109 次聲波和超聲波

10.9次聲波和超聲波教學(xué)目標(biāo)：知道次聲波和超聲波的頻率，知道它們不同于可聞聲波的特性了解次聲波和超聲波的實(shí)際應(yīng)用引 入:在生活中我們可聽(tīng)到各種各樣的聲波，但是人耳能聽(tīng)到的聲波的頻率范圍是有限的，大致在20Hz到2000Hz之間.頻率小于20Hz和頻率大于2000Hz的聲波，雖不能引起人類聽(tīng)覺(jué)器官的感覺(jué)，但它們對(duì)人類有很大的實(shí)際意義，本節(jié)課我們就來(lái)共同學(xué)習(xí)這兩種波.一、聲波1．什么是聲波？聲波是機(jī)械波的一種，在彈性介質(zhì)（固體、液體、氣體）中，頻率在20?20000Hz的機(jī)械振動(dòng)稱為聲振動(dòng)。由聲振動(dòng)激起的波動(dòng)稱為聲波。在空氣與水中傳播的聲波是縱波，在固體中傳播的聲波則可以是縱波，也可以是橫波。2．聲波的分類：可聞聲波：人耳能聽(tīng)到的聲波的頻率大約在Hz—20000Hz之間，這一頻率范圍的聲波能被人耳聽(tīng)到，稱為可聞聲波。次聲波：頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波，次聲波不能被人耳聽(tīng)到超聲波：頻率高于20000Hz的聲波稱為超聲波，超聲波不能被人耳聽(tīng)到3．聲波的速度：氣體中縱波的速度： v=囂滬p其中Y=C/C是氣體的定壓摩爾熱容與定容摩爾熱容之比。p,mv,mp、P：氣體的密度和壓強(qiáng)。在latm和0°C時(shí)，空氣中聲速為：v=訂.4x1.013x1051.293=33m-s-1由理想氣體狀態(tài)方程p=pP.Rt得到聲波在氣體中的傳播速度V=VYRT卩聲波的傳播速度幾乎與頻率無(wú)關(guān)，但是由于速度與介質(zhì)的密度有關(guān)，所以聲波的傳播速度對(duì)于溫度和壓強(qiáng)的變化很敏感。在同一溫度下，聲波在液體與固體中的速度大于在空氣中的速度。4．聲強(qiáng)：1定義：聲波的能流密度叫做聲強(qiáng)。 I=-pvA2①22SI制單位：W.m-2超聲波 3大聲強(qiáng)大炮聲 A大聲強(qiáng)大聲強(qiáng)太小，不引起聽(tīng)覺(jué) ——下限聲強(qiáng)太大，不引起聽(tīng)覺(jué)，引起痛覺(jué)——上限對(duì)于不同頻率的聲波，引起聽(tīng)覺(jué)的上下限值是不同的：各頻率上限連接而成的曲線 痛覺(jué)閾(thresholdoffeeling)各頻率下限連接而成的曲線 可聞閾(thresholdofhearing)兩條曲線之間的范圍為聽(tīng)覺(jué)范圍：10-i2Wm-2?lWm-25?聲強(qiáng)級(jí)(SoundLevel)：弓I起人們聽(tīng)覺(jué)的聲強(qiáng)變化范圍變化很大，為10-12Wm-2?1Wm-2,數(shù)量級(jí)相差很大。由此為了比較介質(zhì)中各點(diǎn)聲波的強(qiáng)度，通常不是使用聲強(qiáng)，而是使用聲強(qiáng)級(jí)。規(guī)定聲強(qiáng)級(jí)的基準(zhǔn)值為I0=10-12Wm-2,即1000Hz的聲波能引起聽(tīng)覺(jué)的最弱聲強(qiáng)。把聲強(qiáng)I與基準(zhǔn)聲強(qiáng)之比的對(duì)數(shù)稱為聲強(qiáng)級(jí)：L=lg—0單位：貝耳(B)通常采用分貝(dB),定義為L(zhǎng)=10lg；0適中正常的聲強(qiáng)級(jí)為40?60dB，下表是幾種聲音的聲強(qiáng)、聲強(qiáng)級(jí)和響度附注：有些地方規(guī)定，戶外聲音不得大于100dB，噪聲(Noise)二、超聲波(SupersonicWave)：1什么是超聲波？超聲波是頻率高于20000Hz聲波，通?？捎脵C(jī)械法或電磁法來(lái)產(chǎn)生，例如利用石英晶體的彈性振動(dòng)可產(chǎn)生109Hz甚至更高頻率的超聲波。2?超聲波的特點(diǎn)：由于頻率高、波長(zhǎng)短，故超聲波具有一般聲波所沒(méi)有的特性：能流密度大：由于能流密度與頻率的平方成正比，故超聲波的能流密度比一般聲波大得多。