1、超声波的仿生应用李楠413060102013 级物理学 1 班2015 年 6 月 13 日目录超声波的仿生应用 1一、 超声波的物理特性 .11. 超声波的束射性 .12. 超声波的折射和反射 .13. 超声波的散射和衍射 .24. 多普勒效应 .25. 空化作用 2二、 自然生物所使用的超声波 .21. 海豚 22. 蝙蝠和飞蛾 .3三、 超声波的运用 .31. 超声诊断仪 .32. 超声波清洗机 .43. 超声测距器 .44. 超声焊接 45. 超声碎石 56. 超声波成像 .5四、 超声波的危害 .5五、 超声波的发展 .61参考文献 72超声波的仿生应用人类赖以生存的世界，是一个不断
2、运动的物质世界，波动是运动的一种形式。这个世界充满了各种波动，比如光波，水波，电磁波声波也是其中一种最为常见的波动形式。人类的鼓膜可以察觉到这种音的波动，称之为声音，也有说法叫做可听波。也有人类感知不到而其他生物可以很容易感知到的声波，我们按物理特性称为超声波或者次声波。一、 超声波的物理特性人耳朵能听到的声波频率为 2020000Hz，当声波的振动频率大于 20000Hz 时，人耳无法听到。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。因此，我们把频率高于 20000Hz 的声波称为超声波。它在传播过程中一般会发生折射、反射、散射、衍射以及多普勒效应等现象。 1. 超声波的束射性其波长相比较
3、一般的声波而言要更短，具有良好的方向性，且能透过不透明物质。我们称之为束射性。当超声波发生体压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时，则晶体所产生的超声波就类似于光的特性，也就是方向性好。2. 超声波的折射和反射当超声波通过不同的介质时，且两介质的交界面大于超声波的波长时，就会在两介质的交界面处发生折射和反射现象。反射声强的大小取决于两介质声阻的差异程度及入射角的大小，当垂直入射时反射声强最大，反射声强愈强则折射声强愈弱。折射进第二介质的超声波会继续前进，若再次遇到不同声阻介质交界面时，会再次产生反射和折射。依次类推，被测物质密度越不均匀、界面越多，产生的3反射和折射的次数也就会越多。3. 超声波
4、的散射和衍射当两介质交界面小于超声波的波长时，超声波则会产生散射或衍射现象。散射是指超声波会以此介质为中心向四周发散，使其成为新的声源。衍射是指超声波绕过介质的边缘，继续向前传播的现象，超声波的衍射能力不强，故其直射能力好。4. 多普勒效应多普勒效应是指当声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内接收到的频率，会与声源所发出的频率不一致，如接收体与声源的距离越来越近时，那么接收体接收到的频率会增加，且增加的频率与接收体相对与声源的速度有关；反之，接收到的频率会减少，减少的频率也与接收体相对与声源的速度有关。5. 空化作用超声波在液体中随着液体的缝隙传播开时，液体的分子受到超声波的能量的传递，
5、而具有能量，分子相互作用而产生大量的气泡，这些气泡构成了空化的前提条件，能量聚集到一定的程度的时候气泡破裂产生巨大的能量把整个液体破费。二、 自然生物所使用的超声波1. 海豚海豚是小到中等尺寸的鲸类。各种种类的海豚大都是喙前额头隆起，又称“额隆” ，此类构造有助于聚集回声定位和觅食发出的声音。海豚声呐的灵敏度很高，能发现几米以外直径 0.2mm 的金属丝和直径 1mm 的尼龙绳能发现几百米外的鱼群，能遮住眼睛在插满竹竿的水池子中灵活迅速地穿行而不4会碰到竹竿。海豚声呐的“目标识别 ”能力很强，不但能识别不同的鱼类，区分开黄铜、铝、电木、塑料等不同的物质材料，还能区分开自己发声的回波和人们录下它
6、的声音而重放的声波；海豚声呐的抗干扰能力也是惊人的，如果有噪声干扰，它会提高叫声的强度盖过噪声，以使自己的判断不受影响；2. 蝙蝠和飞蛾蝙蝠用喉头发射每秒 10-20 次的超声脉冲而用耳朵接收其回波，借助这种“ 主动声呐”它可以探查到很细小的昆虫及 0.1mm 粗细的金属丝障碍物。而飞蛾等昆虫也具有“被动声呐”，能清晰地听到 40m 以外的蝙蝠超声，因而往往得以逃避攻击。然而有的蝙蝠能使用超出昆虫侦听范围的高频超声或低频超声，从而使捕捉昆虫的命中率仍然很高。三、 超声波的运用因超声波在水中的传播效果最好，故其在渔业和航海上的应用最为广泛。可用于测距、测速、测障、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒、检查
