液中疏密相間地向前傳播，使液體流動而產(chǎn)生數(shù)以萬計的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡在超聲波的作用下振動，使得待清洗物體上的固體粒子脫離，從而達到清洗加凈化的目的。

現(xiàn)在人們將超聲波運用到臨床醫(yī)學上，獲得了巨大成功。例如治療癌癥的“超聲聚焦刀”，就是利用超聲波作為能源。很多束超聲波從體外發(fā)射到身體里去，在發(fā)射透射過程中間發(fā)生聚焦，聚焦在一個點即腫瘤上，通過聲波和熱能轉(zhuǎn)化，在0.5～1秒內(nèi)形成一個70℃～100℃高溫治療點，這個高溫點好比是一個手術刀在切割腫瘤，焦點區(qū)的腫瘤無一幸免。超聲聚焦刀使腫瘤組織產(chǎn)生凝固性壞死，失去增殖、浸潤和轉(zhuǎn)移能力。此機原理類似于太陽灶聚陽光于焦點處產(chǎn)生巨大能量。所以有人將超聲聚焦比做一把體外操作、體內(nèi)切割的“刀”。

在醫(yī)學中，可以把超聲波送入體內(nèi)，經(jīng)過技術處理，在熒光屏上顯示出人體內(nèi)臟清晰的圖像，這種技術就是所謂的B超檢查。超聲波檢測的原理用于工程上，可以用來檢測工件內(nèi)隱藏的裂紋、砂眼、氣泡等，成為工程師的“眼睛”。

超聲波能在水中傳播很遠的距離。比如，30000 Hz的超聲波在空氣中傳播24 m時，強度會減弱過半，而在水里它要傳播44 km才會減弱過半，是空氣中傳播距離的2000倍。

第一次世界大戰(zhàn)的時候，德國潛水艇頻頻襲擊英國和法國的巡洋艦。法國科學家朗之萬心急如焚，發(fā)明了一種叫聲吶的儀器。聲吶由超聲波發(fā)生器和接收器兩部分組成。聲吶發(fā)出超聲波，接收和測量回聲，可以確定目標的位置、形狀，甚至還能分析出敵方潛艇的性能。

聲吶技術有著廣泛的應用，它可以用于考查海底，畫出精確的“地貌聲圖”，誤差不超過20 cm。

超聲波能夠很明顯地增加金屬表面的反應速度，因而成為化學合成的重要手段。鎂、鋰、鋅等一些活躍的金屬，在超聲波的作用下可以大大提高它們的活性和壽命。超聲對合成生物材料也有很大的作用，能夠重新合成、分解和排列分子，并能使物體微粒懸浮在空中。利用超聲波還可以制造沒有晶體結(jié)構(gòu)的金屬，獲得有更多功能的新型材料。

美國科學家開發(fā)出了一項超高音速聲音系統(tǒng)（HSS），將用于未來戰(zhàn)爭的心理戰(zhàn)。HSS系統(tǒng)的原理是把聲波轉(zhuǎn)換成超聲波信號。一束極為狹窄的聲波，使得只有特定的接受者才能聽見。這種高度定向的聲音聽起來就好像來自你的面前，而事實上它很可能是從幾百米之外發(fā)出來的。發(fā)送器大小不同，細的只有1米，粗的可以達到6米，視需要而定。使用它們，就可以發(fā)出大小隨意的聲束了。試驗者聽到了一個來自100米之外的聲音，那聲音非常清晰，但是當他往旁邊挪了幾步之后，就什么也聽不見了。這一技術可以擾亂敵人的判斷力，讓他們以為有什么東西就在附近。型號比較小的聲波發(fā)送器完全可以讓敵人無法觀察到，而幽靈一般的聲音足以令神智最清醒的士兵也精神錯亂。