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声学发展史之——超声:寻找杰克,始于泰坦尼克号

引言

超声,英文名ultrasound,跟超生游击队没啥关系(王建国附体,谐音梗玩的不亦乐乎),是指频率在人类听觉上限之上的声音。超声学(Ultrasonics)作为声学家族的新贵,直到19世纪初才出现明确的定义。现在广泛应用于工业界和医学界,比如水下声呐、医用超声、声化学、无损检测和材料鉴定等方面。

那么什么是超声?其发展历程如何?有什么用?最重要的是,跟泰坦尼克号有啥关系?别着急,列位请看下文。我将从什么是超声超声发展史超声应用三个方面,对本专题详细展开。

声学发展史之——超声:寻找杰克,始于泰坦尼克号

超声是什么

超声定义

如我引言中所说,超声是频率超过人类耳朵可以听到的最高阈值(20kHz)的声波。人类的听觉频率范围一般在20Hz到20kHz之间,低于20Hz的声波叫做次声波(Infrasound),声波的频率范围一般认为在15Hz到1THz之间(这个T和硬盘的T是一样的,10的12次方)。1GHz以上的一般叫做Hypersound,也称作“微波声(Microwave Acoustics)”或者“量子声(Quantum Acoustics)”,主要是声波更多呈现粒子特性,波的特性不明显。所以波粒二象性不只存在于光波领域,声波领域同样存在。

超声波的频率下限定义比较模糊,不一定是20kHz,有的超声研究频率下限在15kHz-18kHz,也不能说不是超声;而反过来,一些HiFi发烧友还追求上至25kHz的音频,所以在可听声和超声之间,有一段暧昧的频率重叠。

找个好点的耳机测测听力。我用了两款手机,iPhone的低频很霸道,高频稍弱;小米低频非常失败,高频稍强。也有可能公众号里的音频被压缩,对测试结果产生一定影响

好吧,15kHz以上我就已经啥也听不见了,要么是我的音响太烂,要么是↓

声学发展史之——超声:寻找杰克,始于泰坦尼克号

从频率来讲,超声波的定义和紫外线(Ultraviolet)类似,紫外线是频率比可见光高的电磁波。难怪皇后乐队的Freddie分不清光和声,一看物理就是音乐老师教的。

光声不分家

“I’m travelling at the speed of light, I wanna make a supersonic man out of you”

现实世界中的超声波

虽然人类听不见超声,但是动物界存在很多超声小能手,其中就包括最近臭名昭著的蝙蝠。它发出超声波,利用回声的强度、延迟和频移,来判断空间中物体的大概种类、距离和移动速度,从而解锁回声定位(Echolocation)技能。安装同样技能包的还有海豚和潜艇。相比于空气,声音在水中衰减更小,因此水下动物能更好地利用回声定位。

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回声定位(Echolocation)

 [https://sensorlocalization.wordpress.com/tag/bat/]

好多动物都能听见超声。所以当你看见你家的猫猫狗狗突然间好像看见或者听见什么的时候别害怕,不是什么灵异事件,很可能它们听见超声了。

狗能听见上至35kHz的声音,狗哨就是就利用了超声和狗耳朵比人耳听觉频率上限高的原理。猫比狗能听到的频率更高,而老鼠能听到高达100kHz的超声。老鼠不仅能听到超声,在兴奋时也能发出超声,比如被挠爽的时候。

耗子被挠发出的超声,被降频转化成人能听见的可听声

为了防止被吃,蛾子能听到200kHz的超声,为了获取敌军(主要是蝙蝠,又是蝙蝠)情报也是拼了。

既然都是声波,只是频率高而已,为什么要把超声单拎出来呢?

