声学是一门渗透性很强的学科，在众多领域有广泛的应用。特别是超声技术，是声学领域中发展最迅速、应用最广泛的现代声学技术。随着电子技术的发展大大推动了超声在探测及材料加工领域的应用。人们利用超声波的传播能量大、方向性好以及在介质界面上具有反射、透射特性，仪器轻便、灵活、高效等优点，使这项神奇的技术不断开拓、发展，造福于人类。
（一）超声现象
自然界中的超声现象
声音的主要特征之一是音调的高低，音调高，其声振动的频率高，但当频率增加到两万赫兹以上时，人反而听不到任何声音了，人们把这种“听不见的声音”称为超声。
大约在19世纪30年代，人类发现超声以后，才知道自然界中的某些动物早已会“说”超声、“听”超声和利用超声了。我国特有的白鳍豚也是使用超声的能手。研究人员发现白鳍豚不仅发射超声，还发射普通的可听声。当白鳍豚和它的同类通话时，采用的是人类所用的可听声，而在探路、觅食、避敌时却使用超声。人类“听不见”超声，只有用仪器才能检测出来。那么超声和普通声音有什么区别？为什么一种能听见，一种听不见？
19世纪的早期，人们通过一些实验，终于弄清楚人类所发声的频率局限于一定的范围，人类不仅自身发不出频率特低或频率特高的声音，而且也听不见这些声音。频率低于20Hz的声音，人们听不见，称为次声：高于20000Hz的声音，人们也听不见，称为超声。介于两者之间是人们能听到的声音频率范围，称可听声。声波的频率范围如图10所示。
由此可见，超声是很普通的声音，只是它的频率高一些，由于人耳的毕理结构，对于这种高频的“声音”听不见。但是超声的高频率却给超声带来一些附加的、派生的性能，带来一些超常的本领。如超声容易形成窄小的声束，能够发出一束声，而且可以规定这束声的发射方向，这样，就很容易判断，哪个方向有回声，则哪个方向就有障碍物。所以，白鳍豚利用发射的超声来探路、觅食和避敌。另外，自然界中的蝙蝠、老鼠、蚱蜢、蝗虫等动物也跟超声有缘，都能发射和利用超声。如蝙蝠(蝙蝠是利用超声技巧非常高超的动物)的超声定位原理被广泛应用于现代雷达中。
超声波的特征
超声波具有以下特征。
①超声波频率高，波长短，容易聚成细波束，具有很好的直线定向传播的特性。声波发生衍射现象时，其发散角，由下式决定sinθ＝1.22γD。
式中，D为发射声波圆片的直径；γ为波长。可见，波长γ越短，发散角就越小。由于超声波的频率高，波长短，所以发散角口也小，便于定向发射以寻求目标。如果发射的超声频率越高，方向性就越好，导向能力越强。如蝙蝠可发射80kHz的超声，它的耳朵可接收到从0.1mm的金属丝反射回来的波。
②高频的超声波，具有较大的功率。超声波的能流密度，即声强I由下式决定I=ρuA2ω2。
式中，ρ为介质体密度；u为声速；A声波为振幅；ω为声波频率。声强与其频率的平方成正比，所以超声波的功率一般很大，也与其频率的平方成正比。近代超声技术能够产生几千瓦的功率，如用聚焦超声波的方法，可以在液体中产生声强达120kW·cm-2的大幅度超声波。另外，利用声聚焦透镜，还能在局部得到更大功率的超声束，这种超声振动的作用力很大，可用来对硬性材料进行超声加工。
③超声波与目标或障碍物相遇时，衍射作用小，反射波束扩散也小，便于接收以探测目标。
④超声波是一种弹性振动的机械波，可进入任何弹性介质材料，不论气体、液体或固体，包括人体，而且不受材料的导电性、导热性、透光性等的影响。这些特点使超声波检测具有广泛应用。
⑤超声波在物体中的传播与介质材料的弹性密切相关。超声波在传播过程中遇到介质弹性情况发生变化时，则在界面处会产生波的反射和透射。医学上所用的B超正是通过测量这种反射的超声波来了解人体内脏器官的病变情况，具有无损伤、断层检测的优点。
⑥超声波在固体、液体中传播时衰减很小。超声波在空气中衰减较快，而在固体液体中衰减很小。如5kHz的超声波透过约5cm的空气后声强衰减1％而透过1m多的钢才能衰减1％，可见高频超声波很难透过气体，但极易透过固体，这正好与电磁波相反，因此在海洋中应用超声波最为适宜。常用它探测水下目标，如侦察潜艇、海底暗礁和寻找鱼群等。
（二）超声波的发射与接收
声波与振动
声波的本质是机械振动的传播，因此产生声波的声源可以是一个机械振动源。声学的基本理论在于研究振动与波的传播。
如果质点振动的方向与波的传播方向相同，就称为纵波。如果质点振动方向和波的传播方向垂直，就称为横波。在气体和液体中，由于介质只有体变弹性，而没有切变弹性，所以在流体中只能传播纵波。在固体中除了可以传播纵波之外，还可以传播横波。可闻声波在空气中的传播是典型的纵波(见图11)。
