超声波

频率超过20000Hz的声波

超声波(Ultrasonic wave、 Supersonic wave、Ultrasonic 、Ultrasound ),是频率高于20000 赫兹 的声波, 是一种机械波,在弹性介质中传播的 纵波 ,具有波动的一般特性。 超声波与其他声波只能通过具有弹性与惯性介质(如空气),超声波在空气中传播时,空气分子将在平衡位置振动,空气产生膨胀或压缩的运动且传播其波动,因此,其他声波与超声波均无法在真空中传播。

在1793年夏天, 斯帕拉捷 (Lazzaro Spallanzani)研究蝙蝠能在漆黑的夜空之中飞行的原因,最后得出了蝙蝠靠听觉辨别方向的结论,最终发现了超声波的存在。 19世纪末到20世纪初,物理学家发现了 压电效应 与反压电效应。人们找到了利用 电子学 技术产生超声波的办法,之后,超声波技术开始了它的发展与推广。在20世纪,人们发明了超声波声呐、超声波金属探伤仪等超声波应用设备。

超声波的特征是频率高、波长短,具有机械波的通性,例如反射、折射、干涉和衍射现象。此外,超声波在传播过程中具有方向性好、能量大、穿透能力强等特性。 这些特性使得超声波在杀菌方面表现出方向性好、穿透力强、速度快等特点。

超声应用于许多不同的领域。超声波设备可以用于检查介质内部深处的情况、测量距离,如超声波探伤、医学超声诊断等。 超声成像或超声检查通常用于医学。 在产品和结构的无损检测中,超声波用于检测不可见的缺陷。 在工业上,超声波用于清洁、混合和加速化学过程。 许多动物都能感知并利用超声波,例如蝙蝠和海豚等动物利用超声波来定位猎物和障碍物。猫和狗也能听见超声波,狗能听见最高45kHz的超声波。而猫的听觉范围的上限为 64 kHz。

定义

定义

超声波即频率高于 赫兹 的声波(广义上的声波)。 在20摄氏度、1标准大气压下的空气中,超声波波长约为1.72厘米或更小(由频率决定)。

说明

可闻 声波 (简称为“声波”)频率: 赫兹,能引起人的 听觉 ;

次声波 频率:小于 赫兹;

超声波频率:大于 赫兹;

物理观点上看,三种波没有本质区别,因此广义的声波包括次声波和超声波。 声波 是一种 机械波 ,是在弹性介质中传播的 纵波 ,具有波动的一般特性,如反射、折射、干涉和 衍射 等现象。

简史

1793年夏天,意大利科学家斯帕拉捷发觉蝙蝠能在漆黑的夜空之中飞行,便开始研究实验:先是蒙上蝙蝠的眼睛,再是堵住它的鼻子,发现蝙蝠仍能自由飞行;之后塞上蝙蝠的耳朵,发现它飞行四处碰壁。最后得出了蝙蝠靠听觉辨别方向的结论。 最终他发现了超声波的存在。后来,人们根据机械振动波的频率将 赫兹 以上的称为超声波。

1880年, 法国 物理学家皮埃尔·居里(Pierre Curie)与兄弟雅克·居里(Jacques Curie)共同发现压电效应。1893年,弗朗西斯·高尔顿发明高尔顿哨子,这是一种可调节频率的哨子,具备产生超声波的功能。

1912年 “泰坦尼克”号海难 后,物理学家和气象学家刘易斯 · 弗莱 · 理查森(Lewis Fry Richardson)建议使用超声波在镜子的焦点处放置一个水下汽笛来探测 冰山 。

第一次世界大战 期间, 保罗·朗之万 (Paul Langevin)在1917年使用基于高频的静电发声器和石英谐振器进行潜艇探测。声纳设备是第一次世界大战期间开发的超声波和压电技术的首次实际应用。