方向性好：由于超聲波的波長(zhǎng)短，衍射效應(yīng)不顯著，所以可以近似地認(rèn)為超聲波沿直線傳播，即傳播的方向性好，容易得到定向而集中的超聲波束，能夠產(chǎn)生反射、折射，也可以被聚焦。超聲波的這一特性，稱為束射特性。穿透力強(qiáng)：超聲波的穿透本領(lǐng)大，特別在液體和固體中傳播時(shí)，衰減很小；在不透明的固體中，也能穿透幾十米的厚度，所以超聲波主要用在固體和液體中?！诳諝庵兴p較快，與電磁波相反，在海洋中應(yīng)用超聲波最為適宜?？栈饔贸暡ㄔ谝后w中會(huì)產(chǎn)生空化作用。超聲波的頻率高、功率大，可以弓起液體的疏密變化，使液體時(shí)而受壓、時(shí)而受拉。由于液體承受拉力的能力很差，所以在較強(qiáng)的拉力作用下，液體會(huì)斷裂，產(chǎn)生一些近似真空的小空穴。在小空穴的形成過(guò)程中，由于摩擦產(chǎn)生正、負(fù)電荷，弓起放電發(fā)光等現(xiàn)象。這就是超聲波的空化作用。它能把水銀搗碎成小粒子，使其與水均勻地混合在一起成乳濁液；在醫(yī)藥上用以搗碎藥物制成各種藥劑；在食品工業(yè)上用以制成許多調(diào)味劑；在建筑業(yè)上用以制成水泥乳濁液等。3?超聲波的應(yīng)用：①聲納(Sonar；聲音Sound，導(dǎo)航Navigation，測(cè)距Ranging)：利用超聲波的定向反射特性，可以探測(cè)魚(yú)群、測(cè)量海洋深度，研究海底的起伏等。由于海水有良好的導(dǎo)電性，對(duì)電磁波的吸收很強(qiáng)，因而電磁雷達(dá)無(wú)法使用，利用聲波雷達(dá)，即聲納，可以探測(cè)潛艇的方位和距離。超聲波在水中傳播的距離要比光波和無(wú)線電波遠(yuǎn)得多?水聲測(cè)位儀就是根據(jù)超聲波的這種特性制成的裝置，這種裝置既能發(fā)出短促的超聲波脈沖．又能接收被潛艇、魚(yú)群或海底反射回來(lái)的超聲波，根據(jù)反射波滯后的時(shí)間和波速，就可以確定潛艇、魚(yú)群的位置或海水深度．超聲波探傷：超聲波能在不透明的材料中傳播，所以還可以用于超聲探傷，在工業(yè)上用以檢查金屬零件內(nèi)部的缺陷（如砂眼、氣泡、裂縫等）。醫(yī)學(xué)B超（B型超聲成像儀）原理：超聲波反射一一人體的不同器官和組織的聲阻抗不同，形成不同的反射波；應(yīng)用：用以探測(cè)人體內(nèi)部的病變。A超：?jiǎn)翁筋^，用于定距B超：多探頭，用于成像超聲波檢測(cè)焊接：利用超聲波的能量大而集中的特點(diǎn)，在工業(yè)上則可以用來(lái)切割、焊接、鉆孔、清洗、粉碎。非聲學(xué)量的聲學(xué)測(cè)量：利用超聲波在介質(zhì)中傳播的聲學(xué)量與介質(zhì)的各種非聲學(xué)量之間的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量聲學(xué)量的方法，間接測(cè)量其它物理量。工業(yè)應(yīng)用：特 性應(yīng)用舉例超聲波的頻率咼、短波長(zhǎng)、衍射不明顯、定向發(fā)射能力強(qiáng)，在水中傳播距離遠(yuǎn)聲納（水聲測(cè)位儀）穿透能力強(qiáng)超聲波探傷儀超聲波在液體中傳播時(shí)，可使液體內(nèi)部產(chǎn)生相當(dāng)大的液壓沖擊表面清洗、超聲加濕器2.醫(yī)療上的應(yīng)用：超聲波B型顯示切面成像法，簡(jiǎn)稱B超超聲波A型顯示切面成像法，簡(jiǎn)稱A超②超聲多普勒方法超聲波作用于人體，使機(jī)體細(xì)胞受到振蕩和刺激，可起按摩作用，治療神經(jīng)痛等疾患超聲波霧化器：可將藥物將擊碎形成藥?kù)F，病人吸入后可以治療肺部疾患。利用超聲波可以把普通水“打碎”成直徑僅為幾微米的小水珠，變成霧氣噴散到房間的空氣中，增大房間中空氣的濕度，這就是“超聲加濕器”的基本原理．殺菌消毒：例如用超聲波來(lái)給牛奶消毒，效果良好，而且能避免煮沸法對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的破壞．三、次聲波（InfrasoncWave）1、 次聲波的產(chǎn)生（次聲波波源）：爆發(fā)的火山、地震、大氣湍流、墜入大氣層的流星、雷爆、磁暴、臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、核爆炸、火箭起飛都能產(chǎn)生次聲波。