可以从以下几个方面解释。

1. 主要原因是因为在高频,声源的每个结构单元都必须被看作波导,而不能只简化成质量块和弹簧。

2. 加速度、声压变化、声强/声能量密度比可听声大很多数量级,所以会出现一些非线性现象。在某些空穴中,超声能引起固体材料超出弹性范围的永久性变化。

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此时大鹏的双手每秒钟使劲来回甩3万次

3. 由于超声波长短,指向性极强。这个特性被广泛利用到了材料无损检测和医学诊断上面。

4. 超声在探索物质物理特性和固液体的原子/分子结构等方面有很大优势。

声学发展史之——超声:寻找杰克,始于泰坦尼克号

超声发展史

超声的发展史,可以以第一次世界大战(1914-1918)为分界线。在那之前,只有寥寥几种方法可以产生超声,相关的研究也很少。

t < 一战

在一战前,关于超声的大新闻主要有两个,推动了后来超声的发展:

磁致伸缩效应和压电效应的发现,前者由焦耳在1847年发现(没错,就是那个充满能量的焦耳J),后者由居里兄弟(不是夫人)在1880年发现。

现在回到在引言中提到的问题:超声和泰坦尼克号有啥关系?是不是图不对文?

t > 一战

为什么提泰坦尼克号呢?是因为在泰坦尼克号沉没之后的一周,Lewis Richardson申请了超声回声定位/测距的专利,标志着现代超声研究的开始。加之随后一战的爆发,对于水下潜艇探测的需求,推动了水下声学的发展。声呐(sonar)技术,也称声音定位与测距就是在这一时期发展起来的。英国科学家Robert William Boyle是这一技术的主要推动者。有意思的是他在1928年发表了第一篇关于超声学的综述文章,可不幸的是刚发完期刊就黄了,所以这篇综述的影响力有限。搞科研的同学们注意了!费劲巴力写综述的一定要投靠谱的期刊。Paul Langevin成功把水下超声商业化,把超声测距的仪器装到了很多船上。

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搞科研消失的不只是头发,也有可能是发表的文章

随着一战的结束,超声的发展逐渐式微。直到1925年超声干涉仪的发明,算作是超声在物理声学领域的一大突破。1927年,美国科学家Robert Williams Wood和Alfred Lee Loomis共同开发了高强度超声,并研究了很多在高强度下的超声效应。Wood要比前面提到的Langevin更悲催,博士论文写完了,芝加哥大学的学术规则变了,导致他一辈子都没拿到博士学位。看来消失的除了头发和文章,还可能有博士学位。Wood和Loomis二人还研究了超声的生物学效应,从细菌到果蝇都有发表过文章。Loomis除了声学研究,还主攻光学,是EEG(脑电图)和GPS的先驱。

二战期间,超声的应用更加成熟和广泛,逐渐扩展到了医疗领域。随着电子学的发展,超声学被推向的第一个高峰。高强度超声被用来作清洗,并已经达到了工业应用级别。40年代初,随着脉冲回声法的发明,超声被引入到材料的无损检测。50年代,初代B超问世,标志着现代超声诊断技术的滥觞。

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70年代后,超声学领域涵盖范围越来越广。电脑技术和电子学的快速发展,也极大推动了超声学的发展。不过不管如何发展,其内核始终为物理学。同声学大类一样,超声学也向着多学科领域发展。截止至2005年,超声相关的文章发表数超过了10000,分布在各个不同领域。在成像技术,过程检测,生化学,医疗诊断和治疗,生物工程,纳米技术,动物医学和国防领域都能看到超声的影子。

声学发展史之——超声:寻找杰克,始于泰坦尼克号

超声应用

继“声学之轮”后(什么是声学?),“超声之轮”了解下。

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超声之轮

这是70年代的一篇文章中总结的,也基本涵盖了超声的大部分领域。大类主要有以下五个方面:

材料科学:比如无损检测,焊接,雾化乳化等;

工程:声呐,电子通讯,金属成型,结构监测等;

计量学:成像技术,声学显微镜,流速、密度、粘度等物理量的测量;

化学:样本制备、声化学反应、过程监测等;

生物学:医学、气泡检测等。

其中医学方面,专栏之前的一篇文章有过详细的介绍

做B超时,肚子上黏黏的液体是什么?聊聊生物医学超声

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医疗诊断

 [https://www.verywellhealth.com/ultrasound-application-techniques-2696542]

