前言

聲學(xué)是一門研究聲音的發(fā)生、傳播、接收以及聲波與物質(zhì)相互作用的科學(xué)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，聲學(xué)進(jìn)入了各個應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。在現(xiàn)代工業(yè)、國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、科學(xué)研究和日常生活的各個領(lǐng)域，無不和聲學(xué)發(fā)生聯(lián)系。因此聲學(xué)是一門滲透性很強(qiáng)的學(xué)科。

聲學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，首先要?dú)w功于聲波的物理特性。聲是機(jī)械振動在物質(zhì)（氣體、液體和固體）中傳播的結(jié)果，聲波能穿透電磁波和光波所不能透過的介質(zhì)。聲波的振動頻率范圍很廣，從1/1000赫到100萬億赫（10－4～1014Hz）。頻率在20赫到20千赫范圍內(nèi)的聲波為人耳所能所見，屬音頻范圍。20千赫至100兆赫為超聲，100兆赫至100千兆赫為特超聲，100千兆赫以上為熱聲子運(yùn)動范圍，20赫以下為次聲。不同頻率的聲波有不同的激發(fā)和接收方式以及不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

以下就幾個主要的領(lǐng)域加以簡單介紹：

1、聲學(xué)和物理學(xué)

聲學(xué)是物理學(xué)的一個重要分支，也是物理學(xué)中最古老的分支之一。在物理學(xué)的發(fā)展中，聲學(xué)有著卓越的貢獻(xiàn)。首先，聲學(xué)所研究的機(jī)械振動及其在各種物質(zhì)中傳播的屬性是物理學(xué)的本質(zhì)之一。Rayleigh于19世紀(jì)末最早提出聲波動理論，對后來的各種波動傳播理論的發(fā)展有重要作用。

 

在聲與物質(zhì)相互作用的研究過程中，到目前為止，雖然主要是研究物質(zhì)的聲速、聲衰減及密度、彈性系數(shù)（粘滯系數(shù)）等宏觀量，但通過宏觀量的測量，可以揭示物質(zhì)微觀世界的本質(zhì)。如分子聲學(xué)從超聲傳播速度和衰減及其弛豫效應(yīng)的測定，可以研究氣體中分子的各種運(yùn)動之間的能量轉(zhuǎn)移以及分子間的能量轉(zhuǎn)移、液體中的各種分子結(jié)構(gòu)有關(guān)的動力學(xué)過程，以及固體物質(zhì)的相變、缺陷、晶粒尺寸乃至微觀的分子結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體中的能隙及能級分布情況等。

 

當(dāng)聲波強(qiáng)度較強(qiáng)時，除了線性效應(yīng)之外，還有非線性效應(yīng)出現(xiàn)。早在本世紀(jì)二三十年代，就已發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)聲波在液體中產(chǎn)生空泡（因液體耐壓而不耐拉），在空泡內(nèi)聚能可達(dá)1011巴（相當(dāng)于108大氣壓），溫度可升至104? K（即10000度）以上，因而導(dǎo)致發(fā)光等特殊現(xiàn)象，亦稱“聲致發(fā)光”。空泡中的超高溫和超高壓引起物理學(xué)家和化學(xué)家的重視，希望有可能引起核聚變等重要的物理和化學(xué)效應(yīng)。近年來，發(fā)現(xiàn)非線性參量對不均勻結(jié)構(gòu)及相變的響應(yīng)比線性物理量更為敏感。此外，固體物質(zhì)的非線性性質(zhì)引起聲波的非簡諧共振、混頻、高次諧波產(chǎn)生等等，其機(jī)理均可歸結(jié)為原子之間相互作用勢的存在以及分子內(nèi)平衡位置的改變等等。總之，高頻聲波的傳播與聲子-聲子、聲子-電子以及聲子與其他激子間的相互作用相聯(lián)系的。

 