7、金属产品的缺陷、焊接铝金属、洗衣服、在玻璃上钻孔、以及沉船搜救等。1. 超声诊断仪可用于诊断人体内器官及组织的病变，由于其无创，无放射性而在医院中普遍使用。尤其是产科领域，由于胎儿对放射辐射的敏感性，基本不会对胎儿或母亲采用 X 线，CT 等。与 X 线，CT 比较，超声诊断仪有两个特点，第一是无放射性，也就是安全性高，第二是实时性，看到的图像是实时的，不需要等待胶片冲洗或数码成像的时间，这不仅仅节约了时间，而且可以实时进行测量，可以应用在心血管领域，测出血液流速，从而诊断病变情况。 由于这两个特点，超声超越了放射设备，成为医院与诊5所必备的诊断仪器。但超声诊断的图像不如 X 线清晰，且不适用
8、于骨骼内部或含气体的组织如肺部的诊断，因此不能完全替代放射设备。2. 超声波清洗机超声波可用于清洁用途，这是目前清洗效果最佳的方式。一般认为是这利用了超声在液体中的“空穴现象” 。超声波清洗机的清洁原理，在于利用超声波振动清水，使微细的真空气泡在水里产生，当真空气泡爆破时释放了储存在气泡里面的能量，释放温度约 5000以及超过 10000 磅的压力将物件表面的油脂或污垢带走。清洗机所产生的超声波的频率约为 20-50kHz，可应用在珠宝、镜片或其他光学仪器、牙医用具、外科手术用具及工业零件的清洁。除可以发出较低频率的纯机械的超声哨子以外，一般超声设备有超声电源，换能器，变幅杆，工具头等构成。换
9、能器有压电陶瓷换能器和磁致换能器两种。换能器和变幅杆的理论也可认为是一种专门的学科。3. 超声测距器这是超声波用于量度距离的实例。通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离。这与雷达测距原理相似。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。4. 超声焊接当超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的6交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不
10、能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。5. 超声碎石在超声波电路的驱动下，换能器产生特定频率的超声振动，由探针穿过内窥镜将超声振动传至结石，达到粉碎结石的目的。不需要外科手术即可去除人体内有害的结石，在医学上用处很广泛。6. 超声波成像利用超声波的频率高、波长短等带来的束射性，和反射、折射、衍射与散射等特性以及超声波在传播过程中的衰减特性交由计算机处理成像。四、 超声波的危害低剂量超声是潜在的致癌与致畸形因素，而且不同频率、
11、不同声强对不同个体有一定危害。因为超声波对固体和液体都有很强的穿透本领，能量较大时可以使物质微粒作高频振动，部分能量还可以转变为热能，使局部温度升高。人如果长期受到超声的影响，会引起人体组织轻微的发热；当频率更高时，发热就会越发厉害，使人体内水分子被烧，周围的组织遭到破坏，长时间如此就有危险。而当高强度的脉冲超声波在含有微米级小气泡的液体中传播时，超声波的“空化现象” 可导致气泡收缩、膨胀以至猛烈爆炸。美国著名超生物物理专家卡斯坦森指出，某些临床使用的超声图像诊断仪的最大输出强度已达 1 千瓦平方厘米，这个强度足以使生物体产生瞬态空化现象。对生物体来说，瞬态空化作用时，靠近爆炸气泡附近的细胞会受到7损伤，因此大功率高强度的超声波持续作用于人体是有害的。五、 超声波的发展超声在医学上站的地位日趋重要，具有很好的社会效益。国内市场具有很大的经济效益；目前进口超声仪器过多，国家每年需花费大量外汇。鉴于上述情况，发展我国的生物医学超声事业是必要的和必须的。8参考文献王纯正，徐智章超声诊断学 北京：人民卫生出版社，1999赵近芳大学物理学 北京：北京邮电大学出版社，2006（美）菲利普纳尔逊生物物理学 上海：上海科学技术出版公司，2006米克拉依尼扎买提超声波的医学应用 2013蝙蝠 海豚 超声波维基百科词条超声波原理 仿生学百度百科词条
