如今，孕媽們在社交媒體上大面積地刷屏曬孕照已經成了一股風潮。那麼每一個孕媽都要接觸的B超，是什麼原理呢？為什麼B超可以看到肚子裡面的寶寶呢？這就需要先介紹一下背後的功臣——超聲波。
B超（圖/Pixabay）
超聲波是什麼
聲波頻率範圍（圖/中科院聲學所）
超聲波是一種頻率高於20000赫茲的聲波，人耳通常聽不見。超聲波的方向性好，穿透能力強，容易獲得較集中的聲波能量，在水中傳播距離遠。由於這些特點，超聲波在日常生活中的應用非常廣泛，可用於測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。
超聲波的產品想必大家都用過，比如去醫院洗牙，去眼鏡店洗眼鏡，體檢的時候做B超等。有沒有發現超聲波還是挺神通廣大的呢？
來實驗室看看奇妙的超聲應用
在中國科學院聲學研究所的超聲技術中心，近百名科研人員每天都在鑽研與超聲有關的問題。
超聲技術中心的前身是由我國著名物理學家和教育家應崇福院士創立的超聲室。目前共有五大研究方向，分別是檢測聲學與海洋裝備無損檢測、固體聲學與海洋深部鑽測、微聲學與微器件、醫用聲學、計算聲學與聲能應用。
2018年公眾科學日的超聲技術中心（圖/中科院聲學所）
下面小編就帶你走進超聲技術中心，觀看和體驗一下超聲波科普實驗，近距離感受超聲波如何大顯神通。
1.超聲清洗
2018年公眾科學日現場：小朋友們嘗試用超聲清洗玻璃杯上的油漬（圖/中科院聲學所）
超聲清洗，是指利用超聲波去除液體中樣品表面汙垢的過程，比如清除眼鏡表面的油漬或者灰塵。在這裡，主要利用超聲波在液體中發生空化時產生微射流、衝擊波等強聲效應，剝離樣品表面的汙垢，達到清洗的目的，就像高壓槍清洗汽車一樣。
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超聲清洗（圖/中科院聲學所）
目前，超聲清洗已經是一項成熟的技術，在實驗室、醫院等場合都已經應用。超聲清洗機也已經成為生活電器之一，用來清潔眼鏡、首飾等日常用品。
2.超聲乳化
尖銳的嗞聲一響起，超聲乳化過程就開始了(視頻/中科院聲學所)
超聲乳化，是指在超聲波能量作用下，使兩種（或兩種以上）很難相溶液體（比如油和水）混合均勻形成分散物系，其中一種液體均勻分布在另一液體之中而形成乳狀液的過程。
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超聲乳化（圖/中科院聲學所）
超聲乳化處理形成的乳狀液均勻性和穩定性好，所以，女士們經常用的乳液等化妝品、醫院裡面的乳製藥品，還有乳制食品都可以應用超聲乳化製備而成。沒想到吧？
3.超聲霧化
2018年公眾科學日現場：小朋友們迫不及待要摸一下超聲加溼缸（圖/中科院聲學所）
北方天氣比較乾燥，很多家庭都會使用加溼器。插上電後，加溼器就開始冒「煙」。其實，這「煙」不是真正的煙，而是顆粒很小的霧滴。那加溼器是怎麼把大水滴變成小霧滴的呢？
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超聲霧化（圖/中科院聲學所）
看上面的動圖，是不是很直觀？加溼器的底部有一個超聲波發射器，發出的超聲波就跟火箭噴發一樣，把水擊碎成很多微小的小水滴衝出水面，就變成我們看到的霧化效果了。由於它並不是水加熱蒸發，所以摸起來還是涼涼的。醫院裡面的霧化器也是使用超聲波進行霧化。
霧化器（圖片來源見水印）
4.動態光彈（tán）成像
我們知道，聲波是看不見的。但是利用動態光彈成像，我們就可以非常直觀地看到聲波在透明固體中的傳播路線。
2018年公眾科學日現場：小朋友們和家長一起觀看《超聲波的可視化》科普微視頻（圖/中科院聲學所）
動態光彈超聲成像系統裝置示意圖（圖/中科院聲學所）
動態光彈超聲成像系統實物圖（圖/中科院聲學所）