2、 特性：頻率低（v20Hz）,波長(zhǎng)長(zhǎng)，大氣吸收少，可以遠(yuǎn)距離傳輸（1883年8月27日印度尼西亞的蘇門(mén)答臘和爪哇之間發(fā)生的一次火山爆發(fā)，產(chǎn)生的次聲波，傳播了十余萬(wàn)公里，歷時(shí)100余小時(shí)）。波長(zhǎng)較長(zhǎng)，容易發(fā)生衍射，定向發(fā)射能力弱3．應(yīng)用：次聲波的應(yīng)用與研究尚處于初級(jí)階段，目前主要用于探知核爆炸、海嘯、臺(tái)風(fēng)、地震等過(guò)程中產(chǎn)生的次聲波，進(jìn)行探測(cè)與預(yù)報(bào)?？茖W(xué)研究：次聲波與地球、海洋、大氣等的大規(guī)模運(yùn)動(dòng)有密切的關(guān)系，因此，次聲波成為人們研究地球、海洋、大氣運(yùn)動(dòng)的有力工具，它可以應(yīng)用于探測(cè)次聲波源的位置、大小和其它特性，對(duì)自燃災(zāi)害性事件（如火山爆發(fā)、地震等）進(jìn)行預(yù)報(bào)，多諸如核爆炸、火箭反射等認(rèn)為事件進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別和警報(bào)。還可以通過(guò)研究自燃現(xiàn)象產(chǎn)生次聲波的機(jī)制和特性，深入認(rèn)識(shí)自燃規(guī)律。軍事應(yīng)用：a軍事偵察：次聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量衰減緩慢，并且運(yùn)動(dòng)快，而且隱蔽性號(hào)不易被對(duì)方發(fā)現(xiàn)，因而可以用來(lái)偵察軍事情報(bào)；b次聲波有殺傷性：利用和人體器官固有頻率相近的次聲波與人體器官產(chǎn)生共振，導(dǎo)致人體器官的變形和移位，甚至破裂，達(dá)到殺傷對(duì)方的目的。四、仿生學(xué)很多動(dòng)物都有完善的發(fā)射和接收超聲波的器官．以昆蟲(chóng)為食的編幅，視覺(jué)很差，飛行中不斷發(fā)出超聲波的脈沖，依靠昆蟲(chóng)身體的反射波來(lái)發(fā)現(xiàn)食物．海豚也有完善的“聲納”系統(tǒng)，使它能在混濁的水中準(zhǔn)確地確定遠(yuǎn)處小魚(yú)的位置．現(xiàn)代的無(wú)線電定位器——雷達(dá)，質(zhì)量有幾十、幾百、幾千千克，蝙蝠的超聲定位系統(tǒng)只有幾分之一克，而在一些重要性能上，如確定目標(biāo)方位的精確度、抗干擾的能力等都遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)代的無(wú)線電定位器．深入研究動(dòng)物身上各種器官的功能和構(gòu)造，將獲得的知識(shí)用來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)備和創(chuàng)制新的設(shè)備，這是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新學(xué)科，叫做仿生學(xué)．合成孔徑聲納（國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目）是一種新型高分辨水下成像聲納。其原理是利用小孔徑基陣的移動(dòng)來(lái)獲得移動(dòng)方向（方位方向）上大的合成孔徑，從而得到方位方向的高分辨力。從理論上講，這種分辨力與工作頻率和探測(cè)距離無(wú)關(guān)。獲得這種高分辨力的代價(jià)是復(fù)雜的成像算法和對(duì)聲納基陣平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)格要求。目前國(guó)際上只有少數(shù)國(guó)家和地區(qū)研制出了合成孔徑聲納原型機(jī)并進(jìn)行了海上試驗(yàn)，如美國(guó)DARPA、CEROS合成孔徑聲納；歐共體的合成孔徑測(cè)繪與成像（SAMI）聲納；法國(guó)的IMBAT3000合成孔徑聲納等。