一般情况下只要能在介质中产生超声振动就能产生超声波。超声的传播速度决定于介质的弹性模量和密度。
超声的获得
1.压电效应
将某些单晶材料沿一定的方向切割成片，当有交变机械力作用在晶体薄片上引起厚度发生变化时，就能使晶体薄片两面产生异号束缚电荷，束缚电荷的多少与所受压强成正比，从而将机械振动转变为电振动，这种现象称为压电效应，也称正压电效应(见图12)。
与上述情况相反，如果将压电材料置于高频交变电场中，则压电材料将按电场变化的频率发生伸缩的振动形变，称为逆压电效应。当这种振动频率超过了20kHz，便产生超声波。压电效应可用简单的方程式来描述：
正压电效应VR=gtp
逆压电效应(△t)T=dVT
这里，p是传来声波的声压；t是片厚；VR是由声压在压电片上产生的电压；vT是外加电压；(△f)T是压电片因电压VT产生的厚度变化；g和d是比例常数。压电片是指由压电单晶按特定规格切割出来的片子。
2.压电材料
哪些材料具有压电效应，哪些材料可以是压电材料？其实，这类材料很常见。如丝、羊毛、木料、骨头等，不过它们的压电效应很微弱，早期发现的一些特殊单晶体，其压电效应足够强，可以用作超声发生器，如石英单晶。
1917年4月法国物理学家朗之万第一次就是利用石英单晶获得了频率为150kHz的超声。目前使用的压电材料已大大改进，广泛应用人工制造的压电陶瓷。陶瓷比单晶有很多优点：陶瓷生产工艺简单，成本低，易于制成多种式样、大小不同的元件，如用得较多的是锆钛酸铅(简称PZT)。用多个条式压电陶瓷片列成一横排而成为阵列，构成多阵元探头，配上适当的电子线路，就成为医院里用的B超仪。压电材料的另一项进展是把高聚合物薄膜转化为压电材料，这类压电材料性能优越，生产工艺简单。
3.超声发生器
现代超声发生器主要由两部分组成，如图13所示。一部分是高频(超声频)发生装置，通常由电子电路组成，其主要功能是产生超声频电振荡。另一部分是换能器，它的主要功能是使超声频电振荡转变为超声频机械振动，即达到产生超声振动的目的。
为了使用方便，通常把压电片连同附加元件包装起来，就变成超声探头或超声换能器。超声换能器既能产生超声，又能接收超声，可以将声能和其他形式的能量（如电能、磁能等）互相讲行转换。韶声换能器的种类很多，图14是一种比较典型的一种超声探头。图中压电片的后面有背衬，是为了让压电片不仅从前面辐射声波，也从后面辐射声波，从而进一步加宽压电片的频带。
（三）超声的医学应用
超声诊断的物理基础
超声诊断的物理基础是超声的界面反射，超声的反射决定于介质的声阻。因为超声波在介质中是以纵波形式传播的，当超声经过介质时，可使介质产生时而密集、时而稀疏的周期性变化，从而引起介质内部的压强作相应的变化。
介质中某处有声波传播时和无声波传播时的压强差叫该处的声压，声压与介质质点振动速度之比叫作声阻，由理论计算可知：
Z=Pνρu(11-5)
式中，z为声阻；p为声压；ν为质点振动速度；ρ为介质密度；u为声速。
由式(11-5)可知，介质的密度不同，声阻就不同。当超声波经过两相邻组织的界面时，只要声阻相差0.1％，即可产生反射。人体组织和器官是一个复杂的超声传播介质，其声学性质各异，因此就有各自不同的声阻界面和固有的反射规律，一旦发生病变，如炎症、纤维化、肿瘤、积液等造成声阻改变时，即产生新的界面，从而改变了原有的反射规律。
超声诊断的原理
由于超声诊断无损害、无痛苦、报告及时等优点，在医学界已广泛用于诊断肝、脾、胆、胰、肾、颅脑、甲状腺、心脏等各种组织脏器的疾病，与x射线透视、CT等诊断互为补充，并正在发挥越来越大的作用。简单说，超声诊断的基本原理是脉冲回声原理，通过接收到的超声回波情况来进行诊断。
正常人含液器官，如充盈的胆囊和膀胱、心脏及大血管等或病理性液化病变如体腔积液、组织器官的囊肿、血肿、脓肿及有腔器官的液体贮留，如果液体是均匀的，则无声阻差，液体中间无界面反射，超声探查时，出现一无回声区。
正常实质脏器如肝、脾、胰、肾等仅有少数反射界面，故仅显示少数反射波或反射光点，一旦这些脏器发生病变，就会改变原有的回声特点，即反射界面增多，显示为反射波或反射光点密集。
因空气与组织的声阻相差4000倍，故正常含气器官如肺、胃肠道可产生全反射或逐渐衰减的多次反射波形。当含气器官发生实质性病变时，则原来多重反射消失，被实质反射所代替。
