来去无痕的超声波

万宝林

1793年夏天的一个晴朗的夜晚，喧闹的城市渐渐平静下来。意大利科学家斯帕拉捷匆匆吃完饭，便走出街口，把笼子里的蝙蝠放了出去。当他看到放出去的几只蝙蝠轻盈敏捷地来回飞翔时，不由得惊叫起来。因为那几只蝙蝠，眼睛全被他蒙上了，都是“瞎子”呀。

斯帕拉捷很奇怪：不用眼睛，蝙蝠凭什么来辨别前方的物体，捕捉灵活的飞蛾呢？于是，他把蝙蝠的鼻子堵住。结果，蝙蝠在空中还是飞得那么敏捷、轻松。

最后，斯帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵，把它们放到夜空中。这次，蝙蝠可没有了先前的神气。它们像无头苍蝇一样在空中东碰西撞，很快就跌落在地。

啊！蝙蝠在夜间飞行，捕捉食物，原来是靠听觉来辨别方向、确认目标的！斯帕拉捷的实验，揭开了蝙蝠飞行的秘密，促使很多人进一步思考：蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜，“听”到没有声音的物体呢？

后来人们继续研究，终于弄清了其中的奥秘。原来，蝙蝠靠喉咙发出人耳听不见的“超声波”，这种声音沿着直线传播，一碰到物体就像光照到镜子上那样反射回来。如图所示，蝙蝠用耳朵接收到这种“超声波”，就能迅速作出判断，灵巧地自由飞翔，捕捉食物。

超声波的特点与应用

超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。

如图所示，超声波清洗机由超声波发生器发出的超高频率超声波，通过换能器转换成高频率振动而传播到清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间地向前传播，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在超声波的作用下振动，使得待清洗物体上的固体粒子脱离，从而达到清洗加净化的目的。

现在人们将超声波运用到临床医学上，获得了巨大成功。例如治疗癌症的“超声聚焦刀”，就是利用超声波作为能源。很多束超声波从体外发射到身体里去，在发射透射过程中间发生聚焦，聚焦在一个点即肿瘤上，通过声波和热能转化，在0.5～1秒内形成一个70℃～100℃高温治疗点，这个高温点好比是一个手术刀在切割肿瘤，焦点区的肿瘤无一幸免。超声聚焦刀使肿瘤组织产生凝固性坏死，失去增殖、浸润和转移能力。此机原理类似于太阳灶聚阳光于焦点处产生巨大能量。所以有人将超声聚焦比做一把体外操作、体内切割的“刀”。

在医学中，可以把超声波送入体内，经过技术处理，在荧光屏上显示出人体内脏清晰的图像，这种技术就是所谓的B超检查。超声波检测的原理用于工程上，可以用来检测工件内隐藏的裂纹、砂眼、气泡等，成为工程师的“眼睛”。

超声波能在水中传播很远的距离。比如，30000 Hz的超声波在空气中传播24 m时，强度会减弱过半，而在水里它要传播44 km才会减弱过半，是空气中传播距离的2000倍。

第一次世界大战的时候，德国潜水艇频频袭击英国和法国的巡洋舰。法国科学家朗之万心急如焚，发明了一种叫声呐的仪器。声呐由超声波发生器和接收器两部分组成。声呐发出超声波，接收和测量回声，可以确定目标的位置、形状，甚至还能分析出敌方潜艇的性能。

声呐技术有着广泛的应用，它可以用于考查海底，画出精确的“地貌声图”，误差不超过20 cm。

超声波能够很明显地增加金属表面的反应速度，因而成为化学合成的重要手段。镁、锂、锌等一些活跃的金属，在超声波的作用下可以大大提高它们的活性和寿命。超声对合成生物材料也有很大的作用，能够重新合成、分解和排列分子，并能使物体微粒悬浮在空中。利用超声波还可以制造没有晶体结构的金属，获得有更多功能的新型材料。

美国科学家开发出了一项超高音速声音系统（HSS），将用于未来战争的心理战。HSS系统的原理是把声波转换成超声波信号。一束极为狭窄的声波，使得只有特定的接受者才能听见。这种高度定向的声音听起来就好像来自你的面前，而事实上它很可能是从几百米之外发出来的。发送器大小不同，细的只有1米，粗的可以达到6米，视需要而定。使用它们，就可以发出大小随意的声束了。试验者听到了一个来自100米之外的声音，那声音非常清晰，但是当他往旁边挪了几步之后，就什么也听不见了。这一技术可以扰乱敌人的判断力，让他们以为有什么东西就在附近。型号比较小的声波发送器完全可以让敌人无法观察到，而幽灵一般的声音足以令神智最清醒的士兵也精神错乱。