200多年以前,意大利有一位科學家叫斯勃拉采尼,他曾花了好幾年的時間,專門研究蝙蝠的行為。他發現蝙蝠既不靠眼睛也不靠鼻子辨別方向,而是靠耳朵辨別方向。但是斯勃拉采尼始終也沒搞清楚其中的奧秘。
現在我們知道,蝙蝠是靠發射一種人類聽不見的聲波——超聲波,然後接收反射回來的超聲波來判斷飛行方向的。人們還受蝙蝠的啟發,製成現代的無線雷達和超聲雷達。
那麼何謂超聲波呢?人能聽到的聲波的頻率大約從20赫茲到2萬赫茲,頻率低於20赫茲的叫次聲波,高於2萬赫茲的就叫超聲波。蝙蝠發出的超聲波的波長約為0.5厘米,在飛行時每秒鍾發出大約30個超聲訊號,在接近障礙物1米時,增加到每秒中60個訊號。
現代製造超聲波的儀器,其主要部件是一塊壓電石英晶片,在頻率高達幾十萬赫茲的交變電壓的作用下,產生規則的振動,發出超聲波。
超聲波具有極為廣泛的應用,它可以用來清洗鍾表一類的精密零件;也可以清洗大型的導彈殼體、核反應堆裏的熱交換器;它可用於鑽孔,切割堅硬的物體;它還能使兩種不能混的液體混合起來,還可用來為食物殺菌。利用超聲波可以製成超聲雷達,對海洋的開發和利用具有重要意義。超聲波還可以用於金屬探傷和處理植物種子等。但超聲波的利用還有待科學家們的探索和開發。
如果你仔細觀察一下透過室內的一束光線中的空氣,就會發現有許多小微粒到處飄浮,這就是灰塵。因為灰塵很輕,重力還不足以把它們拉到地麵上,所以它能浮在空中。工廠的煙囪裏冒出團團黑煙,汙染了城市,損害了環境。怎樣把灰塵、黑煙除掉呢?現在人們想出了辦法,隻要安裝一個超聲波除塵器,空氣就能被淨化了。
超聲波為什麼能有這樣高的除塵本領呢?因為超聲波的振動頻率比普通聲波要大得多,當它作用到含有灰塵或黑煙的空氣中的時候,灰塵或煙氣中的微粒就會隨著超聲波的振動而激烈振動起來,由於小微粒之間互相碰撞,它們會互相黏合起來,形成較大的顆粒,重力就會使它們下沉,於是灰塵降到地麵,煙囪裏的煙塵降到煙囪底部。這就是超聲除塵。
在金屬或其他物品的表麵上,沾汙著油垢或別的髒物,也可以用超聲波來清洗。隻要把待洗的物品(如金屬機件)浸到盛有清洗液(如肥皂、汽油等)的缸子裏,然後再向清洗液裏通進聲波,一會兒工夫,物品表麵的油汙或髒物就去掉了。
為什麼超聲波有這麼強的去汙本領呢?
原來,當超聲波遇到某種物體時,由於聲波的振動,使物體分子受到壓縮和舒張兩種作用,物體所受到的壓力發生了交替變化。在這種情況下,物體所受到的壓力等於大氣壓加上聲壓(空氣被聲波壓縮時),或等於大氣壓減去聲壓(空氣被聲波舒張時)。
平時,聲壓非常小,但超聲波能攜帶很大的能量,它所產生的聲壓也很大。例如,當一般強度的超聲波通過水中時,產生的附加壓力可以達到好幾個大氣壓。由於液體比較能經受得住附加壓力,而經受不住附加拉力,在拉力集中的地方會發生碎裂,這種碎裂會產生許多小空泡。小空泡一瞬間又會崩潰,崩潰時產生很強的衝擊波。
因為超聲波頻率很高,使這種小空泡急速地生而滅,滅而生。借助它們不斷產生的衝擊波,可以把金屬機件表麵的油垢或雜質清洗掉。超聲波除汙又快又幹淨,而且無孔不入,無垢不除,令人十分滿意。如洗手表,人工洗要把零件一件件拆卸開來,很麻煩,工效也很低。用超聲波洗隻要把整塊機芯浸到汽油裏,幾分鍾就洗好了。
超聲波可以幫助我們清洗光學鏡頭、儀表元件、醫療器械和半導體器件等許多重要的精密零件,甚至有一些尖端工業部門也要用超聲波來幫忙。像在導彈慣性製導係統中,齒輪上不容許沾染一點兒汙垢,這用普通方法洗很難達到要求,而超聲波能幹得很好。
超聲波還可用於食品的消毒。在製造罐頭等食品時,一般都要用高溫進行消毒殺菌,這常會破壞某些食品的營養成分。而利用超聲波進行消毒,不必再加高溫,食品的營養成分就可以完好地保存了。
在法國國家研究中心聲學實驗室附近,科學家們發現一種奇怪的現象,那兒的花長得特別大,甘薯長得像足球一樣,蘿卜能夠長到2.5千克重,蘑菇的直徑可以長到60厘米,原因是那裏不斷有超聲波發出來。實驗還發現,有些植物的種子用一定頻率和強度的超聲波處理以後,就能提早發芽,而且苗兒長得更茁壯,還能提前開花結果和增加產量。比如,小麥種子用超聲波處理兩分鍾,發芽率能從91%提高到96%,收成增加將近一成;給棉花種子“聽”一會兒超聲波,能提前3天吐絮和多結雙桃。