聲音是怎樣形成的，超聲波就是怎樣形成的。通常我們所聽到的聲音，特別是噪聲，實(shí)際上包含了很寬的頻帶，既有次聲、普通聲音，也有超聲，只不過(guò)人耳只能聽到普通聲音而已。人聽到的聲音頻率是20～20000Hz的聲波信號(hào)，頻率低于20Hz的聲波叫做“次聲波”，頻率高于20000Hz的聲波叫做“超聲波”。

一、超聲波的性質(zhì)和作用

聲波的傳遞依照正弦曲線縱向傳播，有強(qiáng)的聲波信號(hào)和弱的聲波信號(hào)(即波峰和波谷)，依次傳遞。當(dāng)弱的聲波信號(hào)作用到液體時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，使液體內(nèi)形成許許多多微小的氣泡;而當(dāng)強(qiáng)的聲波信號(hào)作用到液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的正壓，因而，液體中形成的微小氣泡被壓碎。研究表明：超音波作用于液體時(shí)，液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生力量極大的沖擊波，瞬間強(qiáng)度高達(dá)上千個(gè)的大氣壓，這種現(xiàn)象被稱為“空化效應(yīng)”。

由于機(jī)械波的很多性質(zhì)都和頻率密切相關(guān)，比如透射率、衰減系數(shù)、輻射本領(lǐng)等等，所以人們經(jīng)常使用處于超聲波段的聲波來(lái)達(dá)到某些用途(次聲波也是如此)。這時(shí)人們可以用特殊的儀器產(chǎn)生窄頻帶的超聲波，以提高利用率。具體的做法一般就是讓聲源以高于20000Hz的頻率振動(dòng)，輻射出去的自然就是超聲波了。

由于高于20000Hz的聲源用機(jī)械方法很難產(chǎn)生，所以通常都是用振蕩電路產(chǎn)生的電信號(hào)激勵(lì)聲源振動(dòng)。從本質(zhì)上講，超聲波和電并沒(méi)有必然的聯(lián)系，只要能產(chǎn)生20000Hz以上的聲源，不管用什么方法，都能產(chǎn)生超聲波。

二、超聲波的作用原理

超聲波在傳播過(guò)程中與媒介相互作用，相位和振幅發(fā)生變化，使媒質(zhì)的一些物理、化學(xué)和生物特性或狀態(tài)發(fā)生改變，或者使這種改變的過(guò)程加快，從而產(chǎn)生一系列效應(yīng)，如力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)和生物效應(yīng)等。這些效應(yīng)可歸結(jié)為以下三種基本作用：

㈠熱作用

超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，大振幅聲波會(huì)形成鋸齒形波面的周期性激波，在波面處造成很大的壓強(qiáng)梯度。振動(dòng)能量不斷被媒質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化為熱量而使媒質(zhì)溫度升高，吸收的能量可升高媒質(zhì)的整體溫度和邊界外的局部溫度等。

㈡機(jī)械作用

超聲波是機(jī)械能量的傳遞形式，與波動(dòng)過(guò)程有關(guān)，會(huì)產(chǎn)生線性的交變振動(dòng)作用，原點(diǎn)位移、振動(dòng)速度、加速度以及聲壓參數(shù)可以表現(xiàn)超聲效應(yīng)。超聲波在液體中傳播時(shí)，其間質(zhì)點(diǎn)位移振幅雖然很小，但超聲引起的質(zhì)點(diǎn)加速度卻非常大。當(dāng)20kHz、1W/m2的超聲波在水中傳播時(shí)，其產(chǎn)生的超聲波壓力在-173kPa～173kPa，最大質(zhì)點(diǎn)加速度達(dá)14.4km/s2。因此，超聲波作用于液體時(shí)會(huì)產(chǎn)生激烈而快速變化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

㈢空化作用

超聲波聲化學(xué)效應(yīng)的主要作用之一是聲空化。聲空化是指液體中的微小泡核(空化泡)在超聲波作用下被激活產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)發(fā)生振蕩、生長(zhǎng)、收縮乃至崩潰的一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程?？栈瘹馀菰诔暤淖饔孟陆?jīng)歷超聲的稀疏相和壓縮相時(shí)，氣泡經(jīng)多次周期振蕩最終以高速崩裂。由于空化氣泡壽命極短(約0.1μs)，可產(chǎn)生高速(110m/s)微射流，碰撞密度高達(dá)1.5kg/m2，產(chǎn)生高電流，并伴有強(qiáng)烈的沖擊波?？栈箽庀喾磻?yīng)溫度達(dá)5000K左右，液相反應(yīng)溫度達(dá)1900K左右，局部壓力50MPa，溫度變化率高達(dá)1.0×109K/s。這樣可使媒質(zhì)在空化氣泡內(nèi)發(fā)生化學(xué)鍵破裂、水相燃燒或熱分解，并可促進(jìn)均相界面的擾動(dòng)和相界面的更新，從而加速界面間的傳質(zhì)和傳熱過(guò)程。

