超声学

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所属分类:声学科普

声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律,超声的各种效应,以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波,称为超声波,或称超声。

超声学

超声的研究和发展,与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年首次制成超声气哨,此后又出现了各种形式的气哨、汽笛和液哨等机械型超声发生器(又称换能器)。由于这类换能器成本低,所以经过不断改进,至今还仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。

20世纪初,电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年,法国物理学家朗之万用天然压电石英制成了夹心式超声换能器,并用来探查海底的潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展,又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器,以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型换能器等多种超声换能器。

材料科学的发展,使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜等。产生和检测超声波的频率,也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。

近年来,为了物质结构等基础研究的需要,超声波的产生和接收还在向更高频率(10¹²赫以上)发展。例如在媒质端面直接蒸发或溅射上压电薄膜或磁致伸缩的铁磁性薄膜,就可获得数百兆赫直至几万兆赫的超声;利用凹型的微波谐振腔,可在石英棒内获得几万兆赫的超声。此外,用热脉冲、半导体雪崩、超导结、光子与声子的相互作用等方法,产生或接收更高频率的超声。

超声波在媒质中的反射、折射、衍射散射等传播规律与可听声波的并无质的区别。超声在一般流体媒质(气体、液体)中的传描理论已较成熟,然而声波在高速流动的流体媒质中的传播,在液晶等特殊液体中的传播,以及大振幅声波在流体媒质中转插的非线性问题等的研究,仍在不断发展。

当超声在媒质中传播时,由于声波和媒质之间的相互作用,使媒质发生一系列物理的和化学的变化,也出现一系列力学、光学、电、化学等超声效应。

线性交变的振动作用是指由于媒质在一定频率和声强的超声波作用下作受迫振动,而使媒质中的质点位移、速度、加速度以及媒质中的应力等分别达到一定的数值而产生一系列超声效应。当质点速度远小于媒质中的声速时,所产生的机械效应,如悬浮粒子的凝聚、声光衍射、超声在压电或压磁材料中感生电场或磁场等,可用线性声学理论说明,故称为线性的交变机械作用。

由于超声振动的非线性而产生像锯齿波形效应和各种直流定向力,并由此而产生了一系列特殊的超声效应,如超声破碎、局部高温、促进化学反应等等。

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