至于非線性聲學(xué)所研究的孤子、分岔與混沌的問題是自然界普遍存在并有重要應(yīng)用前景的現(xiàn)象，是目前非線性動力學(xué)的一個重要主題之一。通過水波孤子和混沌的研究，可以直接觀察到孤子的形成，多孤子相互作用及孤子和混沌之間的相互轉(zhuǎn)化過程等，顯示了物理現(xiàn)象的統(tǒng)一性，從而對揭示自然界的普遍規(guī)律有積極的意義。

 

在超低溫條件下研究He超流的意義上來看，從第一聲（即通常聲波）到第五聲的研究，可以探求在超低溫下液氦的各種熱力學(xué)參量，從而對超流相微觀結(jié)構(gòu)的研究具有特殊的意義。

 

2、超聲在工業(yè)上的應(yīng)用

超聲的工業(yè)應(yīng)用是超聲技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，應(yīng)用范圍非常廣泛，歸納起來主要有兩大類：一是超聲加工處理；二是超聲檢測。

 

1） 大功率超聲的工業(yè)應(yīng)用

利用大功率超聲波作用于物質(zhì)，可改變物質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)。例如，在含有煙霧粒子和灰塵的氣體中發(fā)射大功率超聲，不同尺度的粒子振動速度不同，則互相碰撞，從而可加速粒子的凝聚；在液體中發(fā)射大功率超聲，會在液體中產(chǎn)生“空化現(xiàn)象”，即波動引起的稀疏過程使液體產(chǎn)生空泡，壓縮過程使空泡破碎而在周圍產(chǎn)生機(jī)械沖力。從而可實現(xiàn)清洗、乳化、脫氣以及使固體粒子懸浮、或使高分子分解和聚合，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等；在固體中發(fā)射大功率超聲，可用于粉碎、研磨，切割、加工和焊接等等。

 

 

此外，利用固體中超聲波的特殊波形，研制成超聲馬達(dá)，具有體積小、響應(yīng)快、精度高和無電磁感應(yīng)等特殊性能，適用于傳真機(jī)、打印機(jī)等現(xiàn)代化辦公設(shè)備中傳送紙張。

 

2） 超聲檢測和無損評價

在當(dāng)前高科技發(fā)展中，先進(jìn)的材料及各種器件、設(shè)備的研究和發(fā)展越來越引起重視。相應(yīng)地對無損評價技術(shù)的要求也越來越高。超聲無損評價（或超聲檢測）與電磁波、X光及粒子探測技術(shù)并列為探索物質(zhì)的四大技術(shù)。

 

超聲波由于能穿透電磁波、光波等無法穿透的物質(zhì)，同時又能在兩種物質(zhì)（兩者的密度和聲速顯著不同）的界面上反射。如果某種物質(zhì)內(nèi)部存在不均勻性，如氣泡、裂痕、夾雜、疏松、位錯或脫粘等缺陷，就會引起超聲波的反射。因此，利用超聲波能探測物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)（缺陷和不均勻分布）等。目前，利用各種超聲探傷儀可以對各種機(jī)械零部件，包括航空、航天飛機(jī)機(jī)殼及發(fā)動機(jī)零部件等進(jìn)行無損檢測，也可用于對裝載核反應(yīng)物質(zhì)的容器、輸油和輸氣管道以及鍋爐等壓力容器進(jìn)行無損檢測等。

 

另一方面，超聲顯微鏡可用于微米量級的微觀結(jié)構(gòu)或缺陷的研究和探查，可以研究材料和微型器件的介觀特性和結(jié)構(gòu)。近年來，在電子顯微鏡、隧道顯微鏡及原子力顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展的電子聲顯微鏡、隧道聲顯微鏡及調(diào)制力顯微鏡等新型顯微鏡成像系統(tǒng)，更將聲成像分辨率提高到納米量級，從而有可能在原子尺度的量級上研究材料的表面和亞表面結(jié)構(gòu)。

 

超聲技術(shù)還可用于測量流體的流速、流量、粘度、溫度及液位等。因此也是一種重要的測量技術(shù)。

 

