超聲檢測發(fā)展簡史

1、聲學發(fā)展簡史(2007-05-13 11:03:14)   聲學是研究媒質中機械波的產生、傳播、接收和效應的物理學分支學科。媒質包括各種狀態(tài)的物質，可以是彈性媒質也可以是非彈性媒質；機械波是指質點運動變化的傳播現象。聲學發(fā)展簡史聲音是人類最早研究的物理現象之一，聲學是經典物理學中歷史最悠久，并且當前仍處在前沿地位的唯一的物理學分支學科。從上古起直到19世紀，人們都是把聲音理解為可聽聲的同義語。中國先秦時就說“情發(fā)于聲，聲成文謂之音”，“音和乃成樂”。聲、音、樂三者不同，但都指可以聽到的現象。同時又說“凡響曰聲”，聲引起的感覺(聲覺)是響，但也稱為聲，這與現代對聲的定義相同。西方國家也

2、是如此，英文的的詞源來源于希臘文，意思就是“聽覺”。世界上最早的聲學研究工作主要在音樂方面。呂氏春秋記載，黃帝令伶?zhèn)惾≈褡髀?，增損長短成十二律；伏羲作琴，三分損益成十三音。三分損益法就是把管(笛、簫)加長三分之一或減短三分之一，這樣聽起來都很和諧，這是最早的聲學定律。傳說在古希臘時代，畢達哥拉斯也提出了相似的自然律，只不過是用弦作基礎。1957年在中國河南信陽出土了蟠螭文編鐘，它是為紀念晉國于公元前525年與楚作戰(zhàn)而鑄的。其音階完全符合自然律，音色清純，可以用來演奏現代音樂。1584年，明朝朱載堉提出了平均律，與當代樂器制造中使用的樂律完全相同，但比西方早提出300年。古代除了對聲傳播方式的認

3、識外，對聲本質的認識也與今天的完全相同。在東西方，都認為聲音是由物體運動產生的，在空氣中以某種方式傳到人耳，引起人的聽覺。這種認識現在看起來很簡單，但是從古代人們的知識水平來看，卻很了不起。例如，很長時期內，古代人們對日常遇到的光和熱就沒有正確的認識，一直到牛頓的時代，人們對光的認識還有粒子說和波動說的爭執(zhí)，且粒子說占有優(yōu)勢。至于熱學，“熱質”說的影響時間則更長，直到19世紀后期，恩格斯還對它進行過批判。對聲學的系統(tǒng)研究是從17世紀初伽利略研究單擺周期和物體振動開始的。從那時起直到19世紀，幾乎所有杰出的物理學家和數學家都對研究物體的振動和聲的產生原理作過貢獻，而聲的傳播問題則更早就受到了注意

4、，幾乎2000年前，中國和西方就都有人把聲的傳播與水面波紋相類比。1635年有人用遠地槍聲測聲速，以后方法又不斷改進，到1738年巴黎科學院利用炮聲進行測量，測得結果折合為0時聲速為332米/秒，與目前最準確的數值331.45米/秒只差0.15%，這在當時“聲學儀器”只有停表和人耳和情況下，的確是了不起的成績。牛頓在1687年出版的自然哲學的數學原理中推理：振動物體要推動鄰近媒質，后者又推動它的鄰近媒質等等，經過復雜而難懂的推導，求得聲速應等于大氣壓與密度之比的二次方根。歐拉在1759年根據這個概念提出更清楚的分析方法，求得牛頓的結果。但是據此算出的聲速只有288米/秒，與實驗值相差很大。達朗

5、貝爾于1747年首次導出弦的波動方程，并預言可用于聲波。直到1816年，拉普拉斯指出只有在空氣溫度不變時，牛頓對聲波傳導的推導才正確，而實際上在聲波傳播中空氣密度變化很快，不可能是等溫過程，而應該是絕熱過程。因此，聲速的二次方應是大氣壓乘以比熱容比(定壓比熱容與定容比熱容的比)與密度之比，據此算出聲速的理論值與實驗值就完全一致了。直到19世紀末，接收聲波的“儀器”還只有人耳。人耳能聽到的最低聲強大約是1012瓦/米2，在1000Hz時，相應的空氣質點振動位移大約是10pm(1011米)，只有空氣分子直徑的十分之一，可見人耳對聲的接收確實驚人。19世紀中就有不少人耳解剖的工作和對人耳功能的探討，

