06 超聲波和次聲波 Ultrasound and Infrasound
蝙蝠的聲音
許多教科書會告訴你，你的聽力範圍在20赫茲到20千赫之間，但你千萬不能相信。如果你現在20多歲，那很可能已經對17千赫以上的聲音充耳不聞了。隨著年齡的增長，人類聽力的高頻極限下降明顯且可預見。2009年起，憤怒的商店店主開始使用一種被稱作“蚊聲器”(Mosquito)的高頻聲波發生器驅逐未成年人，因為隻有青少年(以及兒童和嬰兒)還有能力聽到這種設備產生的惱人音調。我們這些對17千赫的聲音都充耳不聞的人則不會因為這些音調而感到不適，這表明能夠聽得到這麽高的音調對演化並沒有什麽好處，否則我們早已經演化出更強健的聽覺係統了。
盡管如此，我們還是錯失了一種演化的良機，並不是因為我們錯過了超聲波特別豐富的聲景，而是因為我們不能利用聲音的一些便利的物理特性。這些特性在我們能聽到的頻率範圍內是可以忽略的。然而，蝙蝠比我們要靈敏得多。
蝙蝠使用超聲波的複雜程度令人震驚。在漆黑的夜晚，一隻擁有80厘米翼展的埃及果蝠可以輕易地在兩根垂直杆之間飛行而完全不觸碰到杆，即便兩根杆之間的距離隻有53厘米。為了完成這樣的壯舉並展開捕獵行動，蝙蝠使用回聲定位技術產生超聲波並對它們聽到回聲的延遲進行計算，以獲得附近物體的距離。
失明的人會根據回聲時延來判斷自己到牆壁的距離，但他們最終得到的並不是世界的視覺景象。考慮到可聽聲的波長，他們不可能得到關於環境的全部景象。想象一個碼頭矗立在平靜的湖麵上，微風吹過，形成了大約1厘米波長的波紋。這些波紋一圈圈地從碼頭的柱子上反彈回來(見圖21)。後來，大風來了，產生了更大的波浪，這些波浪從柱子上滾過，仿佛柱子不在那裏一樣。同樣的原理也適用於聲波，聲波隻受比波長更大的障礙物的影響，它也隻能探測到這樣的障礙物。
圖21 漣漪與波
因此，如果一隻蝙蝠試圖靠回聲定位一隻蛾子，發出了一個人類可以聽到的音調，比如中央C。中央C的波長是132厘米，隻有當蛾子的大小超過1米時，蝙蝠才能夠成功測到。要檢測一隻1厘米的蛾子，至少需要33千赫的聲波。事實上，蝙蝠通常會發出80千赫的聲音(較小的種類能發出更高的頻率，範圍在40～120千赫)。如此高的頻率使得它們不僅可以處理孤立物體的位置，還可以處理樹枝、樹葉和昆蟲的複雜三維分布。其中許多物體相互之間都在相對運動，而且都在相對於蝙蝠運動。
連續不斷地發出超聲波，對蝙蝠而言沒有任何好處，其結果會是蒙太奇一樣令人困惑的聲波重疊和幹擾性回聲，無法被解碼。蝙蝠所需要的是脈衝聲，且聲音必須是短暫的。如果兩個飛蛾相距1厘米，想要產生獨立的回響，聲音脈衝必須在到達第二個障礙物之前就已經越過前一個了。因此聲波的波長必須不到1厘米，而且持續時間不能超過30微秒。
蝙蝠或機器不可能產生單一波長的短時間持續脈衝，除非該波長比脈衝本身短得多。相反，蝙蝠發出非常尖銳的哢嗒聲。根據傅裏葉分析，我們知道這樣的哢嗒聲相當於不同頻率的波的混合(見圖12)，而且哢嗒聲越劇烈(也就是說，它從安靜狀態變化到最大值的速度越快)，產生的頻率範圍就越大，這樣就可以更準確地判斷距離。
