原标题：什么是超声波？超声波的工作原理？

　　你经常听到人们使用这个短语 “像蝙蝠一样瞎子”——但如果蝙蝠会说话，它们会批评我们“像蝙蝠一样聋”吗? 人类“?我们可能认为我们擅长听东西，但我们的耳朵可以 仅检测相对较窄的频率带(听 起来 之 不同的音高)以人声为中心——我们最需要听到的声音。 蝙蝠、飞蛾、海豚和其他各种生物可以听到更高的声音 超出人类听觉范围的声音频率，这是已知的 如 超声波.自从科学家发现 超声波，他们发现了它的各种重要用途，从医学诊断 到材料测试和科学研究。让我们仔细看看 在超声波及其工作原理。

　　照片：超声(超声心动图)图像 一颗跳动的人心。美国宇航局(美国航天局)使用此设备来研究 太空旅行对宇航员的长期影响。 照片由 美国宇航局 马歇尔太空飞行中心(NASA-MSFC).

　　什么是超声波?

　　注意：如果您熟悉声音的一般科学，您可能会发现浏览我们的文章很有用 声音 在你继续阅读之前。

　　人耳可以听到在大约范围内振动的声波 每秒20次(低沉的隆隆声)到大约14，000次 第二(高亢的口哨声);儿童一般可以听到 比父母的声音更高，因为我们的听觉能力 随着年龄的增长，高频会变得更糟。 更科学地说，我们可以说 我们可以感知的声音的频率范围为 20-20，000 赫兹 (赫兹)。一个 赫 是频率的度量 有东西振动和 1 Hz 等于每秒振动一次。人声发出声音 范围从几百赫兹到几千赫兹。

　　假设你可以以某种方式经常敲击鼓皮，以至于它振动 每秒超过20，000次。您也许可以看到皮肤 振动(只是)，但你肯定听不到。无论如何 你用力敲击鼓，你不会听到任何声音。鼓仍然会 传输声波，但你的耳朵无法 认出他们。蝙蝠、狗、海豚和飞蛾可能会听到它们的声音， 然而。听起来像，频率超出了人类的范围 听觉，是例子 超声波.

　　插图：超声波(橙色波段，右)涵盖了超越人类的声音频率范围 听觉——并且高于日常声音、声音和乐器的频率。

　　(有趣的是，就像有些声音太高 我们听，所以也有 声音对于我们的耳朵来说太低了。这些被称为 次声.我们所知道的地震波 地震 都是例子。我们需要特殊的探测器来知道什么时候 地震已经发生，因为我们并不总是能听到或感觉到它们。

　　超声波的频率高于正常声波， 但他们也有更短的 波长.在 换句话说，距离 在一种超声波穿过空气中和在空气中传播的超声波之间 跟在它后面比正常的声波要短得多。 这具有重要的实际效果：超声波反射 从事物中回来比普通声波要好得多，这使得 它们确实非常有用。

　　照片：像这样的蝙蝠用声音而不是光来“看”。它们通过发出超声波束并聆听回声来导航——这种技术称为回声定位。墨西哥无尾蝙蝠(Tadarida brasiliensis)离开德克萨斯州洞穴的照片。作者：Ann Froschauer，图片由 美国鱼类和野生动物管理局。

　　超声波是如何制造的?

　　我们不可能像我们制造的那样制造超声波 正常的声音——通过撞击和吹东西，就像我们所做的那样，例如，在 乐器。那是因为我们无法快速击中和吹东西 足够。但是我们可以使用电来制作超声波 设备 以极高的频率振动。某些材料的晶体 (如 石英) 振动非常快 当你通过时 电力 通过 他们——一种称为 压电.如 它们振动，推动和拉动周围的空气，产生超声波。设备 使用压电产生超声波被称为 压电的 传感器.压电的 晶体也可用于 相反的方式：如果超声波在空气中传播发生 为了与压电晶体碰撞，它们会挤压其表面 轻微的，导致短暂的电流流过它。所以 如果您将压电晶体连接到电晶体 米，你得到 即时超声探测器。

　　艺术品：超声波如何用于清洁物品。1) 高频交流电源向三个压电换能器 (2) 供电。它们以超声波频率晃动，将它们的振动发送到薄的石英玻璃板(3)，该玻璃板将波(4)传输到充满液体(5)的盆中，您将要清洁的物体放入其中。

　　可以产生超声波 用 磁性 而不是 电力。就像压电晶体在 对电的反应，所以还有其他晶体使 超声波响应磁性。这些被称为 磁 致 伸缩 晶体和使用它们的换能器称为磁致伸缩 传感器。(磁效应被称为磁致伸缩。

　　超声波有什么用?

