声音的秘密

徐海 楚婉苓 杨敏 公明

“谁的脚步近了，谁的脚步远了，我都竖起耳朵……”眼睛是心灵的窗户，而耳朵让我们聆听到世上的声音，机械的、自然的、动听的、刺耳的……那声音是什么？声音是如何传播的？我们又是如何利用声波的？就让我们在这首由李荣浩演唱的著名歌曲《耳朵》的陪伴下，一起走进关于声音的科学世界。

声音是什么

声音是由物体振动产生的声波，是一种通过介质（空气或固体、液体）传播并能被人或动物的听觉器官所感知的波动现象。最初发出振动（震动）的物体叫声源。声音以波的形式振动（震动）传播。

声音是一种波，具有波的普遍参数，如频率、波长、波数等。而人和不同的动物以及很多的仪器等能够接收到的频率范围是不同的。人耳能听到的声音频率范围为20～20000赫兹，低于或超出这个范围人耳将听不到任何声音，因此，人们把频率高于20000赫兹的声波称为超声波，低于20赫兹的称为次声波。

超声效应的应用

超声波和次声波虽然不被人耳所接受，但超声效应却已广泛用于我们的实际生活中。

超声成像

超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能穿透不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。

超声成像是利用超声波呈现不透明物内部结构的技术。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜会聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。

超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用。医学超声波检查的工作原理与声呐有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波形、曲线，或影像的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否存在病变。

超声处理

超声波有能量，利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，因此超声波在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。

超声波和次声波频率范围

超声波清洗

超声波清洗的应用原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质清洗溶剂中。超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡。存在于液体中的微小气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中。当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。

超声手术

随着科技的发展，医疗技术的进步，传统外科手术也经历了一次又一次的进步。尤其是中国自主研发的聚焦超声手术，已经实现了不开刀、不留疤痕，在体外对体内进行手术。

对许多人来说，聚焦超声手术是新鲜事物，人们可能会认为传统的开腹手术或者外科手术更加安全靠谱。那么，聚焦超声手术会不会给患者带来伤害呢？答案是否定的。

聚焦超声手术是将体外无害的低能超声波穿过身体聚焦到体内患处，聚焦焦点的温度瞬间可达60～100℃，使患处的细胞及组织发生凝固性坏死，从而达到治疗效果。这么高的焦点温度会对人体造成伤害吗？

举个例子，当超声波穿过人的手时，手只会感觉到微微的振动，但是当超声波聚焦成一个点时，其温度会瞬间升高，身体中的肿瘤细胞会被彻底杀死，由于焦点具有较高的精确性，因此身体其他组织不会受到伤害。所以，聚焦超声手术可以做到只迫害肿瘤，而让其他身体组织免受伤害。

超声成像技术

既然聚焦超声手术是将病灶组织在人体内消融，而不是直接取出，那它会不会给人体带来创伤呢？事实上，人类拥有与生俱来的强大免疫能力和排异功能，当创伤出现以后，人体会迅速启动自愈功能。比如人们在不经意间擦破表皮，几天就可以恢复原状，甚至看不到受伤的痕迹，这都要归功于人体免疫修复的巨大功能;当坏死组织比如子宫肌瘤被聚焦超声高温杀死后，机体会自动启动自愈系统，从而將坏死组织进行识别、包围，继而将其分解、吞食、吸收。

次声波的威力

次声波的特点是来源广、传播远、能够绕过障碍物传得很远。次声的声波频率很低，在20赫兹以下，波长却很长，传播距离也很远。它比一般的声波、光波和无线电波都要传得远。例如，频率低于1赫兹的次声波，可以传到几千以至上万千米以外的地方。

1883年8月，南苏门答腊岛和爪哇岛之间的克拉卡托火山爆发，产生的次声波绕地球3圈，全长十多万千米，历时108小时。

1961年，苏联在北极圈内新地岛进行核试验激起的次声波绕地球转了5圈。

次声波具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，甚至连坦克、军舰、潜艇和飞机都不在话下。

利用超声成像技术判断身体健康状况

7000赫兹的声波用一张纸即可阻挡，而7赫兹的次声波可以穿透十几米厚的钢筋混凝土。地震或核爆炸所产生的次声波可将房屋摧毁。次声如果和周围物体发生共振，就能产生相当大的能量。如4～8赫兹的次声能在人的腹腔里产生共振，可使心脏出现强烈共振和肺壁受损。

声波的衰减

声音通过声波的形式在介质中传播，气体、固体、液体都可以成为声音传播的介质，而在真空环境中，声音则无法传播。除此之外，在三类不同的介质中，声波在固体中的传播速度最快，其次是液体，自然，声波在气体中的传播速度就是最慢的。

超声波清洗原理示意

那为什么当窗外的噪声让人难以忍受的时候，关上窗户就能有效的减弱噪音呢？

原来，虽然声音在固体中的传播速度是最快的，但是当声音从声源出发，穿过介质时，它就会失去一部分能量。所以，当我们关上窗户时，声波中的一部分能量就会被窗户吸收，甚至有一部分还会被反射回去，因此，原始声波（噪声）失去了相当多的能量，当我们关上窗户后，窗外的噪声就被显著减小了。

面部医疗聚焦超声示意图

关闭窗户能够减小噪音的干扰

所以，声波在不同类型的介质中都会有不同程度的衰减，我们甚至可以用一个简单的小实验，来更好地理解这一点。

找一张桌子，轻轻敲击桌腿，感受下听到的声音。接着将头部侧躺在桌面上，让耳朵紧贴在桌面上，再敲击一下桌腿处。怎么样，这一次的声音是不是又响亮又清楚，远远大于第一次听到的声音呢？相信阅读完上面的内容后，你肯定能自己解释其中的奥秘了！

延伸阅读

次声波的危害

次声波会干扰人的神经系统的正常功能，危害人体健康。一定强度的次声波，能使人頭晕、恶心、呕吐、丧失平衡感甚至精神沮丧。有人认为，晕车、晕船就是车、船在运行时伴生的次声波引起的。

住在十几层高的楼房里的人，遇到大风天气，往往感到头晕、恶心，这也是因为大风使高楼摇晃产生次声波的缘故。更强的次声波还能使人耳聋、昏迷、精神失常甚至死亡。