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超聲波的基本特性
頻率在2kHz以上的聲波稱之為超聲波，由于頻率f升高，波長(zhǎng)λ變短使得超聲波比普通聲波具有特殊性，即近似于光的某些特征。如束射性，由一種媒質(zhì)進(jìn)人另一種媒質(zhì)發(fā)生折射、反射等。同時(shí)有很強(qiáng)的被吸收性與衰減性，帶有很強(qiáng)的能量。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹超聲波的幾個(gè)主要特征。
【超聲波的束射性】
人耳可感受的聲音是無(wú)指向性的球面波，即以聲源為中心呈球面向四周擴(kuò)散周圍均能聽(tīng)到聲音。由于超聲波頻率很高，所以方向性就相對(duì)要強(qiáng)，方向性即柬射性。當(dāng)超聲波發(fā)生體壓電晶體的直徑尺寸遠(yuǎn)大于超聲波波長(zhǎng)時(shí)，則晶體所產(chǎn)生的超聲波就類似于光的特性，如圖1一1一1所示。
緊靠晶體輻射板的一段叫近場(chǎng)區(qū)，接近于圓柱狀；離晶本輻射較遠(yuǎn)的部分，超聲波以一定的角度擴(kuò)散，叫遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。若壓晶體圓片的直徑為D,超聲波在該介中的波長(zhǎng)為λ，則近區(qū)的長(zhǎng)度為：
D2－λ2 D2
N= ———— ≈ —— （D》λ）
4λ 4λ
由上式看出，壓電晶體片直徑愈大或頻率越高，即波長(zhǎng)λ愈短，則近場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，此超聲波場(chǎng)的束射性就愈好。
聲學(xué)工作者用光衍射法，對(duì)醫(yī)用超聲波換能器的聲場(chǎng)顯示做了深入、生動(dòng)的研究。
就是這個(gè)研究成果的一組照片，它對(duì)我們深入而又形象地理解超聲波的束射性，超聲波的聚焦性，都有很大的幫助。圖1-2是這種是這種光衍射法的實(shí)驗(yàn)光路圖。圖中的He——Ne激光器的波長(zhǎng)為6328A（埃），O為一組組合透鏡，它將光束鏡發(fā)出的擴(kuò)散光束變?yōu)槠叫泄馐：笤谙嗥辽系玫降氖且粋€(gè)超聲波聲束的倒立的實(shí)相。圖1-3圖1-6的一組照片，就是從這個(gè)相屏上拍攝而成的。整個(gè)實(shí)驗(yàn)均在暗室中進(jìn)行。圖1-5所示的這張未聚焦的單片換能器的全景超聲波束照片，是我們超聲波治療機(jī)所發(fā)出的超聲波聲束的生動(dòng)、形象的顯示，是值得我們深入研究和理解的。
理解了超聲波的束射性，對(duì)超聲波治療有重要的意義。由于超聲波具有很強(qiáng)的束射性，在超聲波治療時(shí)，要注意使用聲頭輻面垂直，對(duì)準(zhǔn)治療部位。以由于超聲波聲頭輻射出的超聲波場(chǎng)中心處Z強(qiáng)，愈向外側(cè)愈弱，所以，在超聲波治療操作時(shí)，一般都要以一定的速度，在治療部位做小圓周或其它形式的移動(dòng)，以使治療部位得到的超聲波劑量基本均勻，從而保證治療效果的良好。
【超聲波的透射、反射、折射與聚集】
由于超聲波的頻率較高，所以超聲波在定向傳播時(shí)，在兩種不同媒質(zhì)的分界面上，會(huì)出現(xiàn)類似于光線一樣的透射、反射和折射現(xiàn)象。
光線的透射、反射與折射現(xiàn)象是常見(jiàn)的。例如，我們?cè)谝粋€(gè)黑暗的環(huán)境里將一束光線投身到一個(gè)盛滿水的透明玻璃燒杯里，我們將十分清楚地看到光線在水面上產(chǎn)生的透射、反射與折射現(xiàn)象。我們采用圖1一2所示的光衍射法，也可以清楚地看到超聲波聲束的反射、透射與折射現(xiàn)象。見(jiàn)圖1一7。
光的聚集現(xiàn)象是常見(jiàn)的。如果我們手邊在一個(gè)放大鏡，在強(qiáng)烈的陽(yáng)光下，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)放大鏡的聚集到一點(diǎn)，就會(huì)將這一點(diǎn)上的紙或者香煙等物點(diǎn)燃。許多人都親身做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
超聲波的聚集現(xiàn)象和光線的聚集現(xiàn)象是一樣的。利用超聲波聚集裝置可以將超聲波束會(huì)聚到一點(diǎn)，從而將超聲波的聲強(qiáng)提高幾倍甚至幾千倍，利用這樣巨大的聲強(qiáng)可以做許多很有意義的工作。例如:超聲波切割、超聲波鉆孔、超聲波打磨等。
【超聲波的吸收與衰減】
聲波在各種媒質(zhì)中傳播時(shí)，由于媒質(zhì)要吸收掉它的一部分能量，所以，隨著傳播路程的增加，聲波的強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱。