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動彈光彈成像（圖/中科院聲學所）
固體中的超聲波具有改變光偏振方向的能力，即暫時雙折射效應。有些物質（如玻璃、塑料、環氧樹脂）通常不發生雙折射，但當它們內部有應力或者受到電場作用，就會出現雙折射現象。一般而言，自然光難以通過兩片相互垂直的偏振片，當帶有超聲的透明試塊置於兩塊相互垂直的偏振片之間時，由於暫時雙折射效應，部分入射光得以通過，並被成像屏捕捉，從而顯示出超聲波的波形。通過時延同步裝置調節入射光與超聲發射的延時，即可觀察超聲的軌跡。
與解析和數值方法相比，動態光彈成像法提供的實驗結果更為準確和接近實際物理模型，能夠對數值模擬方法進行實驗驗證。
5.「工業B超」
超聲遇到傳播介質的不均勻或不連續處會產生反射和衍射，利用超聲的這種特性，科研人員開發了醫用B超（比如給胎兒拍攝第一張照片）與「工業B超」。
醫用B超
超聲波診斷儀可分為A、B、C、F四類，其中最常用的是B類。平時說的「B超」就是向人體發射超聲波，同時接受體內臟器的反射波，將所攜信息反映在屏幕上。
超聲和普通的聲音一樣，能定向傳播，一部分聲音穿透物體，一部分聲音被組織吸收，一部分聲音被反射，B超運用反射的信號確定被探測組織形狀，其原理和蝙蝠和海豚的回聲定位原理類似，運用發射信號與回波信號的時間差來確定組織的位置信息。特別是在組織界面，超聲波具有較強的反射，這些較強的反射信號用來刻畫重建組織器官的外貌。由於不同聲波的穿透深度，波長長短不一樣，用在特定身體檢查上的超聲一般在就確定在2MHz到15MHz範圍。在臨床成像中，超聲的探頭會直接接觸於皮膚表面，探頭和皮膚中間塗有耦合粘液以便超聲信號在探頭和組織器官之間的傳輸。
超聲相控陣用於超聲探傷
人們在做體檢或者生病檢查時，經常會到醫院裡做B超。在工業中，器械設備也會和人一樣，在長時間工作後出現「內傷」，肉眼無法直接觀察到。那麼，如何給機器做B超檢查呢？這裡就要用到工業超聲相控陣系統。
超聲相控陣（圖/中科院聲學所）
該系統主要由超聲探頭、控制系統以及上位機組成。超聲探頭的主要作用是實現電信號與超聲波相互轉換。控制系統是相控陣成像系統的核心部分，可控制不同陣元發射延遲時間，實現聲波的相位延遲，即控制不同位置聲源的發射時間以達到在同一波陣面的相位一致，這樣才能實現聲波能量的同時增大。
相位延遲就像一個聲透鏡（如下圖），能夠改變聲波波陣面，實現聲波的聚焦或者偏移，從而獲取成像信息。
相位延遲示意圖（圖/中科院聲學所）
上位機相當於電腦顯示屏，它負責將控制系統收集到的信息顯示為二維圖像，並提供檢查報告。
超聲無損探傷
2018年公眾科學日現場：給工件做無損探傷（圖/中科院聲學所）
最簡單的常規超聲無損探傷設備由3個部分組成，分別是超聲發射接收模塊、超聲換能器以及示波器。
常規超聲無損探傷設備實物（圖/中科院聲學所）
首先，超聲發射接收模塊產生電脈衝，進入超聲換能器之後變成超聲波。超聲波在被測工件內部傳播時，遇到缺陷會反射並被換能器接收，最後在示波器界面展示出來異常信號。所以，通過移動換能器並觀察缺陷回波的大小和到達時間，我們可以判斷出缺陷的位置，估計出缺陷的形狀和大小，從而完成對工件的無損檢測。
齒輪焊縫超聲探傷機（圖/中科院聲學所）
比如，汽車出廠之前，必須經過一道齒輪超聲探傷的工序，檢測齒輪完好才能貼上「質量合格證」。
結語
以上只是中科院聲學所超聲技術中心的部分工作。超聲技術中心面向我國海洋資源勘查和海洋裝備安全的重大戰略需求，著力開展深部鑽測與資源評價、海洋裝備無損檢測、聲學探測與傳感器技術以及聲學物理與聲能應用等方面的科技創新，產出了一系列重大科技成果，是深部鑽探、聲能應用、醫用聲學、微聲學以及計算聲學領域科學研究、人才培養、開放交流的重要基地。未來也將不斷努力，砥礪奮進。
作者單位：中國科學院聲學研究所
來源：科學大院
編輯：Aprilis