1928年, 苏联 工程师谢尔盖•索科洛夫(Сергей Леонидович Соколов)首次提出超声波用于金属探伤领域的想法。

1931年,马尔豪斯(Malhauser)获得使用超声波传感器检测固体缺陷的专利。

1941年,第一台商用超声波金属探伤仪由美国工程师费斯通发明并申请了专利。

1949年,有着电子工程硕士背景的美国医学博士约翰·朱利安·威德利用改进后的超声波金属探伤仪进行了病人肠道诊断,结果成功地获得了可供临床治疗参考的图像。

1951年,美国医学博士约翰·威德发明出了第一台超声波医学诊断仪,标志了一个新的医学诊断学科的诞生一一“超声诊断学”。他因此被人们誉为“超声医学之父“。

此后,很多大公司都对医用超声仪进行了技术研究和产品开发,包括日本的 Aloka 公司,德国的 西门子股份公司 ,荷兰的 飞利浦 ,美国的 通用电气 等。

超声医学设备后来发展出很多种类型,包括以波形显示人体组织特征的“A超”,以平面图形显示人体被探查组织的“B超”,观察心脏结构层次的“M超”,以及专门检查血液流动情况的“D超”,“D超”又称“多普勒”超声诊断仪。

截止至2023年,超声波的很多新用途已经被陆续开发, 应用于医学 、工业 、农业 、生物学研究 等方面。

基本概念

相关概念

超声波是一种 机械波 ,在弹性介质中传播的 纵波 。

波动的概念 :波动是一种运动形式,在弹性介质中发生的波,是依靠弹性介质 质点 的机械振动(物体位置随时间 周期性 变化 )而产生和传播的。 波源的能量随着波动传播到波所到达的各处。

存在条件 :机械波的存在有两个条件:有波源(振源)、有传播振动的弹性介质。

纵波 :在波动中,如果参与波动的质点的振动方向与波的传播方向平行,这种波称为纵波。

物理量

描述超声波的一些 物理量 如下:

波速 :单位时间内振动传播的距离。

波在弹性介质中的传播速度,取决于弹性介质的弹性和 惯性 。

波长 :波在传播过程中,沿同一波线上 相位差 为 (一个周期)的两个相邻 质点 的运动状态必定相同,它们之间的距离称作波长。

在 纵波 的情况下,波长等于两相邻密部之间或两相邻疏部中心之间的距离。

振幅 :机械振动的质点离开平衡位置的最大距离。

波的频率 :单位时间内,通过波线上某点的完整波的数目。

周期 :波传播一个波长的距离所需要的时间。

周期的 倒数 等于波的频率,即 。

波经过每一个周期,介质的质点完成一次完全的振动,同时振动沿波线方向传播一个波长的距离。波经过单位时间,介质的 质点 完成 次(即 次)完全的振动,同时振动沿波线方向传播 个(即 个)波长 的距离,所以单位时间内振动传播的距离 。

因为在一定的弹性介质中,波速是恒定的,所以波长完全由波源的频率决定:频率越高,波长越短;频率越低,波长越长。

声压 :单位面积的声压力。

平面 声波 的声压 方程 为 ,式中, 为声压幅。声压幅 ,声压幅 与位移振幅 成正比,与声波频率 成正比,与弹性介质的特性 阻抗 成正比(特性阻抗 )。

声强 :声波的能流密度。

声波 是 机械波 ,在传播过程中携带着 机械能 ,声波的传播过程实际上是声振动能量的传播过程。声波在单位时间内沿传播方向通过某一波阵面 传递的平均 声能 叫做声功率 , ,式中 , 为平均能量密度。

声强描述 声波 在介质中各点的强弱,它的单位是 ( )。更简单的说,声强就是单位面积上输运的声功率。

物理特性

超声波的特征是频率高(现代可以产生频率高达 Hz的超声波),所以在同一介质中,超声波波长短。 这一特征,使超声波具有很多特殊的 物理性质 。这些物理性质也让超声波有不同的应用及优点。

超声波特殊的物理性质(以及对物质的作用)有: 衍射 现象不显著; 功率比通常声波的功率大得多; 气体对超声波的衰减很强,液体和固体中衰减较弱(在不透明的固体中,超声波能够穿透几十米的厚度,所以超声波主要应用于液体和固体中); 空化作用; 机械作用; 热作用 等。这些特殊物理性质部分原理及解释如下:

