看看科学家们都在用超声波干什么？ | 走进实验室
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如今，孕妈们在社交媒体上大面积地刷屏晒孕照已经成了一股风潮。那么每一个孕妈都要接触的B超，是什么原理呢？为什么B超可以看到肚子里面的宝宝呢？这就需要先介绍一下背后的功臣——超声波。
B超（图/Pixabay）
超声波是什么
声波频率范围（图/中科院声学所）
超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，人耳通常听不见。超声波的方向性好，穿透能力强，容易获得较集中的声波能量，在水中传播距离远。由于这些特点，超声波在日常生活中的应用非常广泛，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。
超声波的产品想必大家都用过，比如去医院洗牙，去眼镜店洗眼镜，体检的时候做B超等。有没有发现超声波还是挺神通广大的呢？
来实验室看看奇妙的超声应用
在中国科学院声学研究所的超声技术中心，近百名科研人员每天都在钻研与超声有关的问题。
超声技术中心的前身是由我国著名物理学家和教育家应崇福院士创立的超声室。目前共有五大研究方向，分别是检测声学与海洋装备无损检测、固体声学与海洋深部钻测、微声学与微器件、医用声学、计算声学与声能应用。
2018年公众科学日的超声技术中心（图/中科院声学所）
下面大院er就带你走进超声技术中心，观看和体验一下超声波科普实验，近距离感受超声波如何大显神通。
1.超声清洗
2018年公众科学日现场：小朋友们尝试用超声清洗玻璃杯上的油渍（图/中科院声学所）
超声清洗，是指利用超声波去除液体中样品表面污垢的过程，比如清除眼镜表面的油渍或者灰尘。在这里，主要利用超声波在液体中发生空化时产生微射流、冲击波等强声效应，剥离样品表面的污垢，达到清洗的目的，就像高压枪清洗汽车一样。
超声清洗（图/中科院声学所）
目前，超声清洗已经是一项成熟的技术，在实验室、医院等场合都已经应用。超声清洗机也已经成为生活电器之一，用来清洁眼镜、首饰等日常用品。
2.超声乳化
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尖锐的嗞声一响起，超声乳化过程就开始了(视频/中科院声学所)
超声乳化，是指在超声波能量作用下，使两种（或两种以上）很难相溶液体（比如油和水）混合均匀形成分散物系，其中一种液体均匀分布在另一液体之中而形成乳状液的过程。
超声乳化（图/中科院声学所）
超声乳化处理形成的乳状液均匀性和稳定性好，所以，女士们经常用的乳液等化妆品、医院里面的乳制药品，还有乳制食品都可以应用超声乳化制备而成。没想到吧？
3.超声雾化
2018年公众科学日现场：小朋友们迫不及待要摸一下超声加湿缸（图/中科院声学所）
北方天气比较干燥，很多家庭都会使用加湿器。插上电后，加湿器就开始冒“烟”。其实，这“烟”不是真正的烟，而是颗粒很小的雾滴。那加湿器是怎么把大水滴变成小雾滴的呢？
超声雾化（图/中科院声学所）
看上面的动图，是不是很直观？加湿器的底部有一个超声波发射器，发出的超声波就跟火箭喷发一样，把水击碎成很多微小的小水滴冲出水面，就变成我们看到的雾化效果了。由于它并不是水加热蒸发，所以摸起来还是凉凉的。医院里面的雾化器也是使用超声波进行雾化。
雾化器（图片来源见水印）
4.动态光弹（tán）成像
我们知道，声波是看不见的。但是利用动态光弹成像，我们就可以非常直观地看到声波在透明固体中的传播路线。
2018年公众科学日现场：小朋友们和家长一起观看《超声波的可视化》科普微视频（图/中科院声学所）
动态光弹超声成像系统装置示意图（图/中科院声学所）
动态光弹超声成像系统实物图（图/中科院声学所）
动弹光弹成像（图/中科院声学所）
