聲音是怎樣形成的，超聲波就是怎樣形成的。通常我們所聽到的聲音，特別是噪聲，實際上包含了很寬的頻帶，既有次聲、普通聲音，也有超聲，只不過人耳只能聽到普通聲音而已。人聽到的聲音頻率是20～20000Hz的聲波信號，頻率低于20Hz的聲波叫做“次聲波”，頻率高于20000Hz的聲波叫做“超聲波”。

一、超聲波的性質和作用

聲波的傳遞依照正弦曲線縱向傳播，有強的聲波信號和弱的聲波信號(即波峰和波谷)，依次傳遞。當弱的聲波信號作用到液體時，會對液體產(chǎn)生一定的負壓，使液體內形成許許多多微小的氣泡;而當強的聲波信號作用到液體時，則會對液體產(chǎn)生一定的正壓，因而，液體中形成的微小氣泡被壓碎。研究表明：超音波作用于液體時，液體中每個氣泡的破裂會產(chǎn)生力量極大的沖擊波，瞬間強度高達上千個的大氣壓，這種現(xiàn)象被稱為“空化效應”。

由于機械波的很多性質都和頻率密切相關，比如透射率、衰減系數(shù)、輻射本領等等，所以人們經(jīng)常使用處于超聲波段的聲波來達到某些用途(次聲波也是如此)。這時人們可以用特殊的儀器產(chǎn)生窄頻帶的超聲波，以提高利用率。具體的做法一般就是讓聲源以高于20000Hz的頻率振動，輻射出去的自然就是超聲波了。

由于高于20000Hz的聲源用機械方法很難產(chǎn)生，所以通常都是用振蕩電路產(chǎn)生的電信號激勵聲源振動。從本質上講，超聲波和電并沒有必然的聯(lián)系，只要能產(chǎn)生20000Hz以上的聲源，不管用什么方法，都能產(chǎn)生超聲波。

二、超聲波的作用原理

超聲波在傳播過程中與媒介相互作用，相位和振幅發(fā)生變化，使媒質的一些物理、化學和生物特性或狀態(tài)發(fā)生改變，或者使這種改變的過程加快，從而產(chǎn)生一系列效應，如力學、熱學、化學和生物效應等。這些效應可歸結為以下三種基本作用：

㈠熱作用

超聲波在媒質中傳播時，大振幅聲波會形成鋸齒形波面的周期性激波，在波面處造成很大的壓強梯度。振動能量不斷被媒質吸收轉化為熱量而使媒質溫度升高，吸收的能量可升高媒質的整體溫度和邊界外的局部溫度等。

㈡機械作用

超聲波是機械能量的傳遞形式，與波動過程有關，會產(chǎn)生線性的交變振動作用，原點位移、振動速度、加速度以及聲壓參數(shù)可以表現(xiàn)超聲效應。超聲波在液體中傳播時，其間質點位移振幅雖然很小，但超聲引起的質點加速度卻非常大。當20kHz、1W/m2的超聲波在水中傳播時，其產(chǎn)生的超聲波壓力在-173kPa～173kPa，最大質點加速度達14.4km/s2。因此，超聲波作用于液體時會產(chǎn)生激烈而快速變化的機械運動。

㈢空化作用

超聲波聲化學效應的主要作用之一是聲空化。聲空化是指液體中的微小泡核(空化泡)在超聲波作用下被激活產(chǎn)生振動，當聲壓達到一定值時發(fā)生振蕩、生長、收縮乃至崩潰的一系列動力學過程?？栈瘹馀菰诔暤淖饔孟陆?jīng)歷超聲的稀疏相和壓縮相時，氣泡經(jīng)多次周期振蕩最終以高速崩裂。由于空化氣泡壽命極短(約0.1μs)，可產(chǎn)生高速(110m/s)微射流，碰撞密度高達1.5kg/m2，產(chǎn)生高電流，并伴有強烈的沖擊波?？栈箽庀喾磻獪囟冗_5000K左右，液相反應溫度達1900K左右，局部壓力50MPa，溫度變化率高達1.0×109K/s。這樣可使媒質在空化氣泡內發(fā)生化學鍵破裂、水相燃燒或熱分解，并可促進均相界面的擾動和相界面的更新，從而加速界面間的傳質和傳熱過程。

三、超聲波的物理特性

㈠超聲場特性

超聲波在介質內傳播的過程中，明顯受到超聲振動影響的區(qū)域稱超聲場。

超聲場具有以下特點：如果超聲換能器的直徑明顯大于超聲波波長，則所發(fā)射的超聲波能量集中成束狀向前傳播，這現(xiàn)象稱為超聲波的束射性(或稱指向性)。

換能器近側的超聲波束寬度與聲源直徑相近似，平行而不擴散，近似平面波，該區(qū)域稱近場區(qū)。近場區(qū)內聲強分布不均勻。近場區(qū)以外的聲波以某一角度擴散稱遠場區(qū)。該區(qū)聲波近似球面向外擴散，聲強分布均勻，但逐漸減弱，換能器的頻率愈高，直徑愈大，則超聲束的指向性越好、其能量越集中。近場距離，遠場擴散角與換能直徑及頻率的關系如公式所示：

L0=r2f/Csinθ=1.22λ/D

式中L0為近場距離，r為換能器半徑，f為頻率，C為聲速、θ為半擴散角、D為換能器直徑，λ為超聲波波長。

㈡超聲波的反射與散射

1、聲阻抗：介質的密度與超聲在介質中傳播速度的乘積稱聲阻抗。聲阻抗值一般為固體大于液體大于氣體。

超聲波在密度均勻的介質中傳播，不產(chǎn)生反射和散射。當通過聲阻抗不同的介質時，在兩種介質的交界面上產(chǎn)生反射與折射或散射與繞射。

2、反射、折射與透射：凡超聲束所遇界面的直徑大于超聲波波長時，產(chǎn)生反射與折射。

成角入射時，反射角等于入射角，反射聲束與入射聲束方向相反。垂直入射時，產(chǎn)生垂直反射與透射。

反射聲強取決于兩介質的聲阻差異及入射角的大小。垂直入射時，反射聲強最大。反射聲能愈強則折射或透射聲能愈弱。進入第二介質的超聲繼續(xù)往前傳播，遇不同聲阻抗的介質時，再產(chǎn)生反射，依次類推，被檢測的物體密度越不均勻，界面越多，則產(chǎn)生的反射也愈多。

3、散射與繞射：超聲波在傳播時，遇到與超聲波波長近似或小于波長(小界面)的介質時，產(chǎn)生散射與繞射。散射為小介質向四周發(fā)散超聲，又成為新的聲源繞射是超聲繞過障礙物的邊緣，繼續(xù)向前傳播。散射回聲強度與超聲波入射角無關。

㈢超聲衰減

超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，聲強逐漸減弱，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。引起衰竭的主要原因是介質對超聲波的吸收(粘滯吸收及熱傳導吸收)。超聲波頻率愈高，介質的吸收愈多;其次為能量的分散如反射、折射、散射等。使原傳播方向上的能量逐漸減弱。

㈣多普勒效應

聲源和接收體作相對運動時，接收體在單位時間內收到的振動次數(shù)(頻率)，除聲源發(fā)出者外，還由于接收體向前運動而多接收到(距離/波長個)振動，即收到的頻率增加了。相反，聲源和接收體作背離運動時，接收體收到的頻率就減少，這種頻率增加和減少的現(xiàn)象稱為多普勒效應。