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第7章 神奇的超声技术(3)

超声技术在最近十几年也广泛应用于材料加工和材料制备领域。利用声空化技术,可以制造出具有高强度、低密度的金属“海绵”,也可用于塑料工业中进行发泡处理。另外,随着纳米材料和纳米技术的迅猛发展,超声技术也广泛地应用于纳米技术中。

利用超声波的高能量及短波长的特性,可以制造纳米粉及超微粉。还可以利用超声波将纳米材料均匀分散在基体中制备纳米复合材料。

移动电话机里的超声

超声的实用性发展紧密地依靠电子学的发展,换能器的运用无不依赖电子技术,可是通过人们的不断创新,超声也可以反过来为电子学服务。尤其超声延迟线的应用以及将超声波从体声波引入到声表面波,促使超声迅速地大规模进入电子世界,触发了超声学中一门新的分支——超声电子学的骤然兴起。

1.超声延迟线

在第二次世界大战期间,人们在雷达和计算机的应用中,有时需要把电信号延迟一两个毫秒,而用电传输线一般只能延迟几微秒。有人便想到声波的小声速。因为声波的传播速度比电磁波的速度慢5个数量级,所以可以用超声信号来延迟电信号,于是制作了超声延迟线。

如图18所示,在长方形的压电薄片(称基片)表面上的两端各自沉积两条金属电极,电极间的压电材料隔出来作换能器,而把两个换能器之间的压电基片留作载声介质。

超声延迟线所延迟的不是超声信号,而是电信号。它是通过将接收到的电信号变成声信号在介质中传播后再将声信号变成电信号,最后输出的仍是同相貌的电信号,只不过延迟了。这种应用非常广泛,如在电视机线路中梳状滤波器的关键部件就是超声延迟线,以实现色度信号的分离。

2.实现电子器件小型化

我们所谈的声波,一般是指在载声介质的内部传播,是一种充塞传播路程中的介质内部区域的声波,称之为体声波。体声波可以有两种传播形式,即“横波”和“纵波”。在气体和液体里,只能传播“纵波”,而在固体内比较复杂,既可传播纵波,也可以是横波。人们通过对压电换能器和超声延迟线的研究,引用了平面工艺之后,得到了声表面波。

如图19所示,在压电片(晶体)的表面上淀积电极,给电极上加电压时,两电极之间的电场并不限于出现在介质的表面,而会渗透到介质的表面浅层,则在压电基片的表面浅层引起了相应的从压电效应引发的声波,叫声表面波。

声表面波具有如下性质:

①传播速度只与介质性质有关,与频率无关,所以是非色散的;

②在晶体中一般质点振动方向既不与传播方向平行,也不与传播方向垂直;

③声表面波的能量集中在表面层内,沿深度方向迅速衰减,在1~2个波长后基本消失。

20世纪60年代诞生了利用声表面波制成的器件。因为声表面波具有较低的传播速度和极短的波长,是同频率电磁波波长的10-5倍,所以声表面波器件的尺寸是相应电磁器件尺寸的10-5倍,这表明声表面波技术能实现电子器件小型化。

3.移动电话机里的声表面波器件

在利用声表面波器件替代电子器件的发展过程中,研究工作者们不断探索,提出了许多很新颖的思路,如用叉指换能器来塑造信号波形。叉指换能器实际上是换能器“阵”,其上下两排电极像两排手指相互交叉相互连接成两端器件,因此叫“叉指换能器”,如图20所示。

当交变激励电压加到叉指换能器两电极上时,基片内建立起交变电场,因基片为压电材料,经逆压电效应,基片内激发起弹性振动,弹性振动在基片内传播形成弹性波,由于叉指电极为周期排列且极性正负交替,因此各电极对激发的弹性表面波互相加强。

叉指换能器激发的声表面波强度随叉指电极对数N的增加而增加,N越大激发越强。叉指换能器不仅像体声波换能器那样,把电信号转换成同波形的声信号,还能够经过适当设计,把电信号转换成不同波形的声信号,即担负了电声转换职责,又可以起改变电信号波形的作用,因此利用声表面波和超声叉指换能器制备的声表面波电子器件,已成为国内外的研究和应用热点。

因为声表面波是沿着基片在发射和接收两个接触器之间奔跑,可为声表面波增添导向机制,在有限的基片上设计许多跑道。这样既节省耗材,又减小所占用空间,随着半导体集成电路的发展,以及人造晶体的出现,人们对声表面波器件,愈来愈青睐,并在技术上取得更大突破,我国于20世纪70年代开始研制声表面波器件,现在声表面波已形成产业。

由于声表面器件具有体积小、质量轻、损耗小、设计灵活、容易制作、加工精度高、能批量生产、一致性高、成本低廉等许多优点,迅速应用于小型化的长时延迟线、滤波器、谐振器、振荡器、电码发生器及各种程序器、传感器、储存器件,形成许多形形色色的电子器件。

声表面波器件的最广泛应用是作为电滤波器和延时器。声表面滤波器是在一块具有压电效应的材料基片上蒸发一层金属膜,然后经光刻,在两端各形成一对叉指形电极组成。当在发射换能器上加上信号电压后,就在输入叉指电极问形成一个电场使压电材料发生机械振动(即超声波),以超声波的形式向左右两边传播,向边缘一侧的能量可由吸声材料所吸收。在接收端,由接收换能器将机械振动再转化为电信号,并由叉指形电极输出。