6、但至今還未能形成完整的聽覺理論。目前對聲刺激通過聽覺器官、神經系統(tǒng)到達大腦皮層的過程有所了解，但這過程以后大腦皮層如何進行分析、處理、判斷還有待進一步研究。音調與頻率的關系明確后，對人耳聽覺的頻率范圍和靈敏度也都有不少的研究。發(fā)現著名的電路定律的歐姆于1843年提出，人耳可把復雜的聲音分解為諧波分量，并按分音大小判斷音品的理論。在歐姆聲學理論的啟發(fā)下，人們開展了聽覺的聲學研究(以后稱為生理聲學和心理聲學)，并取得了重要的成果，其中最有名的是亥姆霍茲的音的感知。在封閉空間(如房間、教室、禮堂、劇院等)里面聽語言、音樂，效果有的很好，有的很不好，這引起今天所謂建筑聲學或室內音質的研究。但直到190

7、0年賽賓得到他的混響公式，才使建筑聲學成為真正的科學。19世紀及以前兩三百年的大量聲學研究成果的最后總結者是瑞利，他在1877年出版的兩卷聲學原理中集經典聲學的大成，開創(chuàng)了現代聲學的先河。至今，特別是在理論分析工作中，還常引用這兩卷巨著。他開始討論的電話理論，目前已發(fā)展為電聲學。20世紀，由于電子學的發(fā)展，使用電聲換能器和電子儀器設備，可以產生接收和利用任何頻率、任何波形、幾乎任何強度的聲波，已使聲學研究的范圍遠非昔日可比。現代聲學中最初發(fā)展的分支就是建筑聲學和電聲學以及相應的電聲測量。以后，隨著頻率范圍的擴展，又發(fā)展了超聲學和次聲學；由于手段的改善，進一步研究聽覺，發(fā)展了生理聲學和心理聲學；

8、由于對語言和通信廣播的研究，發(fā)展了語言聲學。在第二次世界大戰(zhàn)中，開始把超聲廣泛地用到水下探測，促使水聲學得到很大的發(fā)展。20世紀初以來，特別是20世紀50年代以來，全世界由于工業(yè)、交通等事業(yè)的巨大發(fā)展出現了噪聲環(huán)境污染問題，而促進了噪聲、噪聲控制、機械振動和沖擊研究的發(fā)展高速大功率機械應用日益廣泛。非線性聲學受到普遍重視。此外還有音樂聲學、生物聲學。這樣，逐漸形成了完整的現代聲學體系?，F代聲學的內容現代聲學研究主要涉及聲子的運動、聲子和物質的相互作用，以及一些準粒子和電子等微觀粒子的特性。所以聲學既有經典性質，也有量子性質。聲學的中心是基礎物理聲學，它是聲學各分支的基礎。聲可以說是在物質媒質中

9、的機械輻射，機械輻射的意思是機械擾動在物質中的傳播。人類的活動幾乎都與聲學有關，從海洋學到語言音樂，從地球到人的大腦，從機械工程到醫(yī)學，從微觀到宏觀，都是聲學家活動的場所。聲學的邊緣科學性質十分明顯，邊緣科學是科學的生長點，因此有人主張聲學是物理學的一個最好的發(fā)展方向。聲波在氣體和液體中只有縱波。在固體中除了縱波以外，還可能有橫波(質點振動的方向與聲波傳播的方向垂直)，有時還有縱橫波。聲波場中質點每秒振動的周數稱為頻率，單位為赫(Hz)?，F代聲學研究的頻率范圍為萬分之一赫茲到十億赫茲，在空氣中可聽到聲音的聲波長為17毫米到17米，在固體中，聲波波長的范圍更大，比電磁波的波長范圍至少大一千倍。聲