固体中的超声波具有改变光偏振方向的能力，即暂时双折射效应。有些物质（如玻璃、塑料、环氧树脂）通常不发生双折射，但当它们内部有应力或者受到电场作用，就会出现双折射现象。一般而言，自然光难以通过两片相互垂直的偏振片，当带有超声的透明试块置于两块相互垂直的偏振片之间时，由于暂时双折射效应，部分入射光得以通过，并被成像屏捕捉，从而显示出超声波的波形。通过时延同步装置调节入射光与超声发射的延时，即可观察超声的轨迹。
与解析和数值方法相比，动态光弹成像法提供的实验结果更为准确和接近实际物理模型，能够对数值模拟方法进行实验验证。
5.“工业B超”
超声遇到传播介质的不均匀或不连续处会产生反射和衍射，利用超声的这种特性，科研人员开发了医用B超（比如给胎儿拍摄第一张照片）与“工业B超”。
医用B超
超声波诊断仪可分为A、B、C、F四类，其中最常用的是B类。平时说的“B超”就是向人体发射超声波，同时接受体内脏器的反射波，将所携信息反映在屏幕上。
超声和普通的声音一样，能定向传播，一部分声音穿透物体，一部分声音被组织吸收，一部分声音被反射，B超运用反射的信号确定被探测组织形状，其原理和蝙蝠和海豚的回声定位原理类似，运用发射信号与回波信号的时间差来确定组织的位置信息。特别是在组织界面，超声波具有较强的反射，这些较强的反射信号用来刻画重建组织器官的外貌。由于不同声波的穿透深度，波长长短不一样，用在特定身体检查上的超声一般在就确定在2MHz到15MHz范围。在临床成像中，超声的探头会直接接触于皮肤表面，探头和皮肤中间涂有耦合粘液以便超声信号在探头和组织器官之间的传输。
超声相控阵用于超声探伤
人们在做体检或者生病检查时，经常会到医院里做B超。在工业中，器械设备也会和人一样，在长时间工作后出现“内伤”，肉眼无法直接观察到。那么，如何给机器做B超检查呢？这里就要用到工业超声相控阵系统。
超声相控阵（图/中科院声学所）
该系统主要由超声探头、控制系统以及上位机组成。超声探头的主要作用是实现电信号与超声波相互转换。控制系统是相控阵成像系统的核心部分，可控制不同阵元发射延迟时间，实现声波的相位延迟，即控制不同位置声源的发射时间以达到在同一波阵面的相位一致，这样才能实现声波能量的同时增大。
相位延迟就像一个声透镜（如下图），能够改变声波波阵面，实现声波的聚焦或者偏移，从而获取成像信息。
相位延迟示意图（图/中科院声学所）
上位机相当于电脑显示屏，它负责将控制系统收集到的信息显示为二维图像，并提供检查报告。
超声无损探伤
2018年公众科学日现场：给工件做无损探伤（图/中科院声学所）
最简单的常规超声无损探伤设备由3个部分组成，分别是超声发射接收模块、超声换能器以及示波器。
常规超声无损探伤设备实物（图/中科院声学所）
首先，超声发射接收模块产生电脉冲，进入超声换能器之后变成超声波。超声波在被测工件内部传播时，遇到缺陷会反射并被换能器接收，最后在示波器界面展示出来异常信号。所以，通过移动换能器并观察缺陷回波的大小和到达时间，我们可以判断出缺陷的位置，估计出缺陷的形状和大小，从而完成对工件的无损检测。
齿轮焊缝超声探伤机（图/中科院声学所）
比如，汽车出厂之前，必须经过一道齿轮超声探伤的工序，检测齿轮完好才能贴上“质量合格证”。
结语
以上只是中科院声学所超声技术中心的部分工作。超声技术中心面向我国海洋资源勘查和海洋装备安全的重大战略需求，着力开展深部钻测与资源评价、海洋装备无损检测、声学探测与传感器技术以及声学物理与声能应用等方面的科技创新，产出了一系列重大科技成果，是深部钻探、声能应用、医用声学、微声学以及计算声学领域科学研究、人才培养、开放交流的重要基地。未来也将不断努力，砥砺奋进。
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作者单位：中国科学院声学研究所
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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