超聲波的奧秘：無聲無形卻可探索世界

楊劍 馬將

自然界中的“超級音響”

既然我們聽不見超聲波，那是如何發(fā)現(xiàn)超聲波的呢？在蘇教版《語文》六年級課本中有一個有趣的故事，一位名叫拉扎羅·斯帕拉捷的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蝙蝠在黑夜里仍可以靈活地飛翔、捕食，于是對蝙蝠做了一系列實(shí)驗(yàn)：蒙住蝙蝠的眼睛、堵上蝙蝠的鼻子、在蝙蝠的身上涂抹油漆，但都未能影響蝙蝠的飛行能力。最后，當(dāng)蝙蝠的耳朵被堵住時，蝙蝠再也無法瀟灑自如地飛行，變得四處磕磕碰碰，很快落在地上。斯帕拉捷這才明白，原來蝙蝠是靠聲音“觀察”環(huán)境，躲避障礙的。

通過繼續(xù)深入研究，人們發(fā)現(xiàn)蝙蝠可以通過喉嚨發(fā)出極高頻率的超聲波，超聲波沿著一條直線迅速傳播，遇到物體后就像手電筒的燈光照射到鏡子上一樣被反射回去。而它的耳朵可以接收到人耳無法接收到的超聲波信號。蝙蝠就是依靠這種人類無法聽到的超聲波在黑夜中暢行無阻。

超聲定位示意圖

自然界中不止蝙蝠，還有其他的超聲波高手。海豚就能夠利用它們呼吸孔下面的氣囊發(fā)出超聲波，魚群反饋回的超聲波是捕食的信息，同類發(fā)出的超聲波可以用來交流，障礙物反饋回來的超聲波則可用于探測周圍環(huán)境信息。此外還有不少動物能夠發(fā)出超聲波或者聽到超聲波，例如大象、水母等。

科學(xué)家模仿自然界中的超聲波現(xiàn)象，用超聲波裝備發(fā)出超聲波信號，當(dāng)信號遇到傳播介質(zhì)中的其他物體時，就會回來。接收記錄反饋回的超聲波的時間間隔、方位，便可測出目標(biāo)的方位和距離，科學(xué)家們就是依據(jù)這個原理設(shè)計(jì)出了聲吶系統(tǒng)。

蝙蝠利用超聲波在夜間行動

“超聲”科學(xué)先鋒隊(duì)

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，超聲波技術(shù)距離人們的生活越來越近，使用范圍也越來越廣闊。在軍事領(lǐng)域，潛艇模仿海豚，通過潛艇上的聲吶系統(tǒng)發(fā)出的超聲波，探測水下作戰(zhàn)目標(biāo)。超聲波在液體中衰減極小，在伸手不見五指的深海中也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測，是迄今為止最有效的深海探測方式。另外，超聲波還被應(yīng)用于武器中，超聲波武器發(fā)射的高頻聲波可以在一定程度上引起強(qiáng)氣壓，并造成人體視物模糊，惡心等生理反應(yīng)。

而在科研領(lǐng)域有一種名叫非晶合金的新型材料。非晶合金在電阻焊接時易發(fā)生晶化、氧化。此時超聲波焊接就體現(xiàn)出了它杰出的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的電焊工藝需要依靠高溫熔化來實(shí)現(xiàn)兩個工件的結(jié)合，而使用超聲波進(jìn)行焊接時，只要保持一定壓力，利用超聲波連續(xù)振動使被焊接的上下工件產(chǎn)生摩擦、形變從而使結(jié)合面處的溫度上升。這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不熔化的固體焊接，有效地避免了電阻焊接過程中產(chǎn)生的飛濺和氧化現(xiàn)象。

在最新款的高端智能手機(jī)中，非晶合金被用作屏幕旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的鷹翼鉸鏈，由此可見該材料的特殊之處?？蒲腥藛T最新發(fā)現(xiàn)，利用超聲波技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)非晶合金的室溫制造與成型，完全突破了其傳統(tǒng)制造與成型方法，引起了該領(lǐng)域科研人員的廣泛關(guān)注。

抗疫前線的超聲波身影

利用超聲波檢測鋼板是否存在缺陷

口罩生產(chǎn)中使用的超聲波焊接技術(shù)

2020年新冠病毒在全球肆虐，口罩是阻斷病毒傳播路徑必不可少的醫(yī)療用品，在各國成為供不應(yīng)求的硬通貨。KN95口罩由5～6層無紡過濾布、鼻梁條、耳帶組成。

其中，超聲波焊接技術(shù)是KN95口罩自動化生產(chǎn)線核心組成部分。KN95口罩自動化生產(chǎn)線由無紡過濾布上料機(jī)構(gòu)、鼻梁線超聲波焊接機(jī)構(gòu)、耳帶超聲波焊接機(jī)構(gòu)和口罩折疊機(jī)構(gòu)組成。以耳帶焊接機(jī)構(gòu)為例，它利用超聲波傳輸?shù)母哳l振動使口罩的耳帶與無紡過濾布表面相互摩擦，產(chǎn)生局部高溫，從而令無紡過濾布與耳帶熔合。超聲波停止之后，繼續(xù)保持一定時間的壓力，使連接處固化成型，這樣焊接后的強(qiáng)度可以接近原材料的強(qiáng)度。除此之外，KN95口罩上面的壓痕、封邊、鼻梁線的裝配都是通過超聲波焊接工藝來完成的，大家不妨拿一個口罩，摸摸銜接處，感受下超聲波焊接技術(shù)的實(shí)戰(zhàn)成果吧。

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超聲波清潔工

超聲波清洗機(jī)

超聲波不僅有這么多“高大上”的用途，其實(shí)還是一位“上得廳堂，下得廚房”的清潔工！超聲波清洗機(jī)的原理就是通過超聲波使清洗水槽中的清洗液和其中的微氣泡產(chǎn)生連續(xù)的機(jī)械振動，這些微氣泡就像許多的小刷子一樣來回沖擊污垢，使污垢雜質(zhì)疲勞損壞，進(jìn)而脫離清洗件表面。超聲清潔效率可達(dá)到98%以上，是目前世界上公認(rèn)的最有效的清潔方法。

（責(zé)任編輯 / 陳瑩?? 美術(shù)編輯 / 張志浩）