在一個(gè)廣場(chǎng)上，一個(gè)民族弦樂(lè)正在為廣大群眾作街頭演出，許多人聞?dòng)嵡叭ビ^看和欣賞那動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)。當(dāng)你從遠(yuǎn)處走近這個(gè)樂(lè)隊(duì)時(shí)，首先聽(tīng)到的是那音調(diào)低沉的鼓聲，隨著你慢慢走近樂(lè)隊(duì)，你就逐漸聽(tīng)到了鎖吶聲、笛聲、二胡聲等;當(dāng)你后走到樂(lè)隊(duì)周圍時(shí)，你才聽(tīng)到了那音調(diào)很高的清脆的鈴聲。
這個(gè)例子，很生動(dòng)地說(shuō)明了各種不同頻率的聲波，在空氣中傳播時(shí)被吸收的程度是不同的。頻率越高的聲波，空氣對(duì)它的吸收越強(qiáng)，所以它傳播的距離較短。例如上述樂(lè)隊(duì)中音調(diào)很高的鈴聲;因其頻率很高，空氣對(duì)它的吸收作用很強(qiáng)，所以傳不遠(yuǎn)。反之，對(duì)頻率越低的聲波，空氣對(duì)它的吸收較少，因此，它傳播的距離較長(zhǎng)。上述樂(lè)隊(duì)中音調(diào)低沉的大鼓聲音傳得很遠(yuǎn)，正是由于它的頻率很低的緣故。
聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，被吸收而衰減的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)于同一個(gè)聲波，當(dāng)它在圍體、液體或氣體，以及各種不同物質(zhì)中傳播時(shí)，它被吸收的程度也是不同的。對(duì)于一個(gè)頻率固定的聲波，在氣體中傳播時(shí)，它被吸收的厲害;在液體中傳播時(shí)，它吸收的較少；而在固體中傳播時(shí)，則被吸收的少。所以，聲波在空氣中傳播的短，在水中則可傳播的遠(yuǎn)一些，而在金屬中則能傳播得很遠(yuǎn)。
以上關(guān)于聲波吸收的兩個(gè)特性，無(wú)論對(duì)可聽(tīng)聲，或是對(duì)超聲波，都是適用的。對(duì)于超聲波來(lái)講，由于它的頻率很高，所發(fā)，它在空氣中傳播時(shí)，被吸特別厲害。據(jù)科學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)，頻率為100億Hz的超聲波，在它離開(kāi)聲源的一剎那間，馬上會(huì)被空氣全部吸收掉。在超聲波治療的臨床應(yīng)用中，對(duì)于超聲波的吸收特性，必須予以足夠的重視。這一點(diǎn)，在下面的有關(guān)章節(jié)中，將要詳細(xì)談到。
【超聲波的巨大能量】
超聲波之所以在工業(yè)、國(guó)防和醫(yī)療等方面發(fā)揮著*而又巨大的作用，還有一個(gè)原因是由于超聲波比一般可聽(tīng)聲有著強(qiáng)大的功率。根據(jù)聲學(xué)工作者的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，一般的講話聲音的能量是很小的。假設(shè)我們想用普通說(shuō)話的能量來(lái)燒開(kāi)一壺水，那么，必須動(dòng)員700多萬(wàn)人，連續(xù)大聲喊叫12個(gè)小時(shí)才行。超聲波具有的能量，要比一般可聽(tīng)聲大的多。根據(jù)有關(guān)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，頻率為100萬(wàn)赫茲的超聲波的能量，要比同幅度的頻率為1000赫茲的可聽(tīng)聲能量大100萬(wàn)倍。所以說(shuō)，擁有巨大的能量，是超聲波的一個(gè)重要特點(diǎn)。超聲波的許多應(yīng)用，也都是利用它的這一特點(diǎn)進(jìn)行工作的。為什么超聲波擁有這么強(qiáng)大的功率呢？這是由于聲波到達(dá)某一物質(zhì)中時(shí)，由于聲波的振動(dòng)作用，使物質(zhì)中的分子隨便之一起振動(dòng)，兩者振動(dòng)的頻率是一致的。物質(zhì)分子振動(dòng)的頻率，決定了該物質(zhì)分子振動(dòng)的速度，頻率越高，速度越大。我們知道，一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體所具有的動(dòng)能E與其質(zhì)量M和運(yùn)動(dòng)速度有下列關(guān)系:
E=Mv2
即，運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能與其質(zhì)量成正比，與其速度的平方也成正比。