那對蝙蝠來說，最理想的聲音是持續時間極短的一個哢嗒聲嗎？並不完全是，短時間的哢嗒聲意味著聲音的能量很低，那它就不能傳播很遠且不消退。人類在設計雷達和聲呐係統時也麵臨著這個問題。1960年發明的頻率掃描技術解決了這個問題，它利用了一個相對較長的頻率逐漸增加的脈衝，並在相當長的時間內可持續產生大量的能量，因此頻率的範圍也會比較大。而頻率的變化意味著位於不同距離的物體的回聲可以通過其頻率的差異來區分。
當蝙蝠使用這種掃頻技術時，脈衝持續2～3毫秒，在此期間頻率下降(而不是像人類掃頻器那樣上升)約一個八度。蝙蝠產生這種脈衝越多，它收到的信息就越多，所以它通過修改哢嗒聲的頻率來應對不同的挑戰。從尋覓獵物時發出每秒約10個脈衝到麵臨複雜環境或接近獵物時提高至以每半秒為周期發出100個脈衝。
如第2章所述，如果造成回聲的物體在(相對於聲源)運動，聲音的頻率將會因多普勒效應而改變。人類和蝙蝠的聲呐係統利用這個效應來確定這些物體的速度，然而不同之處在於，我們的係統測量頻率的變化，而蝙蝠修改它們的輸出脈衝的頻率，直到它們聽到的回聲不再變化，就仿佛目標是靜止的。例如，如果一隻蝙蝠正接近一個物體，則從物體返回的回聲的頻率不斷上升，蝙蝠會因此降低它輸出的頻率，使回聲的頻率降低到與蝙蝠原來的頻率相匹配的程度。
一種不同的聲音
超聲波和可聽聲的另一個物理區別是，超聲波很容易形成聲束，這對蝙蝠來說也是相當有利的。一個80千赫的音穿過1厘米的開口，將形成一個錐形聲束，在1米距離之內擴散到約90厘米寬(見框9)。對蝙蝠這個以鼻孔發射超聲波的物種來說，兩個聲源之間的幹涉現象意味著聲束之間的間隔進一步縮小。這不僅集中了聲波的能量，使蝙蝠可以探測到更大的距離，還減少了分散注意力的側麵回聲的數量。2015年一項關於蝙蝠接近飲水池的研究表明，蝙蝠接近水的時候嘴巴會張大，就很有可能是為了減少側麵回聲的數量。
毫無疑問，自然演化為蝙蝠提供了用於生成和探測更高頻率聲音的生理裝備，但空氣對這些聲音的吸收卻是一個無法逾越的障礙。實驗表明，在蝙蝠最喜歡的環境下(25℃，50%的相對濕度)，100千赫的聲音每米有3分貝被空氣吸收。也就是說，在1米的範圍內，這種聲音的聲強會下降到原來的一半左右。相反，30千赫的聲音隻以每米0.7分貝的微弱速度被吸收，這意味著它們的聲強下降了約15%。(聲音的吸收隨著頻率的增加而增加，這也是雷聲在近處聽起來如爆竹般劈啪響，而在遠處聽起來卻轟隆隆的主要原因。)
為什麽會這樣呢？因為空氣是由分子組成的，所有的分子都在以一定的速度隨機移動，並經常相互碰撞。在炎熱的天氣裏，這種分子運動的速度會增大。事實上，溫度隻是對一大群分子運動速度的一種度量(見框10)。聲波是一係列在空氣中交替移動的高壓和低壓，所以在聲波到達的任何特定位置，空氣分子都會先聚集在一起，再分散開來，然後再次聚集在一起。當分子聚集時，它們會減速。就像一個人逆著人群的方向匆匆穿過擁擠的車站，人數越多，速度越慢。分子越多，速度同樣也會越慢。當這種情況發生時，分子的能量就會發生變化。雖然分子移動得更慢了(換句話說，它們的動能下降了)，但旋轉變快、拉伸變多，因此這些分子的內能反而上升了。
