無聲無形卻可探索世界的超聲波

楊劍 馬將

在八年級(jí)《物理》中，我們通過學(xué)習(xí)知道了聲音是以波的形式傳播的。但你知道嗎？這個(gè)世界上還有一種我們聽不見的聲音——超聲波。雖然聽不見，但超聲波離我們的生活并不遙遠(yuǎn)。

我們每天都可以聽到來自周圍的各種聲音，可當(dāng)聲波的頻率超過20000赫茲（Hz）后我們?cè)贌o法聽見，這種聲波被稱為超聲波。超聲波和我們?nèi)粘Ｂ犚姷穆暡ň哂邢嗤谋举|(zhì)屬性，區(qū)別在于頻率高低不同。超聲波傳播時(shí)具有方向性強(qiáng)、能量易于集中、傳播位移足夠大等優(yōu)勢(shì)。

既然我們聽不見超聲波，那超聲波是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？有這么一個(gè)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(duì)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(shí)，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)境和躲避障礙的。

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光照射到鏡子上一樣被反射回去;而蝙蝠的耳朵可以接收到人耳無法接收到的超聲波信號(hào)。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的。

不止蝙蝠，自然界中還有其他的超聲波高手。例如海豚，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，障礙物反饋回的超聲波則可用于探測(cè)周圍環(huán)境。此外，還有不少動(dòng)物能夠發(fā)出或者聽到超聲波，例如大象、水母等。

科學(xué)家模仿自然界中的超聲波現(xiàn)象，用超聲波裝置發(fā)出超聲波信號(hào)，當(dāng)信號(hào)遇到傳播介質(zhì)中的其他物體時(shí)，就會(huì)反射回來。接收記錄反饋回的超聲波的時(shí)間間隔、方位，便可測(cè)出目標(biāo)的方位和距離。依據(jù)這個(gè)原理科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出了聲吶系統(tǒng)。

延伸閱讀

超聲波清潔工

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(dòng)。這些微氣泡就像許多小刷子，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。超聲波清潔效率可達(dá)到98%以上，是目前世界上公認(rèn)的最有效的清潔方法。

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。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)出的超聲波來探測(cè)水下目標(biāo)。由于超聲波在液體中衰減極小，故在伸手不見五指的深海中也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，是迄今為止最有效的深海探測(cè)方式。另外，超聲波還可應(yīng)用于武器。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)。

在科研領(lǐng)域，有一種名叫非晶合金的新型材料在電阻焊接時(shí)易發(fā)生晶化、氧化，此時(shí)超聲波焊接就體現(xiàn)出了它杰出的優(yōu)勢(shì)：傳統(tǒng)的電焊工藝需要靠高溫熔化來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工件的結(jié)合;使用超聲波進(jìn)行焊接，只需要保持一定的壓力，利用超聲波連續(xù)振動(dòng)使被焊接的上下工件產(chǎn)生摩擦、形變，就能使結(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，完全突破了傳統(tǒng)的制造與成型方法，在該領(lǐng)域中引起了廣泛關(guān)注。

抗疫前線的超聲波身影

2020年新冠病毒在全球肆虐，作為阻斷病毒傳播路徑必不可少的醫(yī)療用品，口罩在各國(guó)成為供不應(yīng)求的硬通貨。而防護(hù)效果最好的KN95口罩，也與超聲波有關(guān)。

超聲波焊接技術(shù)是KN95口罩自動(dòng)化生產(chǎn)線核心組成部分。KN95口罩由5層到6層無紡過濾布、鼻梁條、耳帶等組成。KN95口罩自動(dòng)化生產(chǎn)線則由無紡過濾布上料機(jī)構(gòu)、鼻梁條超聲波焊接機(jī)構(gòu)、耳帶超聲波焊接機(jī)構(gòu)和口罩折疊機(jī)構(gòu)等組成。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(dòng)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，從而使無紡過濾布與耳帶熔合。超聲波停止之后，繼續(xù)保持一段時(shí)間的壓力，使連接處固化成型，這樣焊接后的強(qiáng)度接近原材料的強(qiáng)度。

此外，KN95口罩上面的壓痕、封邊、鼻梁線的裝配也都是通過超聲波焊接工藝來完成的。大家不妨拿一個(gè)KN95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。

（來源：《知識(shí)就是力量》 有刪減）