10、學頻率的范圍大致為：可聽聲的頻率為2020000赫，小于20赫為次聲，大于20000赫為超聲。聲波的傳播與媒質的彈性模量，密度、內耗以及形狀大小(產生折射、反射、衍射等)有關。測量聲波傳播的特性可以研究媒質的力學性質和幾何性質，聲學之所以發(fā)展成擁有眾多分支并且與許多科學、技術和文化藝術有密切關系的學科，原因就在于此。聲行波強度用單位面積內傳播的功率(以瓦/米2為單位)表示，但是在聲學測量中功率不易直接測量得，所以常用易于測量的聲壓表示。在聲學中常見的聲強范圍或聲壓范圍非常大，所以一般用對數表示。稱為聲強級或聲壓級，單位是分貝(dB)。聲學的研究方法與光學研究方法的比較聲學分析方法已成為物理學三

11、個重要分析方法(聲學方法、光學方法、粒子轟擊方法)之一。聲學方法與光學方法(包括電磁波方法)相比有相似處，也有不同處。相似處是：聲波和光波都是波動，使用兩種方法時，都運用了波動過程所應服從的一般規(guī)律，包括量子概念(聲的量子稱為聲子)。不同處是：光波是橫波，聲波在氣體中和液體中是縱波，而在固體中有縱波，有橫波，還有縱橫波、表面波等，情況更為復雜；聲波比光波的傳播速度小得多；一般物體和材料對光波吸收很大，但對聲波卻很小，聲波在不同媒質的界面上幾乎是完全反射。這些傳播性質有時造成結果上的極大差別，例如在普通實驗室內很容易驗證光波的平方反比定律(光的強度與到光源的距離平方成反比)。根據能量守恒定律，聲

12、波也應滿足平方反比定律，但在室內則無法測出。因為室內各表面對聲波來說都是很好的反射面，聲速又比較小，聲音發(fā)出后要反射很多次，在室內往返多次，經過很長時間(稱為混響時間)才消失。任何點的聲強都是這些直達聲和反射聲互相干涉的結果，與距離的關系很復雜。這就是為什么直到1900年賽賓提出混響理論以前，人們對很多聲學現象不能理解的原因。聲學的分支學科與光學相似，在不同的情況，依據其特點，需要運用不同的聲學方法進行研究。波動聲學也稱物理聲學，它是使用波動理論研究聲場的學科。在聲波波長與空間或物體的尺度數量級相近時必須用波動聲學分析。其主要內容是研究聲的反射、折射、干涉、衍射、駐波、散射等現象。在封閉空間(

13、例如室內，周圍有表面)或半關閉空間(例如在水下或大氣中，有上、下界面)，反射波的互相干涉要形成一系列的固有振動(稱為簡正振動方式或簡正波)。簡正方式理論是引用量子力學中本征值的概念并加以發(fā)展而形成的。射線聲學或稱幾何聲學，它與幾何光學相似。主要是研究波長非常小時，能量沿直線的傳播的規(guī)律。即忽略衍射現象，只考慮聲線的反射、折射等問題。這是在許多情況下都很有效的方法。例如在研究室內反射面、在固體中作無損檢測以及在液體中探測等時，都用聲線概念。統(tǒng)計聲學主要研究波長非常小，在某一頻率范圍內簡正振動方式很多，頻率分布很密時，忽略相位關系，只考慮各簡正方式的能量相加關系的問題。賽賓公式就可用統(tǒng)計聲學方法推

14、導。統(tǒng)計聲學方法不限于在關閉或半關閉空間中使用。在聲波傳輸中，統(tǒng)計能量技術解決很多問題，就是一例。聲學儀器20世紀以前，聲源僅限于人聲、樂器、音義和哨子。頻率限于可聽聲范圍內，可控制的聲強范圍也有限。接收儀器主要是人耳，有時用歌弧、歌焰作定性比較，電話上的接收器和傳聲器還很簡陋，難于用作測試儀器。20世紀以后，人們把電路理論應用于換能器的設計，把晶體的壓電性用于聲信號和電信號之間的轉換，以后又發(fā)展了壓電陶瓷、駐極體等，并用電子線路放大和控制電信號，使聲的產生和接收幾乎不受頻率和強度的限制。近年用半導體薄膜產生超聲，用激光轟擊金屬激發(fā)聲波等，使聲頻超過了可聽聲高限的幾億倍。次聲頻率可達每小時一周