衍射现象不显著

波的衍射,就是指波在传播过程中可以改变传播方向甚至绕过障碍物的现象。 衍射现象可用惠更斯原理进行定性解释。当平曲波到达一个宽度与波长相近的缝时,缝上各点都可作为了波的波源。作出这些了波的包络,就可得出新的波前。此时的波前与原来的略有不同,靠近边缘处,波前弯曲,即波能绕过障碍物,继续传播。 衍射 现象的显著与否,和障碍物(如孔、缝等)的宽度 与波长 之比有关, 越接近1越明显, 越大越不明显。

所以,由于超声波波长短,经过同一孔隙,超声波更不容易发生衍射现象,更容易保持原传播路径,方向性好。 所以超声波常被用于检查介质内部深处的情况,进行探伤、定位、显像等。

功率比通常声波的功率大得多

在波的传播过程中单位时间内所传递的能量(也就是波的功率)与波的频率的平方成正比,由于超 声波 的频率高.所以超声波的功率比通常声波的功率大得多。

当一列波在弹性介质中传播时,波传播到介质中的某个 质点 ,这个质点将在其平衡位置附近振动,因而具有一定的动能;同时,由于该处的介质发生弹性形变,所以这个质点也具有 势能 。波源的能量随波动传播到波所到达的各处。

以平面简谐 纵波 为例,某一体元的总能量的存在关系: 。

所以波的功率与波的频率的平方( )成正比。

所以利用这种特性,超声波可以直接对介质进行某种处理。如强超声波杀菌等。

空化作用

由于超声波频率高,振动周期时间短, 且波的功率与波的频率的平方成正比, 而传播过程中,介质中给定质点的总能量随时间做周期性变化, 即意味着短时间内,质点动能 发生巨大变化,即拥有巨大的加速度。超声波为 纵波 ,传播过程使介质产生密部和疏部,介质在密部受压,在疏部受拉。

由于液体无法受拉(一般轻微受拉即会产生气泡),所以当一定频率的超声波通过液体时,尺寸适宜的、近于真空或含少量气体的空穴会发生共振现象。超声波的稀疏阶段使空穴迅速涨大,然后在压缩阶段(受压时),空穴又突然被绝热压缩直至湮灭。崩溃时,空穴内部压强可达几万大气压,同时由于摩擦产生的电荷在湮灭过程中中和,还会产生极高的局部温度、发光现象以及放电现象等。上述现象称为空化现象,超声波在液体中的这种作用叫做空化作用。

机械作用

超声不仅能使物质作强烈的机械振动,而且产生冲击作用,能使物质的力学结构破坏。在液体中发生超声振动时, 质点 的加速度可达 重力加速度 的几十万倍甚至百万倍,这种巨大的作用能够破坏媒质中粒子的结构。如果液体中存在有异类粒子〈如胶粒、微生物,高分子化合物)它们的振动速度与液体质点的速度不会完全相同,两者之间就要发生巨大的 摩擦力 ,可以把这些异类粒子击碎。

超声波清洗、除尘、超声加工、超声 乳化 等利用了超声波的机械作用。

热作用

超声波作用于媒质时,其能量被媒质所吸收而转化为 热能 ,因此,它使媒质的温度升高。 一方面频率越高,热效应越显著。另一方面,不同媒质界面的分界上, 特别是 流体 与固体分界面上,或液体与其他 悬浮粒子 分界面上,超 声波 能量将大量地转变成热能,往往造成分界面上的局部高温,甚至产生 电离 效应。

超声焊接就利用了超声波的热作用。

产生和接收

超声波产生的方法一般有机械法、 热学 方法、电动方法、压电法、磁滞伸缩等,其中探伤应用最多的是压电法。

机械法——机械型超声波发生器

机械型发生器,多为流体动力式(即喷注式),它利用高压流体作为动力,来产生超声波。有的以每秒几万次的频率,断续地喷出 流体 脉冲,在媒质中产生超声波(如旋笛或号笛等);有的使高压流体连续地从 喷口 喷出,冲击置于喷口前的空腔或 簧片 ,引起 共振 ,在媒质中产生超声波(空腔哨和簧片哨等)。这类发生器的优点是构造简单,使用方便。缺点是频率不高,声强一般也不大。

