朱 琴 趙詩華

(1. 北京市昌平區(qū)第二中學,北京 102208; 2. 中國礦業(yè)大學(北京)理學院,北京 100083)

聲波是一種縱波,即媒質質點的振動方向與聲波的傳播方向相一致．可聞聲波頻率在20～20000 Hz之間,頻率低于20 Hz的聲波稱為次聲波,頻率高于20000 Hz的聲波稱為超聲波．

雖然通常所說的聲波頻率范圍是針對人類而言的,不過這也是大多數動物所使用的聲波波段．對這一波段的共享,使得我們能夠聽見貓、狗、牛、馬的叫聲,貓、狗、牛、馬也能夠聽到我們的呼喚.聲音作為最有效的工具,早已在人類飼養(yǎng)牲畜和寵物的過程中廣泛使用．實際上聲音是人類和動物從外部環(huán)境獲取信息以及互相溝通的重要手段．信息交換事關動物的生存大計,需要速度快并且范圍大．身為信使,空氣中的聲速約為340 m/s,遠大于人和動物的運動速度,有“迅雷不及掩耳”之語,可謂快矣．范圍大意味著聲波傳播距離越遠就越能體現其效用．比如獅子的吼聲可聞于數公里之外,從而能夠有效地宣示領地或恫嚇對手．

為何人類和動物會共同使用聲波波段傳遞信息?如果獨享某一波段,豈不造就了私密性的優(yōu)點?為此,我們從下述例題著手討論．[1]

例1.空氣中聲波的吸收系數為α1=2×10-11ν2m-1,鋼中的吸收系數為α2=4×10-7νm-1,式中ν代表聲波頻率．問5 MHz的超聲波透過多少厚度的空氣或鋼后,其聲強減為原來的1%?

解析:據題意,對于5 MHz的超聲波空氣和鋼的吸收系數分別為

α1=2×10-11(5×106)2m-1=500 m-1,

α2=4×10-7×5×106m-1=2 m-1.

由此可見高頻超聲波很難透過氣體,但極易透過固體．這不僅解釋了利用超聲波無損檢測的原理,同時也揭示了為什么動物會共用上述波段的聲波頻率．雖然可聞聲波的頻率上限是20000 Hz,但實際上人和動物發(fā)出的聲音的頻率一般都在幾千赫茲以下．若將例題中的頻率改為20000 Hz,易知在空氣中傳播不到300 m就會衰減到1%,影響范圍十分有限．相比之下,雷聲的頻率一般在800 Hz以內,其聲強譜的峰值頻率在4～125 Hz間,傳播距離可達幾十公里．頻率越高衰減越快,這一規(guī)律限制了聲波在空氣中傳播頻率的上限．

既然頻率越低吸收越小,為什么聲波頻率到20 Hz就截止呢?原因在于生物體器官的固有頻率在幾個赫茲到十幾赫茲之間,頻率低于20 Hz的次聲波會使器官產生共振,導致不適甚至損傷,[2,3]這一規(guī)律決定了聲波頻率的下限．比如日常生活中所說的“岔氣”,實際上是呼吸肌痙攣,從而導致疼痛．跑步的步頻為幾赫茲,恰好和呼吸肌痙攣頻率接近．跑步容易引發(fā)岔氣,從物理上分析,這個現象和受迫振動、共振原理有密切關系,呼吸肌的固有頻率表現為痙攣頻率．如果我們能夠用這種次聲波頻率來發(fā)聲,剛剛吆喝兩下可能就岔氣了吧．

由于上述原因,使得聲波波段成為人和動物共享的通用波段．當然,不同物種之間也存在差異．比如狗的聽覺不僅非常靈敏,而且還能聽到頻率高達50000 Hz的超聲波,于是就產生了超聲波犬笛這種訓狗工具．甚至在更早之前,西伯利亞的獵人有一種能發(fā)出超聲波的哨子,用來指揮獵狗幫助狩獵[3]．應當提及,有些水生動物能夠發(fā)射和接收超聲波,比如海豚,可使用頻率超過十萬赫茲的超聲波．之所以同陸生動物有如此顯著的差別,原因包括兩方面．一方面因為水的吸收系數遠小于空氣的吸收系數,以至于超聲波可以在水中長距離傳播,從而可以成為有效的信息載體．另一方面是由于水對于可見光的強烈吸收致使深水區(qū)漆黑一團,超聲波起到聲吶探測的作用,替代了視覺功能．聲吶的探測精度取決于波長,而海水中聲波波速約為1500 m/s,頻率十萬赫茲的超聲波的波長約為1.5 cm．海豚聲吶的靈敏度很高,能遮住眼睛在插滿竹竿的水池子中靈活迅速地穿行而不會碰到竹竿,能發(fā)現幾米外長度為十幾毫米的小魚,在某些性能上超過了人類制造的聲吶．[3]

由于人體組織主要成分是水,而水對超聲波的吸收系數比較小,可以順利地在人體組織里傳播．超聲波遇到不同的介質交界面時會產生反射波.這些特點構成了今天超聲儀器在醫(yī)學領域廣泛應用的基礎．B超成像的基本原理就是:向人體發(fā)射一組超聲波,按一定的方向進行掃描．根據監(jiān)測其回聲的延遲時間、強弱就可以判斷臟器的距離及性質．經過電子電路和計算機的處理, 形成了我們今天的B超圖像．除了B超,超聲清洗也是廣為應用的技術,不過其工作機制不依賴于吸收,而是和受迫振動有關．為闡明其這一點,我們先來看下面例題．

例2.頻率為500 kHz,聲強為1200 W/m2,聲速為1500 m/s的超聲波,在水中傳播時,求其聲壓振幅為多少大氣壓?又位移振幅、加速度振幅各為多少?

解析:I=1200 W/m2,水的密度為ρ=1×103kg/m3,聲壓振幅為

位移振幅為

加速度振幅為

am=Aω2=1.27×10-8×(2π×500×103)2m/s2=1.26×105m/s2≈1.29×104g.

由例題結果可見,雖然位移振幅不足1 nm,但是加速度振幅達到104倍重力加速度．如果用來清洗,1 nm的振幅不會造成器件的損傷,而污垢依靠粘附力附著在器件上,難以產生上萬倍重力加速度跟隨器件做受迫振動,于是脫落下來．這就是超聲清洗的機理,和我們拍拍衣服把灰塵抖下來一個道理．

通過上文的討論,我們看到,聲波頻段為人和動物共享,導致這一現象的原因和空氣對聲波的吸收系數以及生物體器官的固有頻率有關．并且同樣是由于吸收和受迫振動的影響,超聲波可以用來探測和清潔．