三、超聲波的物理特性

㈠超聲場(chǎng)特性

超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播的過(guò)程中，明顯受到超聲振動(dòng)影響的區(qū)域稱超聲場(chǎng)。

超聲場(chǎng)具有以下特點(diǎn)：如果超聲換能器的直徑明顯大于超聲波波長(zhǎng)，則所發(fā)射的超聲波能量集中成束狀向前傳播，這現(xiàn)象稱為超聲波的束射性(或稱指向性)。

換能器近側(cè)的超聲波束寬度與聲源直徑相近似，平行而不擴(kuò)散，近似平面波，該區(qū)域稱近場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)內(nèi)聲強(qiáng)分布不均勻。近場(chǎng)區(qū)以外的聲波以某一角度擴(kuò)散稱遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。該區(qū)聲波近似球面向外擴(kuò)散，聲強(qiáng)分布均勻，但逐漸減弱，換能器的頻率愈高，直徑愈大，則超聲束的指向性越好、其能量越集中。近場(chǎng)距離，遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散角與換能直徑及頻率的關(guān)系如公式所示：

L0=r2f/Csinθ=1.22λ/D

式中L0為近場(chǎng)距離，r為換能器半徑，f為頻率，C為聲速、θ為半擴(kuò)散角、D為換能器直徑，λ為超聲波波長(zhǎng)。

㈡超聲波的反射與散射

1、聲阻抗：介質(zhì)的密度與超聲在介質(zhì)中傳播速度的乘積稱聲阻抗。聲阻抗值一般為固體大于液體大于氣體。

超聲波在密度均勻的介質(zhì)中傳播，不產(chǎn)生反射和散射。當(dāng)通過(guò)聲阻抗不同的介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的交界面上產(chǎn)生反射與折射或散射與繞射。

2、反射、折射與透射：凡超聲束所遇界面的直徑大于超聲波波長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生反射與折射。

成角入射時(shí)，反射角等于入射角，反射聲束與入射聲束方向相反。垂直入射時(shí)，產(chǎn)生垂直反射與透射。

反射聲強(qiáng)取決于兩介質(zhì)的聲阻差異及入射角的大小。垂直入射時(shí)，反射聲強(qiáng)最大。反射聲能愈強(qiáng)則折射或透射聲能愈弱。進(jìn)入第二介質(zhì)的超聲繼續(xù)往前傳播，遇不同聲阻抗的介質(zhì)時(shí)，再產(chǎn)生反射，依次類推，被檢測(cè)的物體密度越不均勻，界面越多，則產(chǎn)生的反射也愈多。

3、散射與繞射：超聲波在傳播時(shí)，遇到與超聲波波長(zhǎng)近似或小于波長(zhǎng)(小界面)的介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生散射與繞射。散射為小介質(zhì)向四周發(fā)散超聲，又成為新的聲源繞射是超聲繞過(guò)障礙物的邊緣，繼續(xù)向前傳播。散射回聲強(qiáng)度與超聲波入射角無(wú)關(guān)。

㈢超聲衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，聲強(qiáng)逐漸減弱，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。引起衰竭的主要原因是介質(zhì)對(duì)超聲波的吸收(粘滯吸收及熱傳導(dǎo)吸收)。超聲波頻率愈高，介質(zhì)的吸收愈多;其次為能量的分散如反射、折射、散射等。使原傳播方向上的能量逐漸減弱。

㈣多普勒效應(yīng)

聲源和接收體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體在單位時(shí)間內(nèi)收到的振動(dòng)次數(shù)(頻率)，除聲源發(fā)出者外，還由于接收體向前運(yùn)動(dòng)而多接收到(距離/波長(zhǎng)個(gè))振動(dòng)，即收到的頻率增加了。相反，聲源和接收體作背離運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體收到的頻率就減少，這種頻率增加和減少的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。