炎症、充血和肿瘤等病变组织，由于组织肿大，增加了声路的长度。病变结构增加了反射界面及声能的过度分散、消耗，而使出射波明显衰减或消失。
计算出从发射脉冲开始到回声返回探头之间的时间，即可正确地读出探头与反射界面问的距离。这一原理可用于测量器官的大小和病变发生的部位、范围。
超声诊断
1．超声显像
家喻户晓的B超是超声成像的典型例子，它是利用超声波将人体内部的某些器官或异物如体内的肿瘤或胆囊内的结石等显示成像，来帮助医生诊断。
B型超声仪一般采用几兆赫兹的声波频率，横向和纵向分辨率都可以达到毫米数量级。它采用的是B型成像方式，这种方式得到的是与声传播方向平行的平面上的图像。诊断仪的部件一般包括同步、发射和接收、扫描、放大电路、换能器、显示器和机械同步等部分。
发射器的电信号通过换能器转换成超声波并射入到人体内，超声波在人体内的传播过程中，如果遇到声阻抗不同的组织，就会发生反射，换能器将接收到的反射声信号转换成电信号，再经放大处理后送到显示器形成图像。
为什么选用超声诊断？我们平常习惯于在空气中听声音，其实声波可以钻进任何物质，而且钻到一定深度可以进入液体和固体，也可以进入人体。但是，由于空气的声阻很大，为了将超声波导人体内，通常在探头与人体皮肤之问涂一些甘油作为耦合剂。
为什么用超声显像？是因为检测人体器官需要成束的声波，高频的超声波能得到很细的声束，具有很强的方向性。超声本质上是一种波动，当超声波入射到一个物体的表面或内部结构上时，由于在表面上的声阻抗变化(介质变化)或由于内部结构的不均匀性表现出的声阻抗的不均匀性，超声波会按一定规律发生反射或透射。这些反射波和透射波带有介质变化的信息。如果把反射或透射的声波接收下来，就可以用某种方式得到表面的结构或内部结构的像，经过适当的处理就可以把像显示在荧光屏上。
2．利用超声显示血流速度及运动情况
人体全身充满着血管，血流速度和血流运动的信息的测定，对于脑循环、心血管疾病的诊断是非常重要的。通常的B超不能提供血流运动的定量信息。
20世纪50年代，人们开始将多普勒效应应用于医学。到了80年代人们利用超声多普勒技术成功地测量了血流速度，实现了体外就可进行血流的无损测量。
多普勒效应是19世纪的科学家多普勒首先从光波的现象中发现的。因为波源与观察者有相对运动速度而引起频率改变的效应就叫多普勒效应。后来有人注意到，这种现象也适用于声波。
我们知道，血液里有红细胞，血液流动时红细胞也流动。当有超声辐射红细胞时，红细胞会反射超声。当超声波被流动的红细胞反射时，接收到的反射波频率与入射频率不一样。有频移现象，而这种频率变化的大小依赖于反射体(血流)运动的快慢。如图15所示，若由超声发射探头(换能器)发射的频率为ν1，的超声波，被流动的血流反射后，由超声接收探头接收到的超声波频率为ν2，血流速度为ν1在实际应用中，一般将图中的超声发射探头与超声接收探头靠得很近，认为θ1≈θ2≈θ，则θ为超声束与血流运动方向的夹角，超声波在人体组织中传播的平均速率为u，则多普勒频移为。
△ν=ν2-ν1=2ν1νucosθ
从式(11-6)可以看出，△ν不仅同ν成正
比，而且同cosθ成正比。如果自在0°～90°之间，即血流方向朝向探头，△ν为正。如果θ在90°～180°之间，即血流方向是背离探头，△ν为负。根据这个关系，人们设计实现了一种非常生动的显示方法，显示出血流的大体方向和大体速度及平稳性。在实际应用中是利用测试到的△ν来推算出血流速度ν，即ν=u2ν1cosθ△ν。
实际测量的频移△ν与入射频率ν1之比约为10-4～10-6，可见要求测量仪器有较好的灵敏度，若u=1500m/s，可得到血流速度ν约为10-1～10-3m/s。
在人体中多普勒效应不只出现在血管或心脏中的血流中，它对任何运动着的器官都存在。应用超声多普勒效应，可以研究心脏的运动、测量胎儿的心音等，以监护胎儿的健康成长。
超声治疗
超声治疗是继超声诊断之后，发展起来的，尤其是近几年，超声治疗技术得到迅速发展。如超声乳化治疗白内障，使大量失明的患者重见多彩的世界。它是通过超声波破碎晶状体中心的白内障，医生用此方法做手术时，比普通白内障手术切口小，减少撕破囊膜的风险，并且不用等到白内障“成熟”，患者基本失明的时候，才能做这个手术。在国外，患者在晶核还软时便可以做超声摘除手术。
利用超声的高频振动，从体外粉碎肾结石、胆结石，改变了多年来手术取石的办法，是十分重要的创举。也可用超声波击碎血栓，减少血液流动的障碍。
