徐海 楚婉苓 楊敏 公明

“誰(shuí)的腳步近了，誰(shuí)的腳步遠(yuǎn)了，我都豎起耳朵……”眼睛是心靈的窗戶，而耳朵讓我們聆聽(tīng)到世上的聲音，機(jī)械的、自然的、動(dòng)聽(tīng)的、刺耳的……那聲音是什么？聲音是如何傳播的？我們又是如何利用聲波的？就讓我們?cè)谶@首由李榮浩演唱的著名歌曲《耳朵》的陪伴下，一起走進(jìn)關(guān)于聲音的科學(xué)世界。

聲音是什么

聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的聲波，是一種通過(guò)介質(zhì)（空氣或固體、液體）傳播并能被人或動(dòng)物的聽(tīng)覺(jué)器官所感知的波動(dòng)現(xiàn)象。最初發(fā)出振動(dòng)（震動(dòng)）的物體叫聲源。聲音以波的形式振動(dòng)（震動(dòng)）傳播。

聲音是一種波，具有波的普遍參數(shù)，如頻率、波長(zhǎng)、波數(shù)等。而人和不同的動(dòng)物以及很多的儀器等能夠接收到的頻率范圍是不同的。人耳能聽(tīng)到的聲音頻率范圍為20～20000赫茲，低于或超出這個(gè)范圍人耳將聽(tīng)不到任何聲音，因此，人們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為超聲波，低于20赫茲的稱為次聲波。

超聲效應(yīng)的應(yīng)用

超聲波和次聲波雖然不被人耳所接受，但超聲效應(yīng)卻已廣泛用于我們的實(shí)際生活中。

超聲成像

超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能穿透不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像技術(shù)。

超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對(duì)聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡會(huì)聚在壓電接收器上，所得電信號(hào)輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。

超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用。醫(yī)學(xué)超聲波檢查的工作原理與聲吶有一定的相似性，即將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，當(dāng)它在體內(nèi)遇到界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因?yàn)槿梭w各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過(guò)儀器所反映出的波形、曲線，或影像的特征來(lái)辨別它們。此外再結(jié)合解剖學(xué)知識(shí)、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否存在病變。

超聲處理

超聲波有能量，利用超聲的機(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，因此超聲波在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)部門(mén)獲得了廣泛應(yīng)用。

超聲波和次聲波頻率范圍

超聲波清洗

超聲波清洗的應(yīng)用原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，通過(guò)換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)清洗溶劑中。超聲波在清洗液中疏密相間地向前輻射，使液體流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小氣泡。存在于液體中的微小氣泡（空化核）在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增長(zhǎng)，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，在其周?chē)a(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力，破壞不溶性污物而使它們分散于清洗液中。當(dāng)團(tuán)體粒子被油污裹著而黏附在清洗件表面時(shí)，油被乳化，固體粒子即脫離，從而達(dá)到清洗件表面凈化的目的。

超聲手術(shù)

隨著科技的發(fā)展，醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)外科手術(shù)也經(jīng)歷了一次又一次的進(jìn)步。尤其是中國(guó)自主研發(fā)的聚焦超聲手術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不開(kāi)刀、不留疤痕，在體外對(duì)體內(nèi)進(jìn)行手術(shù)。

對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，聚焦超聲手術(shù)是新鮮事物，人們可能會(huì)認(rèn)為傳統(tǒng)的開(kāi)腹手術(shù)或者外科手術(shù)更加安全靠譜。那么，聚焦超聲手術(shù)會(huì)不會(huì)給患者帶來(lái)傷害呢？答案是否定的。

聚焦超聲手術(shù)是將體外無(wú)害的低能超聲波穿過(guò)身體聚焦到體內(nèi)患處，聚焦焦點(diǎn)的溫度瞬間可達(dá)60～100℃，使患處的細(xì)胞及組織發(fā)生凝固性壞死，從而達(dá)到治療效果。這么高的焦點(diǎn)溫度會(huì)對(duì)人體造成傷害嗎？

舉個(gè)例子，當(dāng)超聲波穿過(guò)人的手時(shí)，手只會(huì)感覺(jué)到微微的振動(dòng)，但是當(dāng)超聲波聚焦成一個(gè)點(diǎn)時(shí)，其溫度會(huì)瞬間升高，身體中的腫瘤細(xì)胞會(huì)被徹底殺死，由于焦點(diǎn)具有較高的精確性，因此身體其他組織不會(huì)受到傷害。所以，聚焦超聲手術(shù)可以做到只迫害腫瘤，而讓其他身體組織免受傷害。

超聲成像技術(shù)

