109 次声波和超声波

10.9次声波和超声波教学目标：知道次声波和超声波的频率，知道它们不同于可闻声波的特性了解次声波和超声波的实际应用引 入:在生活中我们可听到各种各样的声波，但是人耳能听到的声波的频率范围是有限的，大致在20Hz到2000Hz之间.频率小于20Hz和频率大于2000Hz的声波，虽不能引起人类听觉器官的感觉，但它们对人类有很大的实际意义，本节课我们就来共同学习这两种波.一、声波1．什么是声波？声波是机械波的一种，在弹性介质（固体、液体、气体）中，频率在20〜20000Hz的机械振动称为声振动。由声振动激起的波动称为声波。在空气与水中传播的声波是纵波，在固体中传播的声波则可以是纵波，也可以是横波。2．声波的分类：可闻声波：人耳能听到的声波的频率大约在Hz—20000Hz之间，这一频率范围的声波能被人耳听到，称为可闻声波。次声波：频率低于20Hz的声波称为次声波，次声波不能被人耳听到超声波：频率高于20000Hz的声波称为超声波，超声波不能被人耳听到3．声波的速度：气体中纵波的速度： v=囂沪p其中Y=C/C是气体的定压摩尔热容与定容摩尔热容之比。p,mv,mp、P：气体的密度和压强。在latm和0°C时，空气中声速为：v=訂.4x1.013x1051.293=33m-s-1由理想气体状态方程p=pP.Rt得到声波在气体中的传播速度V=VYRT卩声波的传播速度几乎与频率无关，但是由于速度与介质的密度有关，所以声波的传播速度对于温度和压强的变化很敏感。在同一温度下，声波在液体与固体中的速度大于在空气中的速度。4．声强：1定义：声波的能流密度叫做声强。 I=-pvA2①22SI制单位：W.m-2超声波 3大声强大炮声 A大声强大声强太小，不引起听觉 ——下限声强太大，不引起听觉，引起痛觉——上限对于不同频率的声波，引起听觉的上下限值是不同的：各频率上限连接而成的曲线 痛觉阈(thresholdoffeeling)各频率下限连接而成的曲线 可闻阈(thresholdofhearing)两条曲线之间的范围为听觉范围：10-i2Wm-2〜lWm-25•声强级(SoundLevel)：弓I起人们听觉的声强变化范围变化很大，为10-12Wm-2〜1Wm-2,数量级相差很大。由此为了比较介质中各点声波的强度，通常不是使用声强，而是使用声强级。规定声强级的基准值为I0=10-12Wm-2,即1000Hz的声波能引起听觉的最弱声强。把声强I与基准声强之比的对数称为声强级：L=lg—0单位：贝耳(B)通常采用分贝(dB),定义为L=10lg；0适中正常的声强级为40〜60dB，下表是几种声音的声强、声强级和响度附注：有些地方规定，户外声音不得大于100dB，噪声(Noise)二、超声波(SupersonicWave)：1什么是超声波？超声波是频率高于20000Hz声波，通常可用机械法或电磁法来产生，例如利用石英晶体的弹性振动可产生109Hz甚至更高频率的超声波。2•超声波的特点：由于频率高、波长短，故超声波具有一般声波所没有的特性：能流密度大：由于能流密度与频率的平方成正比，故超声波的能流密度比一般声波大得多。方向性好：由于超声波的波长短，衍射效应不显著，所以可以近似地认为超声波沿直线传播，即传播的方向性好，容易得到定向而集中的超声波束，能够产生反射、折射，也可以被聚焦。超声波的这一特性，称为束射特性。穿透力强：超声波的穿透本领大，特别在液体和固体中传播时，衰减很小；在不透明的固体中，也能穿透几十米的厚度，所以超声波主要用在固体和液体中。——在空气中衰减较快，与电磁波相反，在海洋中应用超声波最为适宜。空化作用超声波在液体中会产生空化作用。超声波的频率高、功率大，可以弓起液体的疏密变化，使液体时而受压、时而受拉。由于液体承受拉力的能力很差，所以在较强的拉力作用下，液体会断裂，产生一些近似真空的小空穴。在小空穴的形成过程中，由于摩擦产生正、负电荷，弓起放电发光等现象。这就是超声波的空化作用。它能把水银捣碎成小粒子，使其与水均匀地混合在一起成乳浊液；在医药上用以捣碎药物制成各种药剂；在食品工业上用以制成许多调味剂；在建筑业上用以制成水泥乳浊液等。3•超声波的应用：①声纳(Sonar；声音Sound，导航Navigation，测距Ranging)：利用超声波的定向反射特性，可以探测鱼群、测量海洋深度，研究海底的起伏等。由于海水有良好的导电性，对电磁波的吸收很强，因而电磁雷达无法使用，利用声波雷达，即声纳，可以探测潜艇的方位和距离。