压电法——压电式换能器 

压电法产生超声波在探伤中应用最多, 目前医学上常用的超声波,就是用压电效法来获得的。 压电法利用的是 晶体 的 压电效应 ,利用逆压电效应发射超声波, 正压 电效应接收超声波。 压电法产生的超声波频率能达到 到 量级,甚至 。

压电效应及压电材料

压电法产生超声波的方法核心是利用压电晶体来实现的。试验发现,某些 晶体材料 (如 石英 晶体)做成的晶体 薄片 ,如右图所示,当其受到拉伸或压缩时,表面就会产生电荷;此现象称为 正压电效应 ;反之,当对此 晶片 施加交变 电场 时,晶体内部的 质点 就会产生机械振动(在受电荷或电场作用下面发生变形),此现象称为 逆压电效应 。具有 压电效应 的晶体材料就称为压电材料。

晶片就是将压电材料切成能够在一定频率下 共振 的片子。通过其厚度可以调整超声波的频率。一般呈反比关系。常见的产生超声波的压电 晶体 有:锆 钛酸铅 ( ,灵敏度高、成本低、工艺简单)、 石英 ( )、 水晶 、 钛酸钡 ( )、 硫酸锂 。

超声波的发射和接收

将超声波传到 晶片 上,晶片就会振动,在晶片的两 电极 间就会产生频率与超声波 相等 ,强度与超声波成正比的高频电压。反之亦然。

(1)发射:在压电晶片制成的 探头 中,对压电晶片施以超声频率的交变电压,由于逆 压电效应 ,晶片中就会产生超声频率的机械振动——超 声波 ;若此机械振动与被检测的工件较好地 耦合 ,超声波就会传入工件——超声波的发射。

(2)接收:若发射出去的超声波遇到界面被反射回来,又会对探头的压电晶片产生机械振动,由于 正压 电效应,在晶片的上下电极之间就会产生交变的电信号。将此电信号采集、检波、放大并显示出来,就完成了对超声波信号的接收。

超声波诊断探头发射超声波时将 电能 变成 机械能 ,接收时把机械能变成电能,所以超声探头又称 换能器 。

超声波频率的调整是通过改变交变 电场 的频率或 晶片 尺寸(晶片厚度)来实现的。

磁致伸缩——磁致伸缩换能器

磁致伸缩 换能器是用某些铁磁体(例如纯镍、铁钴合金,铝铁合金以及铁氧体等)材料制成的。用铁磁体作为线圈的铁芯,当交变电流通过线圈时,随着铁芯中磁场强度周期性的变化,铁芯的长度就作周期性的微小伸缩,称为磁致伸缩效应。正是这种铁芯的高频振动,激发起超声波。磁致伸缩换能器的频率,一般不太高,约为几万 赫兹 ,声强也可达 的数量级,非常坚固耐用,且能经受高温,适宜于工业应用。

磁致伸缩 换能器 接收超声波时发生振动,输出电讯号,经放大后便可进行检测。

应用

现代的航空、航海、工业、医学等许多领域都离不开运用超声波。

检查方面的应用

利用超声波的定向传播特性以及它的穿透本领,可以检查介质内部深处的情况, 如超声波探伤、定位、显像等应用于现代工业、航海业、 渔业 、医学等领域。

举例

超声波探伤

我们以超声探测金属试件内部的缺陷为例,如右图,脉冲超 声波 发射 探头 ,接收探头 ,两者都紧贴在待测试件 的一定部位上,并利用 示波器 来观察超声脉冲 波形 。脉冲波 反映发射波,脉冲波 反映从试件底部反射回来的反射波。

如果检查的部位内部没有缺陷,那么示波器显出如图( )右上方的波。如果在检查的部位内部存在缺陷Q,那么由于部分超 声波 中途从缺陷上反射回来,在荧光屏上就显出图( )右下方的波形。中间出现的脉冲波 反映从缺陷上反射回来的波。