近年來，由于激光技術(shù)的飛速發(fā)展，利用激光脈沖激發(fā)超聲波成為當(dāng)前的研究熱點之一。激光脈沖可以非接觸式地在凝聚態(tài)物質(zhì)中激發(fā)超聲波，從而可以實現(xiàn)遙感遙測的任務(wù)。同時，由于激光束可以聚焦，因而可以對小尺寸材料進(jìn)行激光超聲研究。

 

3、光聲學(xué)與激光超聲

當(dāng)強(qiáng)度調(diào)制的激光束照射于物質(zhì)（包括氣體、液體和固體）時，物質(zhì)吸收光能而產(chǎn)生熱，周期性熱流使周圍的介質(zhì)熱脹冷縮而激發(fā)聲波，這種將光能轉(zhuǎn)化為聲能的現(xiàn)象稱為光聲效應(yīng)。其中間過程為熱能的轉(zhuǎn)換和傳遞的過程，因此亦稱熱波。

 

由于光聲效應(yīng)與物質(zhì)的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)以及幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此測定光聲信號可以檢測物質(zhì)的宏觀、介觀乃至微觀特性和結(jié)構(gòu)等。利用光聲效應(yīng)研究、分析和檢測物質(zhì)的方法即為光聲熱波技術(shù)。通常有光聲譜儀用于成分和能級結(jié)構(gòu)分析，以及光聲顯微鏡用于空間結(jié)構(gòu)分布的檢測。

 

另一方面，有關(guān)材料的光學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)的研究已有大量的工作，但有關(guān)熱學(xué)性質(zhì)的研究則為數(shù)甚少，原因主要是缺乏有效的測試手段。新型的熱波技術(shù)正是有效地解決了這個問題，并且適合于測量小尺寸樣品的熱學(xué)性質(zhì)，如熱擴(kuò)散系數(shù)、熱傳導(dǎo)等。對于某些利用其散熱或抗熱性能的材料，檢測其熱學(xué)性質(zhì)是極為重要的。近十年來，隨著近代光學(xué)（激光）技術(shù)、電子技術(shù)及聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光聲技術(shù)（或稱熱波技術(shù)）也以不同的測試方法和多種形式發(fā)展起來。與紅外照相（熱像）技術(shù)相結(jié)合發(fā)展的熱脈沖回波成像技術(shù)，適合于對航空、航天飛機(jī)、輸氣、輸油管道等大型機(jī)件的非接觸式大面積的無損檢測，國外已在許多部門發(fā)揮作用。

 

隨著脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，利用脈沖激光激發(fā)超聲波，便成為非接觸式激發(fā)超聲波的有效手段。為此相應(yīng)地發(fā)展了多種非接觸式檢測振動和位移的新方法，其中最主要的要屬光干涉法。將光激發(fā)和光檢測相結(jié)合形成非接觸式激發(fā)和檢測聲波的全光學(xué)方法，適用于在極端環(huán)境下（高溫、高壓、腐蝕及放射性等）對材料和設(shè)備進(jìn)行分析和測試。近年來利用皮秒（10－12秒）或飛秒（10－15秒）量級的超短激光脈沖在凝聚態(tài)物質(zhì)中激發(fā)1011赫以上頻段的特高頻聲子。即在固體中激發(fā)接近固體的晶格振動頻率的特超聲，可以直接研究固體中熱聲子、電子及其有關(guān)的量子力學(xué)意義上的效應(yīng)。在液體中激發(fā)特超聲，可以研究液體分子受激振蕩及超快弛豫過程等。

 

由于光聲效應(yīng)反映的是物質(zhì)吸收光能后產(chǎn)生熱能及聲能，因此與傳統(tǒng)的光學(xué)方法相比，具有更高的靈敏度，并且對測試的樣品沒有特殊的要求，因此更為實用，成為傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)的有力補(bǔ)充。

 

