引言
超聲，英文名ultrasound，跟超生遊擊隊沒啥關系（王建國附體，諧音梗玩的不亦樂乎），是指頻率在人類聽覺上限之上的聲音。超聲學（Ultrasonics）作為聲學傢族的新貴，直到19世紀初才出現明確的定義。現在廣泛應用於工業界和醫學界，比如水下聲吶、醫用超聲、聲化學、無損檢測和材料鑒定等方面。
那麼什麼是超聲？其發展歷程如何？有什麼用？最重要的是，跟泰坦尼克號有啥關系？別著急，列位請看下文。我將從什麼是超聲、超聲發展史和超聲應用三個方面，對本專題詳細展開。
超聲是什麼
超聲定義
如我引言中所說，超聲是頻率超過人類耳朵可以聽到的最高閾值（20kHz）的聲波。人類的聽覺頻率范圍一般在20Hz到20kHz之間，低於20Hz的聲波叫做次聲波（Infrasound），聲波的頻率范圍一般認為在15Hz到1THz之間（這個T和硬盤的T是一樣的，10的12次方）。1GHz以上的一般叫做Hypersound，也稱作“微波聲”或者“量子聲”，主要是聲波更多呈現粒子特性，波的特性不明顯。所以波粒二象性不隻存在於光波領域，聲波領域同樣存在。
超聲波的頻率下限定義比較模糊，不一定是20kHz，有的超聲研究頻率下限在15kHz-18kHz，也不能說不是超聲；而反過來，有的HiFi發燒友還追求上至25kHz的音頻，所以在可聽聲和超聲之間，有一段曖昧的頻率重疊。
找個好點的耳機測測聽力https://www.zhihu.com/video/1216221331463045120
好吧，15 kHz以上我就已經啥也聽不見瞭，要麼是我的音響太爛，要麼是……
從頻率來講，超聲波的定義和紫外線（Ultraviolet）類似，紫外線是頻率比可見光高的電磁波。難怪皇後樂隊的Freddie分不清光和聲，一看物理就是音樂老師教的。
光聲不分傢https://www.zhihu.com/video/1215517884413341696
“I'm travelling at the speed of light, I wanna make a supersonic man out of you”
現實世界中的超聲波
雖然人類聽不見超聲，但是動物界存在很多超聲小能手，其中就包括最近臭名昭著的蝙蝠。它發出超聲波，利用回聲的強度、延遲和頻移，來判斷空間中物體的大概種類、距離和移動速度，從而解鎖回聲定位（Echolocation）技能。安裝同樣技能包的還有海豚和核潛艇。相比與空氣，聲音在水中衰減更少，因此水下動物能更好地利用回聲定位。
回聲定位（Echolocation） [https://sensorlocalization.wordpress.com/tag/bat/]
好多動物都能聽見超聲。所以當你看見你傢的貓貓狗狗突然間好像看見或者聽見什麼的時候別害怕，不是什麼靈異事件，很可能它們聽見超聲瞭。
狗能聽見上至35kHz的聲音，狗哨就是就利用瞭超聲和狗耳朵比人耳聽覺頻率上限高的原理。貓比狗能聽到的頻率更高，而老鼠能聽到高達100kHz的超聲。老鼠不僅能聽到超聲，也能發出超聲。
https://www.zhihu.com/video/1217159750967898112
為瞭防止被吃，蛾子能聽到200kHz的超聲，為瞭獲取敵軍（主要是蝙蝠，又是蝙蝠）情報也是拼瞭。
既然都是聲波，隻是頻率高而已，為什麼要把超聲單拎出來呢？
可以從以下幾個方面解釋。
- 主要原因是因為在高頻，聲源的每個結構單元都必須被看作波導，而不能隻簡化成質量塊和彈簧。
- 加速、聲壓變化、聲強/聲能量密度比可聽聲大很多數量級，所以會出現一些非線性現象。在某些空穴中，超聲能引起固體材料超出彈性范圍的永久性變化。
此時大鵬的雙手每秒鐘使勁來回甩3萬次
3. 由於超聲波長短，指向性極強。這個特性被廣泛利用到瞭材料無損檢測和醫學診斷上面。
4. 超聲在探索物質物理特性和固液體的原子/分子結構等方面有很大優勢。
超聲發展史
超聲的發展史，可以以第一次世界大戰（1914-1918）為分界線。在那之前，隻有寥寥幾種方法可以產生超聲，相關的研究也很少。
t < 一戰
在一戰前，關於超聲的大新聞主要有兩個，推動瞭後來超聲的發展：
磁致伸縮效應和壓電效應的發現，前者由焦耳在1847年發現（沒錯，就是那個充滿能量的焦耳J），後者由居裡兄弟在1880年發現。
現在回到在引言中提到的問題：超聲和泰坦尼克號有啥關系？是不是圖不對文？
t > 一戰
為什麼提泰坦尼克號呢？是因為在泰坦尼克號沉沒之後的一周，Lewis Richardson申請瞭超聲回聲定位/測距的專利，標志著現代超聲研究的開始。加之隨後一戰的爆發，對於水下潛艇探測的需求，推動瞭水下聲學的發展。聲吶（sonar）技術，也稱聲音定位與測距就是在這一時期發展起來的。英國科學傢RobertWilliamBoyle是這一技術的主要推動者。有意思的是他在1928年發表瞭第一篇關於超聲學的綜述文章，可不幸的是剛發完期刊就黃瞭，所以這篇綜述的影響力有限。搞科研的同學們註意瞭！費勁巴力寫綜述的一定要投靠譜的期刊。Paul Langevin成功把水下超聲商業化，把超聲測距的儀器裝到瞭很多船上。
消失的不隻是頭發，也有可能是發表的文章
