06 超声波和次声波 Urasound and Infrasound（第2页）

超声波在医学上的一个更直接的应用是碎石术。在这种方法中，高功率脉冲只是在原位敲打肾结石，将它们粉碎成小到足以随尿排出体外的颗粒。

超声波扫描

超声波最著名的用途之一是扫描胎儿。由于传统扬声器的膜片移动速度不够快，无法产生合适的兆赫频率，因此使用了压电发射器。将凝胶涂在腹部，这样就没有空气层来反射或吸收声音。超声波在具有不同声阻抗的介质（如骨骼、肌肉、皮肤、羊水等）之间的界面反射，通过精确测量回声从这些界面返回所需的时间（每种介质中声速不同），就可以计算出它们的距离。通过移动超声波束，可以测出详细的三维图像，并将其转换为实时视频图像。

像大多数扬声器一样，压电换能器是由它产生的振**电流往复产生声波。另一方面，当被声波击中时，它会产生电信号。因此，在胎儿扫描仪中，扫描仪的探头既是超声波的来源，也是超声波回声的检测器。

利用极高频声波束可以生成相当精确的图像。1兆赫（100万赫兹）的信号可以显示毫米尺度的图像细节，而检测结果的精确度取决于被检查组织的声学性能。并且，现在许多扫描仪已上升到15兆赫，眼睛和皮肤用的扫描仪甚至可以达到50兆赫。

但与声学显微镜产生的80亿赫兹信号相比，这简直是小巫见大巫，因为声学显微镜可以观察到0。03微米尺度的细节。但不幸的是，如此高频的声音还没传播到1毫米外，就会被几乎所有类型的介质吸收，唯一的例外是液态氦。注意，如果没有保存在温度低于5开尔文（-268℃）的环境中，液态氦就会沸腾。由于需要精密冷却系统，声学显微镜的价格会比较昂贵。即便如此，我们还是要使用声学显微镜，因为它们可以探测到样品的表面以下，特别是一些难以从视觉与周围环境区分，但对声音有很强反射的材料。

在医学领域之外，超声波最常见的诊断应用之一是检测缺陷和裂纹，例如在铁路修建方面。为了定位这些缺陷，人们沿着被测试的物体发送一系列的音爆。在脉冲回波模式下，发射器和接收器被放在一起，如果存在缺陷，脉冲被反射，它们的到达时间能够表明缺陷的位置。在传输模式下，探测器和发射器是分开的，传输过程中脉冲的任何变化都表明测试对象中存在不均匀性。这种方法也可用于测定固体中的机械应力。由于材料的弹性模量在受到应力时发生变化，它们的声速也会发生局部变化。

超声波的力量

虽然大功率超声的热效应有许多应用，但它也可以通过对介质的机械作用来传递能量。枪虾就是一个在自然界中比较罕见的例子，利用超声波（连同可听频率）产生的冲击和压力来捕猎。当这种动物猛夹它的虾螯时，会发出响亮而突然的咔嗒声，其频率高达200千赫，足以杀死或击晕猎物和潜在的捕食者。

无论是虾还是人类，超声波的机械能通常是通过气蚀传递的。气蚀是指微小气泡的形成和剧烈坍塌。基本上所有的**都含有这种气泡，要么由它们自己的蒸汽构成，要么由空气构成。当**的压力下降时，这些气泡就会膨胀（这就是打开一个装有汽水的加压容器时产生泡沫的原因）。因为声波是由一系列的高压和低压组成的，它会使气泡迅速膨胀和收缩，在高功率和高频率的情况下，气泡的振动非常剧烈以至于产生破裂和内爆，同时以热能的形式释放出它们的振动能量。其产生的温度甚至可能会超过太阳表面的温度，并能使**发光（一种被称为声致发光的现象，枪虾也能引发这种现象）。

因为能量只会在很小范围内出现，所以**不会全都变得特别热。但是，高浓缩能量的爆发可以用来引发化学变化（声化学），或者清洁和消毒需要在水下清洗的物体，比如某些医疗器械。基于气蚀的清洗在20～50千赫范围内最为有效。在更高的频率下，超声波还会搅动**，在100千赫到1兆赫的范围内，**搅动在清洗效果中占主导地位。在实际生活中，超声波清洗浴缸就同时应用了这两种原理。