這一情況可以類比為由堅固的鋼彈簧連接的一對板球，也就是一個相當精確的雙原子(兩個原子)分子模型，就像構成了我們大氣99%成分的氮(N2)和氧(O2)的分子。在通過聲波的壓縮部分之後，分子再次分離，轉速變慢，拉伸程度下降，並以更快的速度運動。按下鋼琴上的中央C，聲波產生的能量以每秒262次的頻率在動能和內能之間來回轉換。
但如果頻率足夠高，能量轉換的時間就會變得非常短，以至於一個分子無法在反轉之前足夠快地完成內能到動能的轉換。結果就是，聲速下降，聲波迅速消失。這些變化開始時，聲波實際的頻率取決於它所處的介質，且固體和**中的聲波頻率遠高於氣體中的聲波。介質的其他特性，特別是黏度，也與這種效果有關。
這種現象對我們非常有用。當超聲波衰減時，它的能量通過介質傳播，並使其升溫。這種熱效應有許多應用，包括通過體內組織的升溫以改善血液流動，或治療受損的肌肉和關節。
醫學超聲檢查
超聲波還有很多其他的醫療用途，包括胎兒掃描(幾乎所有發達國家的人都在出生前接受過掃描)和超聲治療(比如用25千赫的聲波與水射流一起去除牙垢)。與其他許多醫療方法不同，超聲波可以瞬間開啟和關閉，且隻需要低成本的技術，而且通常患者隻需要最簡單的準備工作。超聲波發生器相對便攜且隻需少量輔助設備的特點意味著它們可以在醫療之外的領域使用，包括許多健身房中使用的透熱療法(深層加熱)儀器，還有部署在戰場上的傷口熱凝係統——這個係統專門用以拯救可能因失血過多而喪生的士兵。
超聲波已被用於治療多種腫瘤，包括除此之外無其他手術方法的一些腦癌。這種技術被稱為高強度聚焦超聲(HIFU)或高強度治療超聲(HITU)。除了通過加熱腫瘤組織(在米粒大小的區域裏加熱至約90℃)來破壞它們之外，超聲誘導腫瘤中氣泡的形成也是常見的療法，超聲誘導後化療將更加有效。使用超聲波來治療這類需要精確定位的疾病的主要挑戰是，超聲波束的傳播受限於人體組織的密度和彈性。因此，由人造組織模擬材料製成的人體部件模型被用來校準和編程設備。
超聲波在醫學上的一個更直接的應用是碎石術。在這種方法中，高功率脈衝隻是在原位敲打腎結石，將它們粉碎成小到足以隨尿排出體外的顆粒。
超聲波掃描
超聲波最著名的用途之一是掃描胎兒。由於傳統揚聲器的膜片移動速度不夠快，無法產生合適的兆赫頻率，因此使用了壓電發射器。將凝膠塗在腹部，這樣就沒有空氣層來反射或吸收聲音。超聲波在具有不同聲阻抗的介質(如骨骼、肌肉、皮膚、羊水等)之間的界麵反射，通過精確測量回聲從這些界麵返回所需的時間(每種介質中聲速不同)，就可以計算出它們的距離。通過移動超聲波束，可以測出詳細的三維圖像，並將其轉換為實時視頻圖像。
像大多數揚聲器一樣，壓電換能器是由它產生的振**電流往複產生聲波。另一方麵，當被聲波擊中時，它會產生電信號。因此，在胎兒掃描儀中，掃描儀的探頭既是超聲波的來源，也是超聲波回聲的檢測器。
利用極高頻聲波束可以生成相當精確的圖像。1兆赫(100萬赫茲)的信號可以顯示毫米尺度的圖像細節，而檢測結果的精確度取決於被檢查組織的聲學性能。並且，現在許多掃描儀已上升到15兆赫，眼睛和皮膚用的掃描儀甚至可以達到50兆赫。
