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超声波是声波的一种,而声波是一种机械波,即因物体振动而产生的一种纵波,每秒震动的次数称作声波的频率(单位是赫兹:Hz)。
上图音叉产生的声波引起了水面震动
和人眼只能看到特定波长类似(大致为300纳米到700纳米内的电磁波),人耳只能听到频率大致为20赫兹到2万赫兹的声波,其中频率超过2万赫兹的声波被称作超声波。
超声波是如何发现的?人耳是无法听到超声波的,但是一些动物却可以。在1794年,斯帕兰扎尼就发现了蝙蝠是通过一种听不到的声音进行导航的。
在1876年高尔顿发明了狗哨,这是一种特殊的哨子,这种哨子能发出频率为2万赫兹到5万赫兹的声波,这种声波已经超出了人类听觉极限,但是猫和狗却能听见,因为狗狗的听力范围上限约为4万赫兹,猫的听力上限大致为6万赫兹。
所以说超声波大致在200多年前就发现了,而真正可以应用的超声波,是在居里夫人的丈夫皮埃尔·居里和他的兄弟在1880年发现压电效应之后,可以根据压电效应来发射和检测超声波,由此开启了超声波应用的大门。
超声波的特点因为波长和频率成反比,而超声波频率比较高,所以波长短,这意味着超声波具有良好的方向性,而且由于波长短,频率高,震动强烈,所以具有较高的能量。
超声波还具有良好的穿透性,所以能够在物质内传播较远的路径。基于这些特点,超声波的应用也分为两大领域。
超声波的应用领域因为方向性好,而且穿透性强,主要有两种应用领域,第一种是检测和探测,比如医学上常用的B超,根据人体对超声波的反射规律,来探查人体内部结构,而且对人体损害小,是临床医学不可或缺的一种诊断方法。
还有声呐系统,其原理也是超声波,广泛应用于航海和航空领域,可以用来探测前方的障碍物体。此外还有很多类似的应用,比如专门探测精密零件表面生产情况的超声波探伤仪。
第二个领域是超声处理,这是靠超声波强大的能量实现的,比如利用超声波清洗眼镜,工厂中除尘,超声波焊接等,这都是依靠超声波强烈的震动完成的。
次声波是频率低于20赫兹的声波。一般来说,人耳所能接受的声波在20—20000赫兹之间,声波频率高于20000赫兹的,称为超声波;低于20赫兹的约则为次声波。次声波与超声波一样都看不见、听不到、摸不着,但次声波频率低、波长长,所以传播距离很远。次声波的另一个重要特性是有较强的穿透能力,既能穿透空气、海水、土壤,也能穿透飞机机体、舰艇壳件、坦克车体,以及坚固的钢筋混凝土构体。例如频率为3.44赫兹的次声波,其波长100米,能穿透建筑物的坚固墙壁,当然,对于人体来说更是不在话下。
据报道,次声波亡人的事件还真有不少。1980年,一艘名叫“马尔波罗”的帆船在由新西兰驶往英国的途中突然神秘地失踪;20年后,却在火地岛附近被人发现。船上的一切都原封不动、完好如初。就连已死多年的船员也都各就各位,保持着工作状态。科学家对他们的神秘死亡引起了极大的关注,经过长期研究,终于发现,原来他们正是死于海上风暴产生的次声。
1992年11月24日,桂林上空发生了一起空难,141人死亡,成为中国民航史上最惨烈的飞机失事事件。当事件的原因经多方解释而未肯定之时,中国声学研究所的专家,提出了存在着因“次声波”的作用而致使飞机坠毁的可能性。桂林属半丘陵地带,气团依山势走向而上下浮动,引起气流震动,会产生一种“山背波”的次声波,当飞机遇到这种危害极大的由次声波引起的晴空湍流时,如同落入一个风旋涡中,在挤压力、冲力等多种强劲外力的作用下,将造成飞机失控、产生机毁人亡的恶果。最近研究结果表明,次声波对飞机的影响还有一种“生物效应”。该理论认为,当次声波的频率接近人体频率时,就有可能产生“共振”,飞机驾驶员无法承受这种强烈的效应,就有致命的危险。也就是说,此次空难的凶手很可能就是这种次声波。
那么,次声波为何会造成人员不流血却出现严重伤亡的现象呢?科学研究表明:人体的内脏,有其固有的振动频率,而这种频率也在0.01—20赫兹之间,也就是说,它和次声波的频率相似。这样一来,当外来的次声波不管是自然形成的,还是人为制造的,一旦它的振动频率与人体内脏的振动频率相同或接近时,就会引起各种脏器的共振,这一共振便会使人烦躁、耳鸣、头痛、失眠、恶心、视觉模糊、吞咽困难、肝胃功能失调紊乱;严重时,还会使人四肢麻木、胸部有压迫感。特别是与人的腹腔、胸腔和颅腔的固有振动频率一致时,就会与内脏、大脑等产生共振,甚至危及性命。
次声波这些神奇的功能:无声无息地传播,波长不易衰减,且易与自然界的次声波混在一起,难以被人察觉等特点,早就引起军事专家的高度注意。一些国家正在是利用次声波的性质进行次声波武器的研制。初步选定利用次声波进行作战的方向是次声波发生器和次声波炸弹
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