根据这种波形图,能够检查出试件内部是否存在缺陷,且能够从 离 和 的间隔还可以求出缺陷在试件内部的位置,进一步研究脉冲波,还可以深入分析缺陷大小和形状等细节。

测量方面的应用

超声波在介质中的一些传播特性(如波速、 衰减 、吸收等),都与介质的各种宏观非 声学 物理量 有紧密联系。如 声速 就与介质的 弹性模量 、密度、温度、气体的成分等有关。声强的衰减则与材料的 孔隙率 、粘滞性等有关。

超声波测量方法简单,所以当介质中的某个物理量与超声波波速、衰减、吸收有确定的关系时,那么就可以通过这项关系,对此物理量加以间接的测定。

用超声可以测定一些气体和液体的温度,固体的弹性模量,混凝土的强度等。

举例

以超声测定橡胶乳液的比重为例,在 合成橡胶 的生产过程中,对橡胶乳液的比重有严格的要求,为了保证产品质量,必须在聚合反应过程中随时 抽样 测定。

超声测定比重的原理是:对于某一定 晶种 的橡胶乳液,当温度不变时,在乳液中传播的超声波波速随着乳液比重的变化而变化。

右图可知 摄氏度 时二者成正比关系。因此只要测得乳液中的 音速 ,由曲线即可得出乳液的比重。

超声测定比重装置容器内装有橡胶乳液。脉冲超声波发射 探头 和接收探头 面对面固定装置在容器器壁上,相互间距离为 。测定超声波从发射到接收的时间间隔为 ,就可以求出超声波在橡胶乳液中传播的速度 。在现:场实际使用时,对超声波仪器预先作适当的校正,就可以在指示器上直接读出乳液比重的数值。

处理方面的应用

超声波频率高,虽然振幅不一定大,但是振动的速度和加速度可以很大,因此在局部范围内可以产生很高的 声压 或集中很多的振动能量。利用这种特性,可以直接对介质进行某种处理。如超声清洗、超声焊接、超声加工、超声 乳化 、强超声波杀菌等

此外,超声波还有处理种子,改进种子品质,分离菌种、驱除老鼠害虫等作用。

详情

(1)超声清洗:精密的金属零件放在有强烈超声作用的清洗液里,可以使它的内外表面清洗得非常洁净。被油脂沾污的羊毛,用超声波脱脂,不但作用迅速而且不会使纤维受到损伤。

(2)超声焊接:把两块比较薄的金属片夹在一起,施以超声波作用以后,就可以把它们焊接起来。焊接的强度高,金属变形小,是一种新型的焊接技术。一些具有热熔性的塑料和 合成纤维 也可采用超声焊接。

(3)超声加工:采用特殊形式的钻头,在钻头和被钻材料间加些研磨剂,施加超声波使钻头迅速振动冲击研磨剂,就可以在坚硬材料。上打出所需形状的小孔。

(4)超声 乳化 :在两种不会互相混合的液体中,例如油和水,经过 超声处理 ,能把一种液体击成极细的微粒悬浮在另一种液体中而成为乳液。用超声波制成的乳液,颗粒细小,能保存很长时间。根据同样的原理也可把 染料 击成极小的微粒,使染色更加均匀牢固。

(5)强功率超声波杀菌:威廉和盖恩的报告中指出, 大肠杆菌 能被超声波杀死。

(6)超声波处理种子:鲁班和多耳波哥洛夫研究超声对 豆科 、 禾本科 及 油料 种子作物种子的影响,实验证明超声波处理过的种子,在适宜的剂量下,发芽率、植株高度、根长及株重均有所增长。许多研究者证明,超声还对物体有远期效应,不经处理的后代亦比对照生长发育更佳。

(7)利用超声波还可以分离菌种,提取菌内活性物质以及制造免疫抗原等。据最近的研究报导,超声波能使细菌发生变异,成为无毒而保存抗原的菌种,因此可以制造 新型冠状病毒疫苗 。此外,在 生物化学 上还可以作为探讨 蛋白质 分子的排列以及研究酶在细胞内分布结构。血液生化上研究 血小板 在血凝固中的机能,以及改变动物 血清 之免疫性,作为 输血 或 血浆 代用品的研究。