應(yīng)用前景：合成孔徑聲納可以用于海底測(cè)量、水下考古和搜尋水下失落物體等，尤其可以進(jìn)行高分辨海底測(cè)繪，對(duì)數(shù)字地球研究具有重要意義。合成孔徑聲納由三個(gè)分系統(tǒng)組成：1）聲納分系統(tǒng)，由合成孔徑聲納基陣、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、數(shù)據(jù)采集傳輸和存儲(chǔ)子系統(tǒng)、聲納信號(hào)處理機(jī)和顯控臺(tái)等組成；2）姿態(tài)與位移測(cè)量分系統(tǒng)，由磁羅經(jīng)和GPS等組成；3）拖曳分系統(tǒng)，由絞車(chē)、拖纜和拖體等組成。合成孔徑聲納湖試樣機(jī)湖上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，研制的合成孔徑聲納湖試樣機(jī)能夠?qū)λ聭腋∧繕?biāo)和沉底目標(biāo)實(shí)現(xiàn)清晰成像，同時(shí)還可以獲得水底地形、地貌的高分辨成像，而且成像分辨力較高。合成孔徑聲納樣機(jī)的試驗(yàn)成功，標(biāo)志著我國(guó)在合成孔徑聲納研究方面進(jìn)入了與國(guó)際同步發(fā)展的水平。聲波雷達(dá)——聲納聲波是人類最早用來(lái)傳遞信息、交流思想的工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁波已被廣泛用來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳輸與遙感、遙測(cè)。然而，占地球表面積70%以上的海洋卻是電磁波的強(qiáng)吸收介質(zhì)，最強(qiáng)的電磁波與激光束也很難穿透幾百米深的海水。幸運(yùn)的是，海洋卻是聲波良好的傳導(dǎo)媒介，于是聲納也就應(yīng)運(yùn)而生。聲納是利用水下聲波對(duì)水中目際進(jìn)行探測(cè)和定位識(shí)別或在水中進(jìn)行通訊的技術(shù)和設(shè)備、聲納是由英語(yǔ)Soundnavigationandranging（聲波導(dǎo)航和測(cè)距）的字頭縮寫(xiě)Sonar的音譯。聲納屬于水中的聲遙感技術(shù)由于其原理與雷達(dá)相似，所以又稱聲波雷達(dá)。這里人們自然要問(wèn)：為什么不用電磁能而用聲能在水中進(jìn)行傳輸？原因之一是我們前面談到的：海水是電的良好導(dǎo)體，它使電能很快以熱的方式耗散掉。因而，在同樣的頻率下，電磁波的衰減比聲波快得多。從而傳播距離就近得多。原因之二是聲能和電磁能的傳輸在幾個(gè)重要方面有區(qū)別：聲波是縱波,電磁波是橫波電磁波可以被極化，而聲波則不能。此外，這兩類波以不同速度傳播，在水中聲速大約是1500米/秒,電磁波在空氣中的傳播速度是3.0X103米/秒（水中稍慢），比聲速幾乎快100萬(wàn)倍。聲納分為有源聲納和無(wú)源聲納兩大類。有源聲納由發(fā)射機(jī)、聲陣（包括發(fā)射聲陣和接收聲陣）、接收機(jī)（信號(hào)處理）、顯控制臺(tái)組成。無(wú)源聲納由接收聲陣、接收機(jī)、顯示控制臺(tái)組成。其中聲陣是由換能器組成。將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)的叫發(fā)射聲陣，它把來(lái)自發(fā)射機(jī)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)向水中發(fā)射，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的叫接收聲陣，聲陣一般由許多個(gè)換能器元件組成，以提高聲波的方問(wèn)性，對(duì)接收聲陣來(lái)說(shuō)可以更有效地抑制無(wú)關(guān)聲波的干擾，提高檢測(cè)增益。