利用激光脈沖在水中激發(fā)聲脈沖，可用于江、湖、河、海的水下目標(biāo)及海洋地層結(jié)構(gòu)探測或水下通信，也是當(dāng)今水聲學(xué)的研究課題之一。

 

4、聲電子技術(shù)

聲波歷來是人類實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)遞的主要媒介。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，信息交流日益頻繁，并且逐漸發(fā)展為遠(yuǎn)距離通訊。因此對信息的優(yōu)質(zhì)傳遞提出更高的要求。最常用的信息傳遞載體是無線電波，近年來還利用光纜，即利用光波。但是，以聲波為載體，并對信號進(jìn)行加工處理有其特殊的優(yōu)越性，因此是很重要的一個方面。聲電子學(xué)就是研究以聲波作為信息載體，在聲波的產(chǎn)生、傳播和接收過程中，對信息進(jìn)行加工處理的一個學(xué)科分支。

 

在60至70年代，曾經(jīng)利用聲波在固體內(nèi)激發(fā)和傳播的過程制作固體聲波器件，有濾波器、延遲線等等，以代替常用電阻、電容和電感組合的濾波器或用電纜實現(xiàn)信號延遲。因電磁波在電纜內(nèi)的傳播速度比固體中超聲波的傳播速度快105倍，如要實現(xiàn)相同的延遲時間，聲波器件是1厘米時，電纜長度要 1公里左右。因此利用聲電子器件，可使無線電元器件小型化、固定化，并且性能穩(wěn)定、制作方便。

 

70年代初期，聲表面波器件問世，它的優(yōu)點是對換能器的形狀可以任意設(shè)計，因此為器件的性能改進(jìn)提供了極為方便的途徑。其次是器件的制作只是利用與半導(dǎo)體集成電路工藝極為類似的生產(chǎn)程序，因此重復(fù)性好，性能穩(wěn)定，體積更小型化，并可實現(xiàn)批量生產(chǎn)，為聲電子器件開拓了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)展迅速。聲表面波器件可對信號完成傳遞、延遲、濾波、展寬、壓縮、移頻、調(diào)制、解調(diào)、開關(guān)、放大、編碼、解碼、卷積相關(guān)、頻譜分析、富氏變換及其他數(shù)學(xué)變換等信號處理功能。聲表面波器件廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、電子對抗、電視廣播、光電子學(xué)以及傳感控制等領(lǐng)域。目前主要是幾十兆赫至幾百兆赫頻段。

 

隨著移動電話的發(fā)展，聲電子器件將向更高頻、更精確、更小型化發(fā)展。向高頻發(fā)展方面，目前工藝上可接受的聲表面波器件高頻限是1GHz左右。

另一方面，為超聲電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的需要，推動相應(yīng)的理論基礎(chǔ)同時發(fā)展起來。除有關(guān)聲表面波的基礎(chǔ)理論迅速發(fā)展之外，也推動聲與半導(dǎo)體載流子、聲與聲、聲與光等相互作用的機(jī)理的研究和發(fā)展。作為聲波的激發(fā)、傳播和檢測的基礎(chǔ)，晶體物理與技術(shù)也相應(yīng)地進(jìn)一步向縱深發(fā)展起來。

 

5、生物醫(yī)學(xué)超聲

自第二次世界大戰(zhàn)以來，先進(jìn)的工程技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合，逐步發(fā)展形成了一個新的科學(xué)技術(shù)分支，稱為生物醫(yī)學(xué)工程。20世紀(jì)后半期，生物醫(yī)學(xué)發(fā)展很快，將超聲技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合，即形成生物醫(yī)學(xué)超聲分支學(xué)科。

