高得听不见的声音——超声

一般把20000赫以上的声音称为超声。频率越高，波长越短。声波在大多数固体中的声速为1000-10000米/秒。频率高到10⁸-10¹²赫是电磁波谱的微波频段。

利用超声在固体中的传播特性，以及大功率超声所产生的空化、辐射压等现象，可以使超声产生很多神气的作用，如超声切削、超声研磨、超声打孔等。

• 非破坏性检测

固体件，如金属工件，由于材料或制造工艺上的原因，内部会形成一些裂缝或气孔，它的强度就不够，或者会发生渗漏，使用时就会出危险。在不能破坏工件的情况下，如何检测这些缺陷呢？近几十年来发明了许多非破坏性的检测方法，如用X光、射线、电磁方法、超声方法等等，各有适用范围，有时需要几种方法并用。

在工件表面发出超声脉冲，如果经过的地方有空洞或缺陷，就会有反射信号，通过与工件底部的反射信号的比对，可以知道伤的深度。通过移动超声探头，可以知道伤的水平范围。这种方法叫做反射法探伤，是出现最早，应用最多的。在工件一端发射声信号，在另一端接收信号并显示强度的方法叫做透射法探伤。

如果工件是由两部分（或多部分）粘结起来的，检测这种工件最好就是从一个表面测量它的声阻抗。就是在同一个探头上，一个压电晶体发射连续声波，另一个压电晶体接收声波，如果结构上有粘结不好的地方，结构反作用力就会有大的变化，从而对工件做出判断。

高级的高速公路、机场跑道和铁路都是面积很大、长度很长而且要求很高的，这些设施不但在建造时要加以监测，在使用过程中也要不断监测，才能保障交通安全。所以一般都在火车或汽车上放几个探头，采取行进中监测的方法。对于高速公路还有一种超声仪器测量路面的平整程度。

• 超声测硬度

把一个纵向振动的超声换能器的尖端，用力压在被测物体表面，产生压痕。被测物体会对换能器的振动产生影响，换能器的共振频率会发生变化。被测物体硬度越小，压痕越深，对共振频率的影响越大。这样，通过换能器频率的变化情况，就可以知道被测物体表面的硬度。

• 厚度测量

当超声加在一块板上时，在一定频率下，板会发生共振，达到幅度极大。这时如果知道板材的声速，就可以测得板的厚度。反之，知道板的厚度就可以算出声速。测试结果精度可达到0.1%-1%。这种方法称为共振法。

脉冲回波法更适宜于测厚，是目前工业应用中最广泛的一种。利用脉冲在板件两个面间往返的时间，利用已知声速值来测量板的厚度。用这种方法可测从十分之几毫米到几十毫米厚的钢板。

• 液位和料位测量

一个大容器中液位或料位可以用超声的方法测量，其方法基本是脉冲往返时间的测量。不过在液位和料位测量中声脉冲传播距离比较远，在空气中或被测液体中声吸收都比较大，所以用的是频率比较低的超声。

• 超声温度计

有些介质温度太高，如汽轮机进气，火箭排气和汽缸中燃烧气体等温度高达2000℃，热核等离子区温度达到17000℃，普通的温度计早就化了。这时就要使用超声温度计。它不但可以测高温和某些特殊情况下的温度，而且反应迅速。

超声温度计的原理是利用介质的声速与温度有一定关系的规律，测量声速，算出温度。超声温度计实际上是声速计。当然，在测量高温时超声换能器也要加上水套，以冷却保护。

• 流速和流量的测量

在石油、化工工业的生产流程中，流量的可以使用超声进行测量。声在流动的液体中传播，顺流时传播速度为声速加流速，逆流时为声速减流速，所以可以用顺流和逆流声传播的时间差来测流速。在管子上放两对发射接收换能器，相对进行收发，测量两个接收换能器收到信号的时间差，就可以测出流速。

再有就是利用多普勒效应，在流体中传播的声波、频率会变化，其变化程度与流速和原来的频率有关。可以在上游和下游发出同样频率的连续声波，测量两处接收换能器收到信号的频率差，也可以测出流速。

•  超声粘度计

液体粘度不同，它的切变阻抗就不同，因此把换能器放在被测物体中，使换能器做切变运动。由于液体粘度大小不同，阻力也不同。换能器在受到阻力后，从它输入端电压电流的关系变化，可以测出阻力变化，因而也就测出粘度。

柴油和煤油声速不同，在石油分馏和运输中，哪一部分是煤油，哪一部分是柴油可以用煤油与柴油的声速差来确定。目前已有应用超声分油器实现在一个管道中输运几种不同的油品，这是用其他比重计解决不了的。