但與聲學顯微鏡產生的80億赫茲信號相比，這簡直是小巫見大巫，因為聲學顯微鏡可以觀察到0.03微米尺度的細節。但不幸的是，如此高頻的聲音還沒傳播到1毫米外，就會被幾乎所有類型的介質吸收，唯一的例外是液態氦。注意，如果沒有保存在溫度低於5開爾文(-268℃)的環境中，液態氦就會沸騰。由於需要精密冷卻係統，聲學顯微鏡的價格會比較昂貴。即便如此，我們還是要使用聲學顯微鏡，因為它們可以探測到樣品的表麵以下，特別是一些難以從視覺與周圍環境區分，但對聲音有很強反射的材料。
在醫學領域之外，超聲波最常見的診斷應用之一是檢測缺陷和裂紋，例如在鐵路修建方麵。為了定位這些缺陷，人們沿著被測試的物體發送一係列的音爆。在脈衝回波模式下，發射器和接收器被放在一起，如果存在缺陷，脈衝被反射，它們的到達時間能夠表明缺陷的位置。在傳輸模式下，探測器和發射器是分開的，傳輸過程中脈衝的任何變化都表明測試對象中存在不均勻性。這種方法也可用於測定固體中的機械應力。由於材料的彈性模量在受到應力時發生變化，它們的聲速也會發生局部變化。
超聲波的力量
雖然大功率超聲的熱效應有許多應用，但它也可以通過對介質的機械作用來傳遞能量。槍蝦就是一個在自然界中比較罕見的例子，利用超聲波(連同可聽頻率)產生的衝擊和壓力來捕獵。當這種動物猛夾它的蝦螯時，會發出響亮而突然的哢嗒聲，其頻率高達200千赫，足以殺死或擊暈獵物和潛在的捕食者。
無論是蝦還是人類，超聲波的機械能通常是通過氣蝕傳遞的。氣蝕是指微小氣泡的形成和劇烈坍塌。基本上所有的**都含有這種氣泡，要麽由它們自己的蒸汽構成，要麽由空氣構成。當**的壓力下降時，這些氣泡就會膨脹(這就是打開一個裝有汽水的加壓容器時產生泡沫的原因)。因為聲波是由一係列的高壓和低壓組成的，它會使氣泡迅速膨脹和收縮，在高功率和高頻率的情況下，氣泡的振動非常劇烈以至於產生破裂和內爆，同時以熱能的形式釋放出它們的振動能量。其產生的溫度甚至可能會超過太陽表麵的溫度，並能使**發光(一種被稱為聲致發光的現象，槍蝦也能引發這種現象)。
因為能量隻會在很小範圍內出現，所以**不會全都變得特別熱。但是，高濃縮能量的爆發可以用來引發化學變化(聲化學)，或者清潔和消毒需要在水下清洗的物體，比如某些醫療器械。基於氣蝕的清洗在20～50千赫範圍內最為有效。在更高的頻率下，超聲波還會攪動**，在100千赫到1兆赫的範圍內，**攪動在清洗效果中占主導地位。在實際生活中，超聲波清洗浴缸就同時應用了這兩種原理。
高功率超聲(無氣蝕化)常常被用於電路板印刷中的無焊劑焊接，其中電烙鐵的電熱頭以超聲波頻率振動。在更高的功率下，非常精細的線可以通過由超聲波振動引起的摩擦從內部加熱而焊接在一起。這樣做的一個好處是，由於加熱效果僅限於非超聲(充聲)電線，超聲波不會加熱附近的元件。還有一些其他依賴超聲波焊接的材料，其頻率的選擇取決於要焊接的零件的大小，範圍從小零件的60千赫茲到大零件的10千赫。
高功率超聲波甚至可以用來舉起小物體。雖然它們所產生的力是微弱的，但在微重力環境中，例如在空間站內部，它們可以在組裝過程中使精密儀器的位置保持穩定，或者防止高度活躍的化學物質接觸到任何設備。