从另一个角度,工业领域来看,其应用可以参考下图,主要分为三类:加工处理无损检测测量和控制

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用几个动图简单介绍下超声的几个经典工业应用。

超声清洗:利用超声高频的特点,快速搅动液体,达到清洗效果。这个很好理解,洗衣服的时候要是一秒能搓超过两万下……衣服都洗没了,能不干净么……

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超声清洗,下次去眼镜店可以留意下

 [https://www.medgadget.com/2018/05/smartclean-vision-5-a-portable-ultrasonic-cleaner.html]

无损检测:利用超声的高指向性,通过检测反射超声脉冲波形的异常,来判定检测部分材料是否有损坏。

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无损检测

[https://www.tec-science.com/material-science/material-testing/ultrasonic-testing-ut/]

传统应用之外,最近看到了几个超声“黑科技”,想特别说一下。

石墨烯超声传感器

2015年美国科学家造出了石墨烯为原材料的超声发射器和接收器,可以用来无线通信。据说该传感器在20Hz到0.5MHz宽频范围能传输高保真音频,能够采集到蝙蝠发出的超声。

http://www.cas.cn/kj/201507/t20150709_4387182.shtml

虚拟按键

一个小小超声传感器,可以把任何东西变成按键。通过传感器可以监测手势,起到和按键的效果。如果真的能达到工业应用,那么改革是天翻地覆的,想象一下没有按键的世界会有多疯狂?

声学发展史之——超声:寻找杰克,始于泰坦尼克号

箭头所指为超声传感器,和普通硬币的对比 
[

https://www.ultrasensesys.com/applications#Applications-hero]

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虚拟耳机

一个前同事最近在做的事情,我觉得非常酷。耳机+音响+3D回放的结合体,取其精华,去其槽粕。其原理主要有三点:

1. 通过3D传感器,对头部尤其是双耳位置进行识别;

2. 高指向声音打向耳朵。获取双耳位置信息后,双耳音频信号被调制成超声,因此实现对双耳的精准打击,然后通过某种非线性、自解调的算法(并不知道是什么方法,有知道的请不吝赐教),在双耳处还原原始音频;

3. 超声发射由一种特殊音响(Multi-cell speaker module)完成。

声学发展史之——超声:寻找杰克,始于泰坦尼克号

音频经超声调制和解调后被人耳接收 [https://www.focusonics.com/technology/]

 

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音频经超声调制和解调后被人耳接收 [https://www.focusonics.com/technology/]

什么都不用带,达到了带耳机的效果。其功能又是音响没法媲美的,虚拟耳机可以做到声音只让目标人听见,而其他人听不见。其意义在公共空间巨大,比如博物馆一个房间不同区域可以根据主题播放不同音频而不互相干扰,车里一家三口可以不用带耳机听自己想听的音乐,办公室打电话视频会议不用带耳机也不影响别人。

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私密声空间

声学发展史之——超声:寻找杰克,始于泰坦尼克号

其概念十分吸引人,不知道具体效果如何。有几个问题很好奇他们是怎么解决的,比如耳朵追踪的精度,超声能否直接把声音送达耳道外沿,送达位置和追踪偏差会引起HRTF不准从而导致双耳感受下降,以及如何保证解调之后的声音不向周围环境传播等等。

参考

[1] Kuttruff, H. (Ed.). (2012).Ultrasonics: Fundamentals and applications. Springer Science & Business Media.

[2] Ensminger, D., & Bond, L. J. (2011).Ultrasonics: fundamentals, technologies, and applications. CRC press.

[3] https://acousticstoday.org/the-dawn-of-ultrasonics-and-the-palace-of-science-kenneth-s-suslick/

[4] Zhou, Q., Zheng, J., Onishi, S., Crommie, M. F., & Zettl, A. K. (2015). Graphene electrostatic microphone and ultrasonic radio. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(29), 8942-8946.

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