15、以下，聲強可超過人耳所能接收高強聲音的幾千萬倍。聲功率也可超過人發(fā)聲的一千億倍。聲學測量分析儀器也達到了高度準確的程度，以計算機為中心的測試設備可完成多種測試要求，60年代需要幾天才能完成的測試分析工作，用現代設備可能只要幾秒鐘就可以完成，這些手段給聲學各分支的發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件。利用對聲速和聲衰減，測量研究物質特性已應用于很廣的范圍。目前測出在空氣中，實際的吸收系數比19世紀斯托克斯和基爾霍夫根據粘性和熱傳導推出的經典理論值大得多，在液體中甚至大幾千倍、幾萬倍。這個事實導致了人們對弛豫過程的研究，這在對液體以及它們結構的研究中起了很大作用。對于固體同樣工作已形成從低頻到起聲頻固體內耗的研究

16、，并對諸如固體結構和晶體缺陷等方面的研究都有很大貢獻。表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學、熱脈沖、聲發(fā)射、超聲顯微鏡、次聲等以物質特性研究為基礎的研究領域都有很大發(fā)展。聲全息和聲成像是無損檢測方法的重要發(fā)展。將聲信號變成電信號，而電信號可經過電子計算機的存儲和處理，用聲全息或聲成像給出的較多的信息充分反應枝檢對象的情況，這就大大優(yōu)于一般的超聲檢測方法。用熱脈沖產生的超聲頻率可達到1012Hz以上，為凝聚態(tài)物理開辟了新的研究領域。聲波在固體和液體中的非線性特性可通過媒質中聲速的微小變化來研究，應用聲波的非線性特性可以實現和研究聲與聲的相互作用，它還用于高分辨率的參量聲吶中。聲波可以透過所有物體：

17、不論透明或不透明的，導電或非導電的。因此，從大氣、地球內部、海洋等宏大物體直到人體組織、晶體點陣等微小部分都是聲學的實驗室。近年來在地震觀測中，測定了固體地球的簡正振動，找出了地球內部運動的準確模型，月球上放置的地聲接收器對月球內部監(jiān)測的結果，也同樣令人滿意。進一步監(jiān)測地球內部的運動，最終必將實現對地震的準確預報從而避免大量傷亡和經濟損失。聲學與生命科學聽覺過程涉及生理聲學和心理聲學。目前能定量地表示聲音在人耳產生的主觀量(音調和響度)，并求得與物理量(頻率和強度)的函數關系，這是心理物理研究的重大成果。還建立了測聽技術和耳鼓聲阻抗測量技術，這是研究中耳和內耳病變的有效工具。在聽覺研究中，所用

18、的設備很簡單，但所得結果卻驚人的豐富。1961年物理學家貝剴西曾由于在聽覺方面的研究獲得諾貝爾醫(yī)學或生理學獎，這是物理學家在邊緣學科中的工作受到了承認的例子。目前主要由于對神經系統(tǒng)和大腦的確切活動和作用機理不明，還未形成完整的聽覺理論，但這方面已引起了很多聲學工作者的重視。在語言和聽覺范圍內，基礎研究導致很多重要醫(yī)療設備的生產：整個裝到耳聽道內的助聽器；保護聽力的耳塞，為聲帶損傷病人用的人工喉，語言合成器，為全聾病人用的觸覺感知器和人工耳蝸等等。除了助聽、助語設備外，聲學在醫(yī)學中還有很多可以應用的方面，但發(fā)展都很不夠或根本未發(fā)展，特別是在治療方面。有跡象說明低強度超聲可加速傷口愈合，同時施用超聲和X射線可使對癌癥的輻射治療更加有效，超聲輻射可治愈腦血栓等，但這些都未形成常規(guī)的治療手段。超聲檢查體內器官，并加以顯示的方法有廣泛的應用，聲波可透過人體并對體內任何阻抗的變化靈敏(折射、反射)，因此超聲透視顱內、心臟或腹內的某些功效遠比X射線優(yōu)越，而且不存在輻射病，但使用時也有局限。超聲全息用于體內無損檢測的技術則尚待發(fā)展。聲學與環(huán)境 當代重大環(huán)境問題之一是噪聲污染，社會上對環(huán)境