(8)超声波驱除老鼠害虫:鼠类对超声波的敏感程度比人高20倍,驱鼠器中的超声波需要选取对老鼠有强烈损伤而对人无作用的频率范围。

其他

超声电子学

由于超声波的频率与一般 无线电 的频率相近,且声信号又很容易转换成电信号,因此可以利用超声元件代替电子元件制作在 赫兹 范围内的延迟线、 振荡器 、 谐振器 、 带通滤波器 等仪器,可广泛用于电视、通讯、雷达等方面。用 声波 代替 电磁波 的优越之处在于声波在介质中的传播速度比电磁波的传播速度大约要小五个数量级。例如用超声波延迟时间就比用电磁波延迟时间方便得多。

医学超声

诊断学 :现有的医学超声技术可分为两大类:基于回波扫描技术和基于 多普勒 原理的超声诊断技术。

(1)基于回波扫描技术的超声诊断技术的基本原理是利用超声波在组织界面处产生的反射回波形成的图象或信号来鉴别和诊断疾病。 这种技术主要用于 解剖学 范畴的检测和诊断,目的是了解器官的形态学和 组织学 方面的状况与变化。比如,检测体内异物和肿瘤,检查器官的形状及大小的变化等等。回波扫描技术已大量用于对肝、脾、胃、肾胆 甲状腺 、 乳腺 、眼球、 子宫 、 卵巢 、 胸腔 、肺、 半月板 、脑、 心包 等多种脏器的诊查之中。

(2)基于多普勒原理的超声诊断技术的基本原理是利用运动物体反射 声波 时造成的频率偏移现象来获取人体的运动信息。这种技术主要用于了解体内器官的功能状况及血液 动力学 方面的生理病理状况,如用于测定血液流速、心脏运动状况及血管是否存在栓塞等。目前,超声多普勒技术主要用于 心血管疾病 的诊断中

在诊断学方面,基于探查深度和 分辨率 两个方面的综合考虑,一般采用的频率为 。 低频 主要用于深部组织和器官的诊查,而高频则用于眼科等表浅部位的诊查。同时,为了避免产生生物效应,诊断用的超声波的功率一般在 。

超声治疗学 :施加超声波于人体病患部位而达到治疗效果的方法。

应用超声波治疗疾病主要基于如下三种超声波与生物组织相互作用的效应:

(1)机械效应:在超 声波 的作用下生物组织将受到压力的作用,并产生速度和加速度方面的变化。 超声能量以振荡形式传播于人体组织中, 纵波 的压缩相与稀疏相交替引起压力的变化,产生了机械振动效应,对组织 细胞 有轻微的按摩作用。机械效应增强细胞膜的通透性,增强细胞的代谢功能和活力,改血液、淋巴液的循环。所以对某些损伤性疾忠、局部循环障碍、 营养不良 性溃疡,具有良好的疗效。机械效应还能使失去弹性的 结缔组织 松驰而变得灵活,能使坚硬的结缔组织变软、延长。利用这种效应,临床上用于治疗痕、皮硬化缩、风性 关节炎 等。

(2) 温热效应:超声在生物组织中传播的过程中,部分 声能 将被生物组织吸收,因而会产生局部温度升高的效应。 由超声吸收引起温升而致的生理效应,普遍认为四种因素有治疗意义:温升能增加 胶原蛋白 组织的延伸性,从而用以治疗关节收缩肌;温升可降低关节的强直度,可 施治 于 类风湿性关节炎 ;外周神经或自由神经末悄被加热后,提高了痛域 ,而不干扰其他感觉,故能减痛;温升的结果刺激了身体防卫机构,增加了血流和脉管质 的激发反应,从而引起一系列效应。

(3) 物理化学 效应:由于上述两种效应,常常会引发某些生物组织内部的 物理化学 变化,如物质交换的 速率 变化、空化分子分解与合成的改变等等。

超声在治疗方面的应用按照治疗仪所用的功率分为一般剂量和大剂量治疗法。一般量是指用超声波功率在 以下,而大剂量则是指所用功率高于 的治疗方法。一般剂量的超声治疗包括连续式或脉冲式超声疗法、超声—电疗法、超声药物透人疗法、超声雾化吸入疗法等。而大剂量超声治疗则包括超声波体外 碎石 法、超声加热治癌法以及超声在外科方面的应用,如超声 手术刀 等。

