超声学

学科名称

超声学是指研究各种产生和接收超声波的方法和技术、超声波的传播特性、超声波与物质的相互作用以及超声在科研和生产领域的各种应用等的一门声学分支学科。

简介

超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。频率高于人类听觉上限频率(约20000赫)的声波，称为超声波，或称超声。

发展历史

超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年首次制成超声气哨，此后又出现了各种形式的气哨、汽笛和液哨等机械型超声发生器(又称换能器)。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今还仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。

20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并用来探查海底的潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型换能器等多种超声换能器。

材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。

近年来，为了物质结构等基础研究的需要，超声波的产生和接收还在向更高频率(10&1 2赫以上)发展。例如在媒质端面直接蒸发或溅射上压电薄膜或磁致伸缩的铁磁性薄膜，就可获得数百兆赫直至几万兆赫的超声；利用凹型的微波谐振腔，可在石英棒内获得几万兆赫的超声。此外，用热脉冲、半导体雪崩、超导结、光子与声子的相互作用等方法，产生或接收更高频率的超声。

传播

超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可听声波的并无质的区别。超声在一般流体媒质（气体、液体）中的传播理论已较成熟，然而声波在高速流动的流体媒质中的传播，在液晶等特殊液体中的传播以及大振幅声波在流体媒质中传播的非线性问题等的研究，仍在不断发展。超声也能在固体中传播。由于固体媒质本身形状和性质的多样性，导致了超声在其中传播的复杂性。在无限大、各向同性的均匀固体媒质中，一般只有纵波和横波两种基本波型。在无限大各向异性固体媒质中，一般沿每个方向上可有三种波：一种是近似于纵波的准纵波，另两种是近似于横波的准横波。由于媒质的应力、应变关系是一个张量关系，所以，同一种波型的波在不同传播方向上有不同的声速；在同一传播方向上，不同波型的波也有不同的声速。

在有界媒质中，当媒质的几何尺寸与声波的波束宽度及波长可相比较时，由于边界的影响，在媒质中只允许一些满足边界条件的特定振动方式的声波传播，这就是导波。固体中的导波一般有纵波、切变波、弯曲波和扭转波等。在固体媒质自由表面层或两种固体媒质分界面附近的导波，就是声表面波，而瑞利波就是一种常用的声表面波。在媒质中，导波的相位以相速度Cp传播，而能量以群速度Cg传播，而且Cp和Cg都是频率的函数。

产生效应

综述

当超声在媒质中传播时，由于声波和媒质之间的相互作用，使媒质发生一系列物理的和化学的变化，也出现一系列力学、光学、电、化学等超声效应。

线性交变的振动作用

线性交变的振动作用是指由于媒质在一定频率和声强的超声波作用下作受迫振动，而使媒质中的质点位移、速度、加速度以及媒质中的应力等分别达到一定的数值而产生一系列超声效应。当质点速度远小于媒质中的声速时，所产生的机械效应，如悬浮粒子的凝聚、声光衍射、超声在压电或压磁材料中感生电场或磁场等，可用线性声学理论说明，故称为线性的交变机械作用。

直流定向力

由于超声振动的非线性而产生像锯齿波形效应和各种直流定向力，并由此而产生了一系列特殊的超声效应，如超声破碎、局部高温、促进化学反应等等。

液体内的声空化作用

当液体中有强度超过该液体的空化阈的超声传播时，液体内会产生大量的气泡，小气泡将随着超声振动而逐渐生长和增大，然后又突然破灭和分裂，分裂后的气泡又连续生长和破灭，这种现象称之为空化。

这些小气泡急速崩溃时在气泡内产生了高温高压，并且由于气泡周围的液体高速冲入气泡，而在气泡附近的液体中产生了强烈的局部激波，也形成了局部的高温高压，从而产生了超声的清洗、粉碎、乳化、分散、促进化学反应等一系列的作用，同时还伴有强烈的空化噪声和声致发光。在液体中进行的超声处理技术，大多数都与空化作用有关。

应用

超声检测和控制技术

以超声为工具，来检验、测量或控制各种非声学量及其变化的超声检测和控制技术。用超声波易于获得指向性极好的定向声束，采用超声窄脉冲，就能达到较高的空间分辨率，加上超声波能在不透光材料中传播，因此，它已广泛地用于各种材料的无损探伤、测厚、测距、医学诊断和成像等。而利用媒质非声学特性（如粘度、流量、浓度等）和声学量（声速、衰减和声阻抗率）之间的联系，通过对声学量的检测还可达到对非声学量的检测和控制。当前，超声检测这方面的新研究和新应用仍在不断地出现，例如声发射技术和超声全息等等。而采用数字信号处理技术来解决超声检测中以往尚未解决或尚未圆满解决的问题的研究工作，非常活跃。

超声处理

它是通过超声对物质的作用而来改变或加速改变物质的一些物理、化学、生物特性或状态的技术。由于使用适当的换能器可产生大功率的超声波，而通过聚焦、增幅杆等方法，还可获得高声强的超声，加上液体中的空化现象，使得利用超声进行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱气、促进化学反应、医疗以及种子处理等已经广泛地应用于工业、农业、医学卫生等各个部门，并还在继续发展。但很多应用机理至今尚未搞清，有待深入研究。

在基础研究领域中的应用

机械运动是最简单、也最普通的物质运动，它和其他形式的物质运动以及物质结构之间的关系非常密切。超声振动本身就是一种机械运动，因此，超声方法也是研究物质结构的一个重要途径。20世纪40年代起，人们在研究媒质中超声波的声速和声衰减随频率变化的关系时，就陆续发现了它们与各种分子弛豫过程（如分子的内、外自由度之间能量转换的热弛豫，分子结构状态变化的结构弛豫等过程）及微观谐振过程（如铁磁、顺磁、核磁共振等）之间的关系，从而形成了分子声学的分支学科。随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能──声子来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子与超导结、声子与光子的相互作用等。因此，超声和电磁辐射及粒子轰击一起列为研究物质微观结构和微观过程的三大重要手段。与之有关的一门新分支学科──量子声学也正在形成。

发展

随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，目前已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子与超导结、声子与光子的相互作用等。因此，超声和电磁辐射及粒子轰击一起列为研究物质微观结构和微观过程的三大重要手段。与之有关的一门新分支学科——量子声学也正在形成。

超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超声探伤和超声成像技术都是借鉴了雷达的原理和技术而发展起来的，而超声的发展又为电子学、光电子学、雷达技术的发展提供了超声延迟线、滤波器、卷积器、声光调制器等重要的体波和表面波器件。

但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学是在不断向前发展。