超声波在水中传播的距离要比光波和无线电波远得多•水声测位仪就是根据超声波的这种特性制成的装置，这种装置既能发出短促的超声波脉冲．又能接收被潜艇、鱼群或海底反射回来的超声波，根据反射波滞后的时间和波速，就可以确定潜艇、鱼群的位置或海水深度．超声波探伤：超声波能在不透明的材料中传播，所以还可以用于超声探伤，在工业上用以检查金属零件内部的缺陷（如砂眼、气泡、裂缝等）。医学B超（B型超声成像仪）原理：超声波反射一一人体的不同器官和组织的声阻抗不同，形成不同的反射波；应用：用以探测人体内部的病变。A超：单探头，用于定距B超：多探头，用于成像超声波检测焊接：利用超声波的能量大而集中的特点，在工业上则可以用来切割、焊接、钻孔、清洗、粉碎。非声学量的声学测量：利用超声波在介质中传播的声学量与介质的各种非声学量之间的关系，通过测量声学量的方法，间接测量其它物理量。工业应用：特 性应用举例超声波的频率咼、短波长、衍射不明显、定向发射能力强，在水中传播距离远声纳（水声测位仪）穿透能力强超声波探伤仪超声波在液体中传播时，可使液体内部产生相当大的液压冲击表面清洗、超声加湿器2.医疗上的应用：超声波B型显示切面成像法，简称B超超声波A型显示切面成像法，简称A超②超声多普勒方法超声波作用于人体，使机体细胞受到振荡和刺激，可起按摩作用，治疗神经痛等疾患超声波雾化器：可将药物将击碎形成药雾，病人吸入后可以治疗肺部疾患。利用超声波可以把普通水“打碎”成直径仅为几微米的小水珠，变成雾气喷散到房间的空气中，增大房间中空气的湿度，这就是“超声加湿器”的基本原理．杀菌消毒：例如用超声波来给牛奶消毒，效果良好，而且能避免煮沸法对营养成分的破坏．三、次声波（InfrasoncWave）1、 次声波的产生（次声波波源）：爆发的火山、地震、大气湍流、坠入大气层的流星、雷爆、磁暴、台风、龙卷风、核爆炸、火箭起飞都能产生次声波。2、 特性：频率低（v20Hz）,波长长，大气吸收少，可以远距离传输（1883年8月27日印度尼西亚的苏门答腊和爪哇之间发生的一次火山爆发，产生的次声波，传播了十余万公里，历时100余小时）。波长较长，容易发生衍射，定向发射能力弱3．应用：次声波的应用与研究尚处于初级阶段，目前主要用于探知核爆炸、海啸、台风、地震等过程中产生的次声波，进行探测与预报。科学研究：次声波与地球、海洋、大气等的大规模运动有密切的关系，因此，次声波成为人们研究地球、海洋、大气运动的有力工具，它可以应用于探测次声波源的位置、大小和其它特性，对自燃灾害性事件（如火山爆发、地震等）进行预报，多诸如核爆炸、火箭反射等认为事件进行探测、识别和警报。还可以通过研究自燃现象产生次声波的机制和特性，深入认识自燃规律。军事应用：a军事侦察：次声波在介质中传播时，能量衰减缓慢，并且运动快，而且隐蔽性号不易被对方发现，因而可以用来侦察军事情报；b次声波有杀伤性：利用和人体器官固有频率相近的次声波与人体器官产生共振，导致人体器官的变形和移位，甚至破裂，达到杀伤对方的目的。四、仿生学很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官．以昆虫为食的编幅，视觉很差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物．海豚也有完善的“声纳”系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置．现代的无线电定位器——雷达，质量有几十、几百、几千千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器．深入研究动物身上各种器官的功能和构造，将获得的知识用来改进现有的设备和创制新的设备，这是近几十年来发展起来的一门新学科，叫做仿生学．合成孔径声纳（国家“863”计划项目）是一种新型高分辨水下成像声纳。其原理是利用小孔径基阵的移动来获得移动方向（方位方向）上大的合成孔径，从而得到方位方向的高分辨力。从理论上讲，这种分辨力与工作频率和探测距离无关。获得这种高分辨力的代价是复杂的成像算法和对声纳基阵平台运动的严格要求。目前国际上只有少数国家和地区研制出了合成孔径声纳原型机并进行了海上试验，如美国DARPA、CEROS合成孔径声纳；欧共体的合成孔径测绘与成像（SAMI）声纳；法国的IMBAT3000合成孔径声纳等。应用前景：合成孔径声纳可以用于海底测量、水下考古和搜寻水下失落物体等，尤其可以进行高分辨海底测绘，对数字地球研究具有重要意义。