最新研究

自然界中的超声波

人们观察蝙蝠发现超声波的存在,由 海豚 发出高频超声波提高探测近距离目标的分辨率的现象,在声纳研究中进行了借鉴。除了蝙蝠和海豚发出超声波外,自然界还有很多超声波的存在。

风的噪声、拍岸的海浪的噪声、瀑布的噪声以及火车的噪声中都有超声。广泛的研究表明,许多昆虫能辐射出声波,如蜜蜂在分群时,辐射出超声波。海豚和鲸鱼能辐射和接收频率到 赫兹 的超声波。

生物界中的超声噪声的强度不大。它的数量级大约与人的讲话或动物所发出的可以听到的声音的强度相盖不多。

感知

人类

一般认为人类听不到超声波,人耳的可听频率范围在16赫兹和24kHz之间。然而,频率范围低于120kHz的超声通过骨传导传递时可产生 听觉 感觉。一些严重耳聋患者可以感知并分辨出语言调制的骨传导超声波。既往研究表明, 中耳 阻抗 可能会阻止超声通过空气传导传播。

人类感知 声波 的频率上限的降低是从幼儿时期开始的,在25岁到39岁之间降低是轻微的,但在40岁以上时,降低速度加快。

其他生物

很多昆虫还能感觉超声波。 很多鼠类能感觉到频率在 赫兹 以下的超声波。 狗能感觉到频率约 赫兹以下的超声波,利用这一点可以向狗发出周围人听不到的指挥信号。 猫的 听觉 频率上限约 赫兹, 海豚 的听觉频率上限约 赫兹, 鲸目 的听觉频率上限约 赫兹。

超声波的危害

人耳能够成觉到的普通的声音的强度是很小的。譬如,高声谈话的声约等于 。人的耳朵的两个听道的总面积约只等于1 , 瓦的功率听起来便已经是足够响的声音了。超声的情况期完全不同。由人造的超声源所获得的超声的功率可以高达数十瓦、数百瓦甚至数千瓦,声强可达每平方厘米数十瓦和数百瓦。 气体对超声波的吸收很强, 但高声强的超声波会对人体造成危害。 高于 分贝( )的超声对听力会产生影响,高于 分贝的声压级会在人体中产生快速破坏性的温度升高,超过 分贝( )的超声波可能会对人类致命。

机器的超声噪声有时可以达到很高的强度。 喷气式飞机 的噪声中超声有很高的强度,以致对于驾驶员和乘客的 听觉 和机体已经产生了有害的作用,而不得不采取特殊的隔声措施。

超声加工处理零件或材料时,接触这些零件或材料,人手容易进入超声作用强度最大的 声场 区,超声波就会对人产生局部影响,也可能影响全身。

此种情况 超生 波的主要危害有:(1)与手的慢性神经血管综合症有关的头痛、疲劳、耳内压感、步态迟缓、头晕目眩、睡眠不安(白天 嗜睡 ),手指刺痛、麻木或 发冷 ,脚步麻木、手指发 、体温不对称等感觉,以及类似于带着手套或软 保护套 的感受性损伤。 (2)中枢和外周 神经系统 、心血管系统、 听觉 以及前庭分析器的功能紊乱,以及内分泌和 体液 的失调变化。有时可观察到前庭紊乱。体内和 皮肤温度 增高、血糖水平下降及嗜伊红细胞增多,以及显著的听力损伤和明显的前庭损伤。 (3)植物性多 神经炎 等明显的不适症状。

类似现象

超声波、 次声波 、声波都是是 机械波 ,是在弹性介质中传播的 纵波 。 它们有共性也有差异。它们的共性是都会产生反射、折射、干涉和 衍射 等现象。三者中,超声波与次声波的频率差别最大,它们的各种物理特性差别有:(1)在空气中传播时的吸收情况不同。气体对超声波的吸收很强, 而次声波在大气中传播几百万米后,吸收还不到万分之几分贝。 (2)超声波的衍射现象不明显,方向性好, 而次声波衍射现象明显,能绕过许多障碍物,传播距离远。

参考资料

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