高功率超声（无气蚀化）常常被用于电路板印刷中的无焊剂焊接，其中电烙铁的电热头以超声波频率振动。在更高的功率下，非常精细的线可以通过由超声波振动引起的摩擦从内部加热而焊接在一起。这样做的一个好处是，由于加热效果仅限于非超声（充声）电线，超声波不会加热附近的元件。还有一些其他依赖超声波焊接的材料，其频率的选择取决于要焊接的零件的大小，范围从小零件的60千赫兹到大零件的10千赫。

高功率超声波甚至可以用来举起小物体。虽然它们所产生的力是微弱的，但在微重力环境中，例如在空间站内部，它们可以在组装过程中使精密仪器的位置保持稳定，或者防止高度活跃的化学物质接触到任何设备。

外部极限——声子

在极高的频率下，声音的表现形式与我们所熟悉的完全不同。就像电磁辐射，最高频率的电磁波的表现形式不像是波而更像粒子（因此盖格计数器可以通过一个个的咔嗒声记录下伽马射线的存在）。表现形式更像粒子的那些最高频的声音被称为声子。人类是间接发现声子的存在的。在19世纪末，人们已经知道要使一种物质的温度升高1℃，需要特定的热量。水的比热容比油的比热容高，这就意味着烧一壶水比烧一壶油要花更长的时间。

气体和固体也有特定的热量，但有一种异常现象令人不解。提高固体的温度所需的热能大约是提高相同数量的气态物质温度的两倍。这意味着固体（和某些**）一定有某种储存热量的方法，而这种方法是气体无法获得的。这个原理就是振动。固体中的分子可以像钟摆一样围绕其平衡位置振动。但是，与钟摆不同的是，振**分子不能逐渐变慢。量子力学定律要求它必须从快速振动跃迁到缓慢振动。当它这样跃迁的时候就会把一个声子的振动能量传递给另一个分子。固体传导热和传导电的方式可以通过声子的行为来解释。

次声波

随着声音不断接近人类听觉频率的下限，声音刚好能被听到的声强就会升高。正好能被听到的20赫兹纯音比正好能被听到的4千赫声音的声强（在其他条件相同的情况下）高出近3亿倍。这种强大的低频声音在空气中很少见，但在建筑工地、地铁站、高速公路附近以及地震活跃地区，我们很容易就能感觉到这种由固体传播的声音。

另一方面，通过空气传导的低功率次声波一直环绕着我们。它们甚至可以在我们走路的时候产生。由于我们头部的上下运动，耳朵的循环气压变化在我们周围形成了一个约1赫兹的次声波。海浪能够产生0。2赫兹左右的次声波。所有声音中频率最低的自然声音都来自高空和地下深处，极光和火山产生的次声波约为0。01赫兹。

次声波的主要特征之一是它的传播距离比可听范围内的声音更远，并能穿过海洋、地面或空气。在空气中，几千千米外的次声波很容易被探测到（例如，由火山爆发产生的次声波），尽管通常不是靠麦克风，就像我们通常是靠感觉，而不是靠听觉来发现次声波。我们使用专门的气压计来测量次声。次声也可以通过它引起的温度变化来检测。

有证据表明，次声对人类的影响与其他类型的声音明显不同，其中就包括增强情绪反应。现代古典音乐会加入次声，同一支乐曲在一场没有次声伴奏的音乐会中会有更多的人更讨厌或喜欢。另一些实验也证明，驾驶员暴露在次声环境下，很快就会感到非常疲劳。甚至有人认为，次声是使人们产生幻觉的原因之一，部分原因是直接的情感影响，部分原因是眼球的振动会引起视觉障碍。

次声已被证明是探测火流星的可靠手段。火流星是一种在飞行中爆炸的流星体。由于它们在大气中超音速飞行，下落时会产生富含次声波的音爆。更多的次声波是在火流星爆炸时产生的。所有这些空中的次声到达地面时会产生固体中的次声，当火流星碎片撞击地球时会产生表面波。将所有这些声音的频率、时间和振幅结合，我们就可以对火流星的路径、运动和能量进行详细的分析。

次声在地面传播时对我们的影响更大，而超声在水下传播时才真正地如鱼得水。我们将在第7章中介绍这些声音传播的媒介。