有源聲納工作時(shí)，先由發(fā)射機(jī)發(fā)出一定頻率的電信號(hào)，經(jīng)發(fā)射聲陣轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)在水中進(jìn)行傳輸，碰到目標(biāo)返回又由接收聲陣把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸給接收機(jī)放大、分析處理，然后經(jīng)顯示控制臺(tái)顯示探測(cè)結(jié)果。無(wú)源聲納的工作過(guò)程與之大致相同，只是因?yàn)闆](méi)有發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)，所以它的接收聲陣轉(zhuǎn)換的是目際自發(fā)輻射的聲信號(hào)。最初的“探照燈式聲納”由于波束的移動(dòng)是通過(guò)換能器基陣的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的操作不方便、數(shù)據(jù)率低、不能保證軍艦有多目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤能力、接著發(fā)展的“掃描聲納”可以連續(xù)地同時(shí)提供目標(biāo)在360度方位內(nèi)的距離和方位角信息，具有多目標(biāo)儉測(cè)和跟蹤能力。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，在六十年代初又出現(xiàn)了單比特量化的數(shù)字多波束（DIMUS）系統(tǒng)。這種系統(tǒng)對(duì)輸入的多路信號(hào)進(jìn)行限幅。在360度范圍內(nèi)同時(shí)形成波束，實(shí)現(xiàn)全景觀察。六十年代末期，先后有人推出自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)和數(shù)字式干擾消除自適應(yīng)零點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（DICANNE），它們的共同點(diǎn)是能夠根據(jù)不同方向上噪聲，干擾的強(qiáng)弱，自動(dòng)地改變本身波束的形狀，使其在強(qiáng)噪聲或干擾的方向上特別不靈敏，以便檢測(cè)出某個(gè)方向上的信號(hào)。近年來(lái)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種專用數(shù)字信號(hào)處理芯片，使聲納系統(tǒng)不斷地朝著數(shù)字化，智能化及高可靠性方向發(fā)展。聲波是目前已知的唯一能在水中遠(yuǎn)距離傳播的波動(dòng)，故聲納已成為目前較有效的水下探測(cè)技術(shù)而得到廣泛應(yīng)用。在國(guó)防上廣泛應(yīng)用于海軍各兵種的導(dǎo)航、探雷、航道測(cè)量、水中通訊聯(lián)絡(luò)，以及艦艇、潛艇探測(cè)周?chē)h(huán)境的主要耳目。在民用方面，用于船艦導(dǎo)航，探測(cè)魚(yú)類資源。在海洋資源開(kāi)發(fā)研究中，用于繪海底地圖，海底地質(zhì)勘測(cè)海底石油等資原的勘探等方面。從美潛艇撞漁船看現(xiàn)代聲納技術(shù)今年2月10日，美國(guó)海軍“格林維爾”號(hào)核潛艇上浮時(shí)與日本“愛(ài)媛”號(hào)實(shí)習(xí)船相撞，引起軒然大波。這艘先進(jìn)的現(xiàn)代化潛艇發(fā)生了最低級(jí)的錯(cuò)誤。緊急上浮時(shí)，僅用潛望鏡觀察一下，根本沒(méi)有核實(shí)聲納。美國(guó)海軍的聲納技術(shù)屬國(guó)際領(lǐng)先，潛艇上裝備的聲納系統(tǒng)由15部聲納組成，該艇此時(shí)卻又聾又瞎。聲納是英文Soundnavigationranging的縮略語(yǔ)SONAR的譯音，意即“聲音導(dǎo)航測(cè)距”，已成為水下聲波導(dǎo)航與定位設(shè)備的簡(jiǎn)稱。聲納是目前最有效的水中探測(cè)和通信設(shè)備，它利用聲波在水中的傳播特性，通過(guò)電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行傳感探測(cè)，其功能與雷達(dá)相似，廣泛用于水下警戒、武器射擊、偵察、通信、導(dǎo)航、探魚(yú)、海底礦藏勘探等。聲納種類