既然聚焦超聲手術(shù)是將病灶組織在人體內(nèi)消融，而不是直接取出，那它會(huì)不會(huì)給人體帶來(lái)創(chuàng)傷呢？事實(shí)上，人類(lèi)擁有與生俱來(lái)的強(qiáng)大免疫能力和排異功能，當(dāng)創(chuàng)傷出現(xiàn)以后，人體會(huì)迅速啟動(dòng)自愈功能。比如人們?cè)诓唤?jīng)意間擦破表皮，幾天就可以恢復(fù)原狀，甚至看不到受傷的痕跡，這都要?dú)w功于人體免疫修復(fù)的巨大功能;當(dāng)壞死組織比如子宮肌瘤被聚焦超聲高溫殺死后，機(jī)體會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)自愈系統(tǒng)，從而將壞死組織進(jìn)行識(shí)別、包圍，繼而將其分解、吞食、吸收。

次聲波的威力

次聲波的特點(diǎn)是來(lái)源廣、傳播遠(yuǎn)、能夠繞過(guò)障礙物傳得很遠(yuǎn)。次聲的聲波頻率很低，在20赫茲以下，波長(zhǎng)卻很長(zhǎng)，傳播距離也很遠(yuǎn)。它比一般的聲波、光波和無(wú)線電波都要傳得遠(yuǎn)。例如，頻率低于1赫茲的次聲波，可以傳到幾千以至上萬(wàn)千米以外的地方。

1883年8月，南蘇門(mén)答臘島和爪哇島之間的克拉卡托火山爆發(fā)，產(chǎn)生的次聲波繞地球3圈，全長(zhǎng)十多萬(wàn)千米，歷時(shí)108小時(shí)。

1961年，蘇聯(lián)在北極圈內(nèi)新地島進(jìn)行核試驗(yàn)激起的次聲波繞地球轉(zhuǎn)了5圈。

次聲波具有極強(qiáng)的穿透力，不僅可以穿透大氣、海水、土壤，而且還能穿透堅(jiān)固的鋼筋水泥構(gòu)成的建筑物，甚至連坦克、軍艦、潛艇和飛機(jī)都不在話下。

利用超聲成像技術(shù)判斷身體健康狀況

7000赫茲的聲波用一張紙即可阻擋，而7赫茲的次聲波可以穿透十幾米厚的鋼筋混凝土。地震或核爆炸所產(chǎn)生的次聲波可將房屋摧毀。次聲如果和周?chē)矬w發(fā)生共振，就能產(chǎn)生相當(dāng)大的能量。如4～8赫茲的次聲能在人的腹腔里產(chǎn)生共振，可使心臟出現(xiàn)強(qiáng)烈共振和肺壁受損。

聲波的衰減

聲音通過(guò)聲波的形式在介質(zhì)中傳播，氣體、固體、液體都可以成為聲音傳播的介質(zhì)，而在真空環(huán)境中，聲音則無(wú)法傳播。除此之外，在三類(lèi)不同的介質(zhì)中，聲波在固體中的傳播速度最快，其次是液體，自然，聲波在氣體中的傳播速度就是最慢的。

超聲波清洗原理示意

那為什么當(dāng)窗外的噪聲讓人難以忍受的時(shí)候，關(guān)上窗戶就能有效的減弱噪音呢？

原來(lái)，雖然聲音在固體中的傳播速度是最快的，但是當(dāng)聲音從聲源出發(fā)，穿過(guò)介質(zhì)時(shí)，它就會(huì)失去一部分能量。所以，當(dāng)我們關(guān)上窗戶時(shí)，聲波中的一部分能量就會(huì)被窗戶吸收，甚至有一部分還會(huì)被反射回去，因此，原始聲波（噪聲）失去了相當(dāng)多的能量，當(dāng)我們關(guān)上窗戶后，窗外的噪聲就被顯著減小了。

面部醫(yī)療聚焦超聲示意圖

關(guān)閉窗戶能夠減小噪音的干擾

所以，聲波在不同類(lèi)型的介質(zhì)中都會(huì)有不同程度的衰減，我們甚至可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)，來(lái)更好地理解這一點(diǎn)。

找一張桌子，輕輕敲擊桌腿，感受下聽(tīng)到的聲音。接著將頭部側(cè)躺在桌面上，讓耳朵緊貼在桌面上，再敲擊一下桌腿處。怎么樣，這一次的聲音是不是又響亮又清楚，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一次聽(tīng)到的聲音呢？相信閱讀完上面的內(nèi)容后，你肯定能自己解釋其中的奧秘了！

延伸閱讀

次聲波的危害

次聲波會(huì)干擾人的神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能，危害人體健康。一定強(qiáng)度的次聲波，能使人頭暈、惡心、嘔吐、喪失平衡感甚至精神沮喪。有人認(rèn)為，暈車(chē)、暈船就是車(chē)、船在運(yùn)行時(shí)伴生的次聲波引起的。

住在十幾層高的樓房里的人，遇到大風(fēng)天氣，往往感到頭暈、惡心，這也是因?yàn)榇箫L(fēng)使高樓搖晃產(chǎn)生次聲波的緣故。更強(qiáng)的次聲波還能使人耳聾、昏迷、精神失常甚至死亡。