　　将超声波用于实际目的 有时被称为 超声——而且是 用于工业领域的一切 焊接 和 钻孔生产均质牛奶和 摄影胶片.

　　照片：这位孕妇正在观看超声波扫描 婴儿在子宫内发育。请注意超声波扫描仪(右下角)是 慢慢地在她的腹部移动，监视器(上图)显示她孩子的照片。 照片由Rafael Martie提供，由美国海军和 维基共享资源.

　　医疗超声扫描

　　超声波最著名的例子可能是医学测试。 为了避免打开身体来检测疾病，医生可以 只需在皮肤上运行超声波扫描仪即可查看内部。这 扫描仪探头通常看起来有点像 电脑鼠标. 它有一个内置的换能器，可以将无害的超声波向下发射到您的体内。如波涛汹涌 穿过不同的骨骼和组织，它们反射回来 再。同一个传感器(或旁边的一个单独的传感器)接收 反射波和连接到扫描仪的计算机使用它们来 在屏幕上绘制您内心发生的事情的详细图片。 胎儿(在子宫内发育的未出生婴儿)的扫描是这样进行的 道路。

　　照片：小型超声探头的特写。照片由Byron C. Linder提供，由美国海军提供 Flickr.

　　无损检测

　　类似的设备用于测试机器中的缺陷，例如 飞机 喷气发动机.如果有裂缝 在金属深处， 从内部检查它不会发现问题。但如果你跑 超声波扫描仪在金属外部，内部裂缝 会干扰并反射回一些超声波——所以 缺陷将 显示在测试监视器上。以这种方式检测材料是 有时称为 无损检测, 因为你没有 必须损坏或拆开东西才能检查出来。

　　照片：检查飞机发动机 超声波，无损检测。检查员正在移动 超声探头 用右手在飞机部件上。她是 同时用左手调整超声波束。 照片由Michelle Michaud提供，由美国空军提供。

　　高倍超声

　　相对低强度的超声波用于医学扫描 和无损检测。更强的超声波具有非常 不同的用途。如果你有一个疼痛的肾结石，发射有力 来自体外的超声波可以使结石振动和 析。强超声波有时也用于破坏 癌症肿瘤和脑损伤(大脑受损区域)。在一个 类似的方式，超声波可用于清洁珠宝，手表， 假牙，以及可能也是的各种机器零件 难以(或无法)以其他方式清洁。

　　声纳

　　超声波的另一个流行用途是在船舶上，用于导航 以及用于在水下定位物体。声音在水中的传播速度比在空气中传播得更快，这很有帮助 因为光几乎不穿过水。大多数人都知道 鲸鱼可以使用低频声音在整个海洋中进行交流。 潜艇 使用类似的技巧 调用的导航类型 声纳 (声音导航和测距)，有点像水下 相当于 雷达.

　　照片：监控声纳扫描屏幕需要技巧和注意力。该系统位于角斗士号船上，用于探测水雷。摄影：Peter D. Lawlor，图片由 美国海军.

　　它是如何工作的?当潜艇深入水面时，它可以通过发出声音并聆听 回声——就像使用回声定位的蝙蝠一样。通过计时需要多长时间 为了让回声回来，潜艇的导航员可以弄清楚是否还有其他回声 船舶, 潜艇或附近的其他障碍物。船舶也使用声纳进行计算 通过发射声束来绘制海深(或绘制海底地图) 直下。这种技术被称为 回波 测 深.

　　侧扫声纳

　　照片：典型的侧扫声纳拖鱼。这个使用频率为600 kHz的超声波，远高于人类听力的极限。在这里，它被连接到一艘科研船上的设备上，然后被降低到水中被拖到旁边。照片由John F. Williams提供 美国海军.

　　不同的声纳系统 使用非常宽的声音频率范围，从非常低的次声 (这可能会给鲸鱼和其他海洋生物带来问题)， 通过可听见的声音(您在战时潜艇中听到的经典“ping”噪音) 在电影中)，直到非常高的超声波(通常用于 工业拖网渔船等使用的鱼类定位系统)。高频 声音用于 侧扫声纳，其中有一个小型的鱼雷状扫描单元 被称为拖曳鱼被拖到船后面，向两侧发出宽的声纳光束。光束以一定角度离开拖鱼并再次反射回来，产生下方大面积海域(和海床)的轮廓。 侧扫声纳用于海洋考古(定位海底沉船)、海洋研究和普通捕鱼。 不同的鱼在不同程度上反射声音，通过技能和经验，不仅可以从声纳波束中找出哪些鱼存在，还可以从某个区域找出有多少条鱼。通常，使用的声音频率越高，显示的细节就越多，但有效范围越短;较高的频率最适合在相对较浅的小区域进行详细工作 水 而更深的水或远程检测则需要较低的频率。