合成孔径声纳由三个分系统组成：1）声纳分系统，由合成孔径声纳基阵、发射机、接收机、数据采集传输和存储子系统、声纳信号处理机和显控台等组成；2）姿态与位移测量分系统，由磁罗经和GPS等组成；3）拖曳分系统，由绞车、拖缆和拖体等组成。合成孔径声纳湖试样机湖上试验结果说明，研制的合成孔径声纳湖试样机能够对水下悬浮目标和沉底目标实现清晰成像，同时还可以获得水底地形、地貌的高分辨成像，而且成像分辨力较高。合成孔径声纳样机的试验成功，标志着我国在合成孔径声纳研究方面进入了与国际同步发展的水平。声波雷达——声纳声波是人类最早用来传递信息、交流思想的工具。随着科学技术的发展，电磁波已被广泛用来进行远距离信息传输与遥感、遥测。然而，占地球表面积70%以上的海洋却是电磁波的强吸收介质，最强的电磁波与激光束也很难穿透几百米深的海水。幸运的是，海洋却是声波良好的传导媒介，于是声纳也就应运而生。声纳是利用水下声波对水中目际进行探测和定位识别或在水中进行通讯的技术和设备、声纳是由英语Soundnavigationandranging（声波导航和测距）的字头缩写Sonar的音译。声纳属于水中的声遥感技术由于其原理与雷达相似，所以又称声波雷达。这里人们自然要问：为什么不用电磁能而用声能在水中进行传输？原因之一是我们前面谈到的：海水是电的良好导体，它使电能很快以热的方式耗散掉。因而，在同样的频率下，电磁波的衰减比声波快得多。从而传播距离就近得多。原因之二是声能和电磁能的传输在几个重要方面有区别：声波是纵波,电磁波是横波电磁波可以被极化，而声波则不能。此外，这两类波以不同速度传播，在水中声速大约是1500米/秒,电磁波在空气中的传播速度是3.0X103米/秒（水中稍慢），比声速几乎快100万倍。声纳分为有源声纳和无源声纳两大类。有源声纳由发射机、声阵（包括发射声阵和接收声阵）、接收机（信号处理）、显控制台组成。无源声纳由接收声阵、接收机、显示控制台组成。其中声阵是由换能器组成。将电信号转换成声信号的叫发射声阵，它把来自发射机的电信号转换成声信号向水中发射，将声信号转换成电信号的叫接收声阵，声阵一般由许多个换能器元件组成，以提高声波的方问性，对接收声阵来说可以更有效地抑制无关声波的干扰，提高检测增益。有源声纳工作时，先由发射机发出一定频率的电信号，经发射声阵转换成声信号在水中进行传输，碰到目标返回又由接收声阵把声信号转换成电信号输给接收机放大、分析处理，然后经显示控制台显示探测结果。无源声纳的工作过程与之大致相同，只是因为没有发射机发射信号，所以它的接收声阵转换的是目际自发辐射的声信号。最初的“探照灯式声纳”由于波束的移动是通过换能器基阵的机械转动而实现的操作不方便、数据率低、不能保证军舰有多目标的检测和跟踪能力、接着发展的“扫描声纳”可以连续地同时提供目标在360度方位内的距离和方位角信息，具有多目标俭测和跟踪能力。随着数字信号处理技术的发展，在六十年代初又出现了单比特量化的数字多波束（DIMUS）系统。这种系统对输入的多路信号进行限幅。在360度范围内同时形成波束，实现全景观察。六十年代末期，先后有人推出自适应噪声抵消技术和数字式干扰消除自适应零点网络设备（DICANNE），它们的共同点是能够根据不同方向上噪声，干扰的强弱，自动地改变本身波束的形状，使其在强噪声或干扰的方向上特别不灵敏，以便检测出某个方向上的信号。近年来数字信号处理技术飞速发展，出现了各种专用数字信号处理芯片，使声纳系统不断地朝着数字化，智能化及高可靠性方向发展。声波是目前已知的唯一能在水中远距离传播的波动，故声纳已成为目前较有效的水下探测技术而得到广泛应用。在国防上广泛应用于海军各兵种的导航、探雷、航道测量、水中通讯联络，以及舰艇、潜艇探测周围环境的主要耳目。在民用方面，用于船舰导航，探测鱼类资源。在海洋资源开发研究中，用于绘海底地图，海底地质勘测海底石油等资原的勘探等方面。从美潜艇撞渔船看现代声纳技术今年2月10日，美国海军“格林维尔”号核潜艇上浮时与日本“爱媛”号实习船相撞，引起轩然大波。这艘先进的现代化潜艇发生了最低级的错误。紧急上浮时，仅用潜望镜观察一下，根本没有核实声纳。美国海军的声纳技术属国际领先，潜艇上装备的声纳系统由15部声纳组成，该艇此时却又聋又瞎。声纳是英文Soundnavigationranging的缩略语SONAR的译音，意即“声音导航测距”，已成为水下声波导航与定位设备的简称。声纳是目前最有效的水中探测和通信设备，它利用声波在水中的传播特性，通过电声转换和信息处理，对水中目标进行传感探测，其功能与雷达相似，广泛用于水下警戒、武器射击、侦察、通信、导航、探鱼、海底矿藏勘探等。声纳种类