无声无形却可探索世界的超声波

杨剑 马将

在八年级《物理》中，我们通过学习知道了声音是以波的形式传播的。但你知道吗？这个世界上还有一种我们听不见的声音——超声波。虽然听不见，但超声波离我们的生活并不遥远。

我们每天都可以听到来自周围的各种声音，可当声波的频率超过20000赫兹（Hz）后我们再无法听见，这种声波被称为超声波。超声波和我们日常听见的声波具有相同的本质属性，区别在于频率高低不同。超声波传播时具有方向性强、能量易于集中、传播位移足够大等优势。

既然我们听不见超聲波，那超声波是如何被发现的呢？有这么一个有趣的故事。一位名叫拉扎罗·斯帕拉捷的科学家发现蝙蝠在黑夜里仍可以灵活地飞翔、捕食，于是对蝙蝠做了一系列实验：蒙住蝙蝠的眼睛、堵上蝙蝠的鼻子、在蝙蝠的身上涂抹油漆，但都未能影响蝙蝠的飞行能力。最后，当蝙蝠的耳朵被堵住时，蝙蝠再也无法潇洒自如地飞行，变得四处磕磕碰碰，很快落在地上。斯帕拉捷这才明白，原来蝙蝠是靠声音“观察”环境和躲避障碍的。

通过继续深入研究，人们发现，蝙蝠可以通过喉咙发出极高频率的超声波，超声波沿着一条直线迅速传播，遇到物体后就像手电筒的光照射到镜子上一样被反射回去;而蝙蝠的耳朵可以接收到人耳无法接收到的超声波信号。蝙蝠就是依靠这种人类无法听到的超声波在黑夜中畅行无阻的。

不止蝙蝠，自然界中还有其他的超声波高手。例如海豚，就能够利用它们呼吸孔下面的气囊发出超声波，鱼群反馈回的超声波是捕食的信息，同类发出的超声波可以用来交流，障碍物反馈回的超声波则可用于探测周围环境。此外，还有不少动物能够发出或者听到超声波，例如大象、水母等。

科学家模仿自然界中的超声波现象，用超声波装置发出超声波信号，当信号遇到传播介质中的其他物体时，就会反射回来。接收记录反馈回的超声波的时间间隔、方位，便可测出目标的方位和距离。依据这个原理科学家们设计出了声呐系统。

延伸阅读

超声波清洁工

超声波不仅有这么多“高大上”的用途，其实还是一位“上得厅堂，下得厨房”的清洁工。超声波清洗机的原理是通过超声波使清洗水槽中的清洗液和其中的微气泡产生连续的机械振动。这些微气泡就像许多小刷子，来回冲击污垢，使污垢杂质疲劳损坏，进而脱离清洗件表面。超声波清洁效率可达到98%以上，是目前世界上公认的最有效的清洁方法。

超声科学先锋队

随着科学技术的日新月异，超声波技术距离人们的生活越来越近，使用范围也越来越广。在军事领域，潜艇模仿海豚，通过潜艇上的声呐系统发出的超声波来探测水下目标。由于超声波在液体中衰减极小，故在伸手不见五指的深海中也可实现远距离监测，是迄今为止最有效的深海探测方式。另外，超声波还可应用于武器。超声波武器发射的高频声波可以在一定程度上引起强气压，并造成人体视物模糊、恶心等生理反应。

在科研领域，有一种名叫非晶合金的新型材料在电阻焊接时易发生晶化、氧化，此时超声波焊接就体现出了它杰出的优势：传统的电焊工艺需要靠高温熔化来实现两个工件的结合;使用超声波进行焊接，只需要保持一定的压力，利用超声波连续振动使被焊接的上下工件产生摩擦、形变，就能使结合面处的温度上升。这种技术实现了不熔化的固体焊接，有效地避免了电阻焊接过程中产生的飞溅和氧化现象。

在最新款的高端智能手机中，非晶合金被用作屏幕旋转结构的鹰翼铰链，由此可见该材料的特殊之处。科研人员最新发现，利用超声波技术，可以实现非晶合金的室温制造与成型，完全突破了传统的制造与成型方法，在该领域中引起了广泛关注。

抗疫前线的超声波身影

2020年新冠病毒在全球肆虐，作为阻断病毒传播路径必不可少的医疗用品，口罩在各国成为供不应求的硬通货。而防护效果最好的KN95口罩，也与超声波有关。

超声波焊接技术是KN95口罩自动化生产线核心组成部分。KN95口罩由5层到6层无纺过滤布、鼻梁条、耳带等组成。KN95口罩自动化生产线则由无纺过滤布上料机构、鼻梁条超声波焊接机构、耳带超声波焊接机构和口罩折叠机构等组成。以耳带焊接机构为例，它利用超声波传输的高频振动使口罩的耳带与无纺过滤布表面相互摩擦，产生局部高温，从而使无纺过滤布与耳带熔合。超声波停止之后，继续保持一段时间的压力，使连接处固化成型，这样焊接后的强度接近原材料的强度。

此外，KN95口罩上面的压痕、封边、鼻梁线的装配也都是通过超声波焊接工艺来完成的。大家不妨拿一个KN95口罩，摸摸衔接处，感受下超声波焊接技术的实战成果吧。

（来源：《知识就是力量》 有删减）