外部極限——聲子
在極高的頻率下，聲音的表現形式與我們所熟悉的完全不同。就像電磁輻射，最高頻率的電磁波的表現形式不像是波而更像粒子(因此蓋格計數器可以通過一個個的哢嗒聲記錄下伽馬射線的存在)。表現形式更像粒子的那些最高頻的聲音被稱為聲子。人類是間接發現聲子的存在的。在19世紀末，人們已經知道要使一種物質的溫度升高1℃，需要特定的熱量。水的比熱容比油的比熱容高，這就意味著燒一壺水比燒一壺油要花更長的時間。
氣體和固體也有特定的熱量，但有一種異常現象令人不解。提高固體的溫度所需的熱能大約是提高相同數量的氣態物質溫度的兩倍。這意味著固體(和某些**)一定有某種儲存熱量的方法，而這種方法是氣體無法獲得的。這個原理就是振動。固體中的分子可以像鍾擺一樣圍繞其平衡位置振動。但是，與鍾擺不同的是，振**分子不能逐漸變慢。量子力學定律要求它必須從快速振動躍遷到緩慢振動。當它這樣躍遷的時候就會把一個聲子的振動能量傳遞給另一個分子。固體傳導熱和傳導電的方式可以通過聲子的行為來解釋。
次聲波
隨著聲音不斷接近人類聽覺頻率的下限，聲音剛好能被聽到的聲強就會升高。正好能被聽到的20赫茲純音比正好能被聽到的4千赫聲音的聲強(在其他條件相同的情況下)高出近3億倍。這種強大的低頻聲音在空氣中很少見，但在建築工地、地鐵站、高速公路附近以及地震活躍地區，我們很容易就能感覺到這種由固體傳播的聲音。
另一方麵，通過空氣傳導的低功率次聲波一直環繞著我們。它們甚至可以在我們走路的時候產生。由於我們頭部的上下運動，耳朵的循環氣壓變化在我們周圍形成了一個約1赫茲的次聲波。海浪能夠產生0.2赫茲左右的次聲波。所有聲音中頻率最低的自然聲音都來自高空和地下深處，極光和火山產生的次聲波約為0.01赫茲。
次聲波的主要特征之一是它的傳播距離比可聽範圍內的聲音更遠，並能穿過海洋、地麵或空氣。在空氣中，幾千千米外的次聲波很容易被探測到(例如，由火山爆發產生的次聲波)，盡管通常不是靠麥克風，就像我們通常是靠感覺，而不是靠聽覺來發現次聲波。我們使用專門的氣壓計來測量次聲。次聲也可以通過它引起的溫度變化來檢測。
有證據表明，次聲對人類的影響與其他類型的聲音明顯不同，其中就包括增強情緒反應。現代古典音樂會加入次聲，同一支樂曲在一場沒有次聲伴奏的音樂會中會有更多的人更討厭或喜歡。另一些實驗也證明，駕駛員暴露在次聲環境下，很快就會感到非常疲勞。甚至有人認為，次聲是使人們產生幻覺的原因之一，部分原因是直接的情感影響，部分原因是眼球的振動會引起視覺障礙。
次聲已被證明是探測火流星的可靠手段。火流星是一種在飛行中爆炸的流星體。由於它們在大氣中超音速飛行，下落時會產生富含次聲波的音爆。更多的次聲波是在火流星爆炸時產生的。所有這些空中的次聲到達地麵時會產生固體中的次聲，當火流星碎片撞擊地球時會產生表麵波。將所有這些聲音的頻率、時間和振幅結合，我們就可以對火流星的路徑、運動和能量進行詳細的分析。
次聲在地麵傳播時對我們的影響更大，而超聲在水下傳播時才真正地如魚得水。我們將在第7章中介紹這些聲音傳播的媒介。