• 油和水能混在一起吗——超声乳化

谁都知道油和水不能混在一起，但是如果加上大功率的超声，过一会儿，油和水就混在一起，放置很久都分不开，这种方法叫超声乳化。乳酪、乳浆，还有医药工业和化妆品工业中现在广泛用超声制造各种乳剂型产品。汽油、煤油可以加少量水经超声波乳化，在一些燃烧过程中有节能、降低污染的效果。油煤浆、水煤浆在燃烧时可以节油，加上超声乳化之后，煤粉不易沉淀，使用起来更方便了。这是由于强超声造成空化，空化气泡的力量把液体分子和固体颗粒打碎，打成颗粒很细的质点，不同材料的质点就容易粘在一起，如油和水，就形成油包水或水包油的情况。

•  超声清洗

有些机械零件很小，但形状复杂，中间有孔、有穴、有管子，用溶剂、刷子都不易洗干净，这时就可以求助超声。把零件放在一个加上少许溶剂的罐子中，加上超声，很快零件就内外都洗干净了。这也是空化气泡冲击污垢，把污垢膜击碎，把污垢从物体表面剥离下来，并加快污垢的溶解。

• 超声粉碎

为了得到颗粒很细的粉末，通常使用球磨机，一磨几个小时。用超声对颗粒进行粉碎，比一般研磨法所得到的颗粒更小、更均匀。

• 超声搪锡

铝的表面有一层很薄很牢固的氧化膜，这给焊接或搪锡都造成很大困难。将铝件放在有熔融锡的槽中，加上超声振动，在超声空化效应作用下，可以除去铝件表面的氧化膜，并在未接触空气前就把锡牢固地附在铝的表面。不过在熔融锡中，超声换能器要加上冷却水套，加以保护。

• 超声加湿器

空气太干燥往往会引发各种呼吸道疾病，所以在北方冬季常常要给空气加湿。目前市面上出现的超声加湿器实际上是超声雾化器在强超声的作用下把水“打碎”成为水雾。这种水雾的水珠很细，直径只有几个微米，因此可以在很长的时间漂浮在空气中而不落下来。而且由于没有加热过程，所以不会影响室内的温度。

•  超声焊接

用超声可以焊接金属，也可以焊接塑料，某些难焊的特殊的稀有金属如钼、钛、铍等，在超声作用下也能焊接，所以在核工业、空间技术等领域中可能开发更多的应用。由于它具有基本不发热、不变形、不产生残余应力等特点，所以在焊接晶体管和集成电路芯片中的引出线等有较大的优越性。

•  超声马达

超声马达是把电能转化为机械振动，然后再利用定子与转子之间的摩擦力使转子转动。超声马达与电马达相比，有转速低、力矩大、反应速度快、定位精度大、体积小、功率密度大、没有磁干扰、便于控制等优点。由于这些特点使其在机器人、计算机、仪器仪表及其他高技术产品中有很大的应用前景。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 声表面波器件

电磁波传播速度比声波在固体中的表面波速度要高六个数量级。因此在微波波段，声表面器件延迟线的长度也就比电延迟线短得多。声表面器件使用大规模集成电路的表面工艺，制造简单、造价低、效果好，因此发展了多种声表面波器件，包括延迟线、滤波器、相关器等，在电视、通信、广播、雷达、遥测遥控、电子对抗中应用很广。

中国科学院声学研究所研制成功多种声表面波滤波器组件，这是由多个声表面波滤波器和组合网络或开关电路组成的一路输入、多路输出的组件，主要应用于频谱分析和抗干扰滤波。声表脉压器件能够实现调频展宽和压缩，增强雷达探测的分辨率。

 多通道多界面超声无损检测

中国科学院声学研究所在这一领域的主要研究工作包括：

1．研究各模式声波在各种界面和夹层界面的传播特性，发现反映粘接质量和界面特性的物理参数与声学量的关联规律。

2．发展反映界面粘接特性信号识别的处理方法。

3．研制出验证理论、发展技术所需要的各种专用换能器。

4．建立起一套多维、多通道的超声检测设备系统。

超声无损检测涉及到所有的工业部门，其中多界面粘结检测是世界性的研究课题,其中包括金属/金属、金属/非金属及非金属/非金属等各类粘接结构。如专用车辆的壳体/消声层界面；飞机的铝蒙皮/衬层/蜂窝各界面；各种管道、部件、复合材料的壳体/消声层/减噪层/绝热层/防腐层界面等的粘结检测。