由于超聲波的頻率很高，它使所進(jìn)入的物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)速度，也隨之變的很高。根據(jù)上式可知，這樣高的運(yùn)動(dòng)速度，使該物質(zhì)分子具有很大的動(dòng)能，這就是超聲波擁有巨大能量的緣故。
【超聲波的聲壓特性】
所謂“聲壓”指的是由于聲波的振動(dòng)而使聲場(chǎng)中的物體受到附加壓力的強(qiáng)度，單位為公斤/平方厘米，一般可聽(tīng)聲的聲壓非常微小，其數(shù)值約為0.000001公斤/平方厘米~0.000002公斤/平方厘米。這公微小的聲壓，一般是不引起人們的注意的。但是，超聲波的聲壓，一般是很大的。例如，在水中通過(guò)一般強(qiáng)度的超聲波時(shí)，因超聲波而產(chǎn)生的附加壓力，可以達(dá)到好幾個(gè)大氣壓。超聲波之所以能夠產(chǎn)生這樣強(qiáng)的聲壓，可以達(dá)到好幾個(gè)大氣壓，其根本原
因仍然是由于超聲波的頻率很高，所以振動(dòng)時(shí)，使高密度分子間的伸拉很快以致使其間形成瞬時(shí)的真空與壓縮高密度區(qū)，產(chǎn)生巨大的壓力差。當(dāng)它的振幅達(dá)到一定程度時(shí)，超聲波擁有的能量十分巨大。
當(dāng)超聲波束通過(guò)液體時(shí)，由于巨大的超聲波聲壓作用，可以在液體中出現(xiàn)"空化現(xiàn)象"。這種現(xiàn)象所產(chǎn)生的瞬時(shí)壓力，可以高達(dá)幾千個(gè)，甚至上萬(wàn)個(gè)大氣壓!這么巨大的瞬時(shí)壓力，使超聲波的應(yīng)用，在許多方面顯示出它*的巨大作用。現(xiàn)在已被普遍應(yīng)用的超聲波清洗，超聲波乳化等，都是超聲波空化現(xiàn)象的具體運(yùn)用。
超聲波的空化現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的呢?讓我們通過(guò)觀察一個(gè)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，來(lái)了解空化現(xiàn)象產(chǎn)生的奧妙。
在一個(gè)盛滿水的玻璃容器中，放大一個(gè)超聲波發(fā)生器的聲頭。
在超聲波機(jī)末工作之前，該容器中的液體分子受到的只是大氣壓的壓力，液體的分子都很穩(wěn)定，沒(méi)有什么變化。當(dāng)超聲波機(jī)開(kāi)始工作后，一般強(qiáng)大的超聲波束穿過(guò)了整個(gè)液體內(nèi)部。我們知道，當(dāng)聲波通往某種物質(zhì)時(shí)，由于聲振動(dòng)現(xiàn)象，這種壓縮和稀疏相互交替的作用，使該物質(zhì)分子受到的壓力產(chǎn)生了變化。例如當(dāng)超聲波振動(dòng)使水分子壓縮時(shí)，水分子所受到壓力將是大氣壓加上水分子被壓縮時(shí)受到的壓力，這個(gè)變化的壓力就是前面我們所談到的"聲壓"。當(dāng)這個(gè)巨大的聲壓使水分子團(tuán)壓縮時(shí)，好象水分子團(tuán)受到了來(lái)自四面八方的巨大壓力(參看圖1一8A)當(dāng)超聲波振動(dòng)使水分子稀疏時(shí)，水分子又受到了向四面八方散開(kāi)的拉力(參看圖1一8B)。對(duì)于一般的液體，它能經(jīng)受得住聲壓的巨大壓力作用，所以在受到壓縮力時(shí)，水分子團(tuán)不會(huì)發(fā)生反常的現(xiàn)象。但是當(dāng)水分子團(tuán)受到稀疏作用而受到四面八方的拉力時(shí)，它們就支持不住了。在拉力集中的地分，水分子團(tuán)就會(huì)斷裂開(kāi)來(lái)，這種斷裂作用，容易發(fā)生在存有雜質(zhì)和氣泡的地方，因?yàn)檫@些地方水的強(qiáng)度特別低，根本經(jīng)不住幾倍于大氣壓力的巨大的拉力作用而發(fā)生斷裂。這種斷裂的結(jié)果，使水中會(huì)產(chǎn)生許多氣泡狀的小空腔，這種空腔存在的時(shí)間很短，一瞬間，就會(huì)閉合起來(lái)。小空腔閉合的時(shí)侯，會(huì)產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)壓力，一般的可高達(dá)幾千個(gè)，甚至上萬(wàn)個(gè)大氣壓。這種巨大的瞬時(shí)壓力，可以使懸浮在水中的固體表面受到急劇的破壞，超聲波的絕妙的清洗作用、乳化作用以及超聲波治療中利用超聲波來(lái)?yè)羲?/span> 腦血栓和膽結(jié)石塊等，都是運(yùn)用了超聲波的這種巨大的瞬時(shí)壓力。這種由于超聲波在液體中的聲壓，而使液體分子團(tuán)破裂而產(chǎn)生無(wú)數(shù)氣體小空腔，由于這些小空腔閉合而產(chǎn)生的瞬時(shí)壓力的現(xiàn)象，稱之為超聲波的空化現(xiàn)象。超聲波的空化現(xiàn)象，也是超聲波的重要特性之一
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