近年來，超聲診斷在醫(yī)院中已普遍推廣，許多疾病都可由超聲診斷儀器（如A型掃描儀，B型超聲斷面顯像儀，多普勒血流圖等等）早期發(fā)現(xiàn)。超聲多普勒成像系統(tǒng)可以對顱腦內(nèi)血管及血流情況以彩色圖形進(jìn)行實時顯示。甚至發(fā)展對全身各部位的血流進(jìn)行多普勒彩色圖形顯示。超聲與X光、核磁共振成為醫(yī)學(xué)三大診斷手段。
為了能更準(zhǔn)確地診斷早期病灶，了解聲波參量與生物組織的生理和病理狀態(tài)之間的關(guān)系是至關(guān)重要的。因此，聲波在生物器官和組織內(nèi)的傳播規(guī)律的研究引起很大重視，超聲診斷儀器設(shè)備也不斷發(fā)展之中。最近，利用非線性參量成像，有別于上述的根據(jù)聲速和衰減等線性參量成像的傳統(tǒng)設(shè)備，對生物組織的病理現(xiàn)象更為敏感。
此外，還將多媒體技術(shù)用于超聲診斷，建立圖形檔案與通訊系統(tǒng)，其特點是可以存儲管理大量病人超聲診斷圖像信息，并進(jìn)行三維組合形成立體信息。

大功率超聲還可使人體局部加熱，并且超聲波的振動可進(jìn)人體，因此，熱效應(yīng)、振動效應(yīng)以及由強(qiáng)振動引起的空化效應(yīng)均可以用于治療疾病，促進(jìn)藥物擴(kuò)散。甚至用于外科手術(shù)，如眼科手術(shù)、骨骼修復(fù)，腫瘤消除等等。

（ 本文分三次連載）

作者簡介

張淑儀，1956年畢業(yè)于南京大學(xué)物理系，后留校攻讀聲學(xué)專業(yè)研究生，1960年畢業(yè)留校任教，并長期從事超聲物理和光聲科學(xué)研究。1985年曾應(yīng)邀為美國韋恩大學(xué)訪問副教授、1988年和1990年曾分別應(yīng)邀為法國巴黎理化學(xué)院和日本東京大學(xué)訪問教授。1991年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。自1992年-2001年任南京大學(xué)聲學(xué)研究所所長，現(xiàn)（曾）任中國聲學(xué)學(xué)會副理事長，江蘇省聲學(xué)學(xué)會理事長，國際光聲光熱常務(wù)理事會理事，國際理論物理中心顧問，國際無損評價中心聯(lián)合會理事。1991年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。

科研成就

在上世紀(jì)50年代末，對當(dāng)時蘇聯(lián)分子聲學(xué)界有爭議的一些有機(jī)液體的超聲弛豫吸收問題進(jìn)行研究，澄清了事實，結(jié)束了這場爭論。有關(guān)蘇聯(lián)專家在蘇聯(lián)聲學(xué)學(xué)報上著文介紹并加以贊揚(yáng) (1960)。70年代末，建立了三套激光探針檢測固體聲場。首次觀察到在Z－石英表面激發(fā)的偽表面波，并對圓弧型換能器激發(fā)聲場特性進(jìn)行研究，指正了國際上兩種不正確觀點。

1980年創(chuàng)建光聲小組 （1986年發(fā)展為光聲科學(xué)研究室），二十年來設(shè)計和建立多種光聲熱波設(shè)備，首先研制成光聲顯微鏡，并提出以位相調(diào)節(jié)實現(xiàn)分層成象，國際同行認(rèn)為是國際上最好的分層成象。此后又研制了光電顯微鏡、激光掃描共焦顯微鏡，光調(diào)制反射探針，電子聲熱波成象等顯微成象系統(tǒng)等，對固體材料和器件進(jìn)行分層成象研究，發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象，并提出新的理論解釋。同時，研究脈沖激光在凝聚態(tài)物質(zhì)中激發(fā)超聲波及其與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和參量之間的關(guān)系，解決了某些機(jī)理和測試研究中尚未解決的問題。 

數(shù)十年來，張淑儀院士小組研制成10余種儀器設(shè)備，發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，參加撰寫專著3本（在美國出版），獲國家、省部級科技進(jìn)步獎12項。主辦國際會議三屆，并主編國際會議論文集3冊 。

文章來源：聲學(xué)樓論壇