隨著一戰的結束，超聲的發展逐漸式微。直到1925年超聲幹涉儀的發明，算作是超聲在物理聲學領域的一大突破。1927年，美國科學傢Robert Williams Wood和Alfred Lee Loomis共同開發瞭高強度超聲，並研究瞭很多在高強度下的超聲效應。Wood要比前面提到的Langevin更悲催，博士論文寫完瞭，芝加哥大學的學術規則變瞭，導致他一輩子都沒拿到博士學位。看來消失的除瞭頭發和文章，還可能有博士學位。Wood和Loomis二人還研究瞭超聲的生物學效應，從細菌到果蠅都有發表過文章。Loomis除瞭聲學研究，還主攻光學，是EEG（腦電圖）和GPS的先驅。
二戰期間，超聲的應用更加成熟和廣泛，逐漸擴展到瞭醫療領域。隨著電子學的發展，超聲學被推向的第一個高峰。高強度超聲被用來作清洗，並已經達到瞭工業級別。40年代初，隨著脈沖回聲法的發明，超聲被引入到材料的無損檢測。50年代，初代B超問世，標志著現代超聲診斷技術的濫觴。
70年代後，超聲學領域涵蓋范圍越來越廣，但是其內核依然是物理聲學。電腦技術和電子學的快速發展，也極大推動瞭超聲學的發展。同聲學大類一樣，超聲學也向著多學科領域發展。截止至2005年，超聲相關的文章發表數超過瞭10000，分佈在各個不同領域。在成像技術，過程檢測，生化學，醫療診斷和治療，生物工程，納米技術，動物醫學和國防領域都能看到超聲的影子。
超聲應用
繼“聲學之輪”後，“超聲之輪”瞭解下。
超聲之輪
這是70年代的一篇文章中總結的，也基本涵蓋瞭超聲的大部分領域。大類主要有以下五個方面：
- 材料科學：比如無損檢測，焊接，霧化乳化等；
- 工程：聲吶，電子通訊，金屬成型，結構監測等；
- 計量學：成像技術，聲學顯微鏡，流速、密度、粘度等物理量的測量；
- 化學：樣本制備、聲化學反應、過程監測等；
- 生物學：醫學、氣泡檢測等。
其中醫學方面，專欄之前的一篇文章有過詳細的介紹
醫療診斷 [https://www.verywellhealth.com/ultrasound-application-techniques-2696542]
從另一個角度，工業領域來看，其應用可以參考下圖，主要分為三類：加工處理、無損檢測、測量和控制。
用幾個動圖簡單介紹下超聲的幾個經典工業應用。
超聲清洗：利用超聲高頻的特點，快速攪動液體，達到清洗效果。這個很好理解，洗衣服的時候要是一秒能搓超過兩萬下……衣服都洗沒瞭，能不幹凈麼……
超聲清洗 [https://www.medgadget.com/2018/05/smartclean-vision-5-a-portable-ultrasonic-cleaner.html]
無損檢測：利用超聲的高指向性，通過檢測反射超聲脈沖波形的異常，來判定檢測部分材料是否有損壞。
無損檢測 [https://www.tec-science.com/material-science/material-testing/ultrasonic-testing-ut/]
傳統應用之外，最近看到瞭幾個超聲“黑科技”，想特別說一下。
石墨烯超聲傳感器
2015年美國科學傢造出瞭石墨烯為原材料的超聲發射器和接收器，可以用來無線通信。據說該傳感器在20Hz到0.5MHz寬頻范圍能傳輸高保真音頻，能夠采集到蝙蝠發出的超聲。
虛擬按鍵
一個小小超聲傳感器，可以把任何東西變成按鍵。通過傳感器可以監測手勢，起到和按鍵的效果。如果真的能達到工業應用，那麼改革是天翻地覆的，想象一下沒有按鍵的世界會有多瘋狂？
https://www.ultrasensesys.com/applications#Applications-hero
虛擬耳機
一個前同事最近在做的事情，我覺得非常酷。耳機+音響+3D回放的結合體，取其精華，去其槽粕。其原理主要有三點：
- 通過3D傳感器，對頭部尤其是雙耳位置進行識別；
- 高指向聲音打向耳朵。獲取雙耳位置信息後，雙耳音頻信號被調制成超聲，因此實現對雙耳的精準打擊，然後通過某種非線性、自解調的算法（並不知道是什麼方法，有知道的請不吝賜教），在雙耳處還原原始音頻；
- 超聲發射由一種特殊音響（Multi-cell speaker module）完成。
音頻經超聲調制和解調後被人耳接收 [https://www.focusonics.com/technology/]
什麼都不用帶，達到瞭帶耳機的效果。其功能又是音響沒法媲美的，虛擬耳機可以做到聲音隻讓目標人聽見，而其他人聽不見。其意義在公共空間巨大，比如博物館一個房間不同區域可以根據主題播放不同音頻而不互相幹擾，車裡一傢三口可以不用帶耳機聽自己想聽的音樂，辦公室接打電話。
私密聲空間
其概念十分吸引人，不知道具體效果如何。有幾個問題很好奇他們是怎麼解決的，比如耳朵追蹤的精度，超聲能否直接把聲音送達耳道外沿，送達位置和追蹤偏差會引起HRTF不準從而導致雙耳感受下降，以及如何保證解調之後的聲音不向周圍環境傳播等等。
參考
[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.
聲學回答和文章匯總（更新至2020年2月16日）
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