目前一台彩电中就有十多只声表面波延时器和滤波器,移动电话机里也用上了声表面波滤波器,图21所示为移动电话机中实用的几种声表面波中频滤波器外形照片。

超声马达

超声马达是一种新型电机,它主要是由压电材料或电致收缩材料制成。1973年V.V.拉夫仁科和H.V.巴兹首先提出了超声马达的模型,1980年后超声马达得到了迅速发展。

超声马达是利用逆压电效应在弹性体中激发某种类型的超声频率振动波时,弹性体表面借助于摩擦力,推动与其接触的物体运动,它比电磁马达有更多优点:一是体积小、响应快;二是转速低、转矩高;三是既不受磁场和放射线的影响,也不产生磁干扰,所以超声马达被认为在计算机、机器人、宇航、仪器仪表等方面有广阔的应用前景。

目前制作的超声行波马达已成功用于照相机自动调焦系统及送纸结构。但是由于超声马达靠摩擦驱动,目前还不能替代大功率的电磁马达。

(七)其他声学技术

前面所讲的超声是声学中的重要应用,声学还有其他广泛应用,如声呐技术、声纹识别技术、声悬浮技术等,下面做简单介绍。

声呐技术

声呐的原意是指“声波导航和测距”,最早用于在军事上进行水下侦察。

声波是目前已知的惟一能在水中远距离传播的波动,故声呐作为有效的水下遥测技术而得到广泛应用。现在除军事用途外,已成为航舶导航、海底地质勘测、石油勘测和鱼群探测等有效的水下探测设备。

现在大家都知道,豪华巨轮泰坦尼克号因撞击冰山而沉没的故事,那么如果当时有了声呐技术,早些发现冰山,就不会发生这样的悲剧。

1.磁致伸缩换能器

声呐是由反射体、换能器、接收机、显示器和控制器等几个部件构成。声呐系统中的换能器是专门用于电声相互转换的装置,分为发射和接收两类。

声呐换能器有不同的结构和形状,它主要是利用材料的两种效应,一是金属的磁致伸缩效应,二是晶体的压电效应。

利用压电效应制作换能器,前面已介绍过。下面介绍磁致伸缩换能器。所谓磁致伸缩效应是指某些物质在磁场作用下发生伸长(或缩短)的变形。如图21所示,在一根铁磁性材料制成的管(或片)外,绕上线圈,通以交变电流时,磁场大小则随着时间改变,磁场增强时,镍管缩短;磁场减弱时,镍管伸长,所以总是随流过线圈电流的变化而不断伸缩,利用这种效应就制作了磁致伸缩换能器。声呐技术常采用这种换能器。

2.潜艇的“眼睛和耳朵”

声呐在军事上有很重要的应用,如搜索敌方潜艇、探测水雷、鱼雷、海洋里的沉船,还可以进行海底警戒,海岸声呐站就是隐蔽在海底的观察哨。

据说美国的“凯撒-柯罗劳士”系统是一种设置在美国东西海岸的防潜预警系统。它有几百到几千个换能器基阵,布放在海中不同的深度处,分别通过海底电缆与岸上的数据处理中心相连,由一台大型计算机负责处理送来的各种声音信号,从中发现和跟踪潜艇,其警戒范围能达到数百公里。另外声呐对于隐蔽在水下活动的潜艇来说至关重要,如果没有声呐,潜艇就像聋子和瞎子,声呐就是它的“眼睛和耳朵”。

声纹识别技术

所谓声纹(voice print)是用电声学仪器显示的携带语言信息的声波频谱。声纹识别技术是基于每个人的声音特征(声纹图谱)都是惟一而且几乎很少会发生变化的特性,进行个人身份识别的。

从20世纪60年代开始,声纹识别技术被广泛地进行研究,并应用到了电话查询、电话交易、个人身份证明乃至侦察技术等诸多领域。

如在传统的呼叫中心系统中,通过声纹识别技术进行用户身份识别,可以提高呼叫中心的工作有效性;在通过电话进行交易的系统中,如电话银行系统、商品电话交易系统、证券交易电话委托系统,采用声纹识别技术来进行交易者身份识别与确认,用户的声纹是惟一的,可以通过简单地说几句交易系统指定的话进行身份确认,提高了交易的安全性,大大降低了用户名和密码被猜中或者被窃取或被欺诈的可能性;声纹识别技术应用到PC以及手持式设备上面,可以无需记忆密码,保护个人信息安全,大大提高系统的安全性,方便用户使用;把含有某人声纹特征的芯片嵌入到证件之中,可用于信用卡,银行自动取款机,门、车的钥匙卡,授权使用的电脑,声纹锁以及特殊通道口的防伪身份卡;与二维条码技术相结合的防伪技术,在国外已广泛应用在国防、公安、交通运输、医疗保健、工业、商业、金融、海关及政府管理等领域。

声悬浮技术

声悬浮技术是在重力或微重力空间利用强声场的辐射压力与物体重力相平衡,而使该物体稳定地悬浮在声场中或在空中移动的技术。

声悬浮技术简单易行,没有明显的机械支撑,几乎对客体没有附加效应,从而为熔炼超高纯度固体材料和研究流体和生物体的力学性质提供了一种崭新的技术,在物体学、流体力学、生物学、航空领域将有非常广阔的应用前景。

有人曾利用此技术测定了液体的抗张强度,研究液体中声空化及声致发光的动力学性质,测定亚稳态液体(过热或过冷)及红血球细胞的力学性质;研究悬浮液滴的各种振动模式和液体的黏滞特性等。

利用声悬浮及雾化技术可以将塑料或石蜡均匀地包敷在微玻璃球表面。美国宇航局在航天飞机中利用此技术熔炼了高纯度的固体材料。

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