關(guān)于作者
中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用研究與發(fā)展局高級(jí)工程師，從事金屬材料和稀土材料的研究與開(kāi)發(fā)工作。曾任中科院應(yīng)用研究與發(fā)展局材料能源處長(zhǎng)，副總工程師，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)，中國(guó)薄鋼板成形技術(shù)研究會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)，國(guó)家稀土辦專(zhuān)家組成員。編寫(xiě)發(fā)表多篇新材料及新能源方面科普文章和專(zhuān)著。中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員。
超聲波與“超生游擊隊(duì)”---鋱鏑鐵磁致伸縮合金
王寧寰
2014年09月26日
超聲波，這是大家最熟悉的了，有一年春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)上有一個(gè)節(jié)目叫“超生游擊隊(duì)”，其中提到現(xiàn)在生孩子前，可以到醫(yī)院用一種叫“B超”的儀器檢查一下是男是女，一“超”一個(gè)準(zhǔn)。逗得大家哈哈大笑。從此B超為億萬(wàn)人民所了解。其實(shí)B超就是醫(yī)療用超聲波檢查儀，它可以發(fā)射出超聲波進(jìn)入人體組織內(nèi)，然后把反射回來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，在熒光屏上顯示出人體內(nèi)部組織的狀況。醫(yī)生可以直接觀察有沒(méi)有組織異樣和病變，現(xiàn)在己經(jīng)成為醫(yī)院為病人檢查身體的常規(guī)手段。
科學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)超聲波是從蝙蝠身上找到的，因?yàn)轵痤^部的口鼻部上長(zhǎng)著被稱(chēng)作“鼻狀葉”的結(jié)構(gòu)，在周?chē)€有很復(fù)雜的特殊皮膚皺褶，這是一種奇特的超聲波裝置，具有發(fā)射超聲波的功能，能連續(xù)不斷地發(fā)出高頻率超聲波。以昆蟲(chóng)為食的蝙蝠在不同程度上都有回聲定位系統(tǒng)，因此有“活雷達(dá)”之稱(chēng)。借助這一系統(tǒng)，它們能在完全黑暗的環(huán)境中飛行和捕捉食物，在大量干擾下運(yùn)用回聲定位，發(fā)出超聲波信號(hào)而不影響正常的呼吸。如果碰到障礙物或飛舞的昆蟲(chóng)時(shí)，這些超聲波就能反射回來(lái)，然后由它們超凡的大耳廓所接收，使反饋的信息在它們大腦中進(jìn)行分析。
這種超聲波探測(cè)靈敏度和分辯力極高，使它們根據(jù)回聲不僅能判別方向，為自身飛行路線定位，還能辯別不同的昆蟲(chóng)或障礙物，進(jìn)行有效的回避或追捕。蝙蝠就是靠著準(zhǔn)確的回聲定位和無(wú)比柔軟的皮膜，在空中盤(pán)旋自如，甚至還能運(yùn)用靈巧的曲線飛行，不斷變化發(fā)出超聲波的方向，以防止昆蟲(chóng)干擾它的信息系統(tǒng)乘機(jī)逃脫。
蝙蝠鼻子上的超聲波發(fā)生和接收“器件”是一種生物超聲波敏感組織組成，類(lèi)似的情況在其它多種動(dòng)物身上也有發(fā)現(xiàn)。比較突出的要數(shù)海豚。海豚在海里視力欠佳，它就是靠鼻子部分的生物超聲波發(fā)生器來(lái)確定位置或捕食小魚(yú)。
據(jù)說(shuō)，許多年前在澳大利亞的一個(gè)海域，海況十分復(fù)雜，水下暗礁林立，但它又是海船必經(jīng)之路。歷史上不知有多少海船在此觸礁，船毀人亡。因而每當(dāng)有海船航行到此海域都放慢速度，格外小心。一天幾位海員發(fā)現(xiàn)有一條海豚在船前游走，海員們?nèi)酉乱恍~(yú)食喂它吃，吃飽以后這頭海豚竟不愿離去，一直在船前快速游走，而且游走的地方都是沒(méi)有暗礁的安全航道。船長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)秘密，于是緊跟這條海豚前進(jìn)，使海船快速通過(guò)危險(xiǎn)礁區(qū)。打這以后，每當(dāng)有船只經(jīng)過(guò)此海域，這只海豚一定會(huì)出現(xiàn)，而且十分友好，在吃完海員喂給的魚(yú)食后，立即游到船前，引導(dǎo)船只安全駛過(guò)暗礁區(qū)，年復(fù)一年都是這樣，海員們親切的稱(chēng)呼它是“忠實(shí)的領(lǐng)航員”。但是，有一天，一位多事的海員不了解情況，舉槍向海豚開(kāi)了一槍?zhuān)m然海豚沒(méi)有被擊中，但從此這條“忠實(shí)的領(lǐng)航員”再也沒(méi)有出現(xiàn)。
于是科學(xué)家研究出一種對(duì)超聲波敏感的材料——“磁致伸縮材料”，制成的人造超聲波探測(cè)裝置，裝在船上同樣起到安全導(dǎo)航作用。后來(lái)這種裝置又被用來(lái)探測(cè)魚(yú)群，使?jié)O獲量大增。在軍事上，潛水艇早就用上了超聲波測(cè)距儀來(lái)定位或偵察敵船。工業(yè)上用超聲波探傷儀來(lái)檢查金屬內(nèi)部的裂紋，此外，超聲波可以清洗工業(yè)另件上的油污，就連大街上的眼鏡店也打出招牌“超聲波免費(fèi)清洗眼鏡”，原來(lái)他們也用上了小型超聲波眼鏡清洗機(jī)，又快又好?，F(xiàn)在超聲波已在人們的生活中和工業(yè)及軍事領(lǐng)域內(nèi)廣泛的發(fā)揮作用，成為把聲音用來(lái)為人類(lèi)服務(wù)的典范。
知識(shí)鏈接：什么是磁致伸縮材料？
磁性材料由于磁場(chǎng)的變化，其長(zhǎng)度和體積都要發(fā)生微小的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁致伸縮。其特點(diǎn)是它的伸縮變化極為精確，因而在目前高新技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用中，處于不可取代的作用。
過(guò)去，作為磁致伸縮材料的主要是鎳、鐵等金屬或合金，由于磁致伸縮值較小，功率密度不高，故應(yīng)用面較窄。主要用于聲吶、超聲波發(fā)射等方面。
稀土超磁致伸縮材料是國(guó)外八十年代末新開(kāi)發(fā)的新型功能材料。主要是指稀土-鐵系金屬間化合物。這類(lèi)材料具有比鐵、鎳等大得多的磁致伸縮值，其磁致伸縮系數(shù)比一般磁致伸縮材料高約102～103倍，并且機(jī)械響應(yīng)快、功率密度高。在類(lèi)似材料中，稀土超磁致伸縮材料是在物理作用下應(yīng)變值最高、能量最大的材料。特別是稀土鋱鏑鐵磁致伸縮合金（Terfenol-D）的研制成功，更是開(kāi)辟了磁致伸縮材料的新時(shí)代。
鋱鏑鐵磁致伸縮合金開(kāi)始主要用于聲吶，目前已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，從燃料噴射系統(tǒng)、液體閥門(mén)控制、微定位到機(jī)械致動(dòng)器、太空望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和飛機(jī)機(jī)翼調(diào)節(jié)器等領(lǐng)域。