关于作者
中国科学院应用研究与发展局高级工程师，从事金属材料和稀土材料的研究与开发工作。曾任中科院应用研究与发展局材料能源处长，副总工程师，中国材料研究学会副秘书长，中国薄钢板成形技术研究会秘书长，国家稀土办专家组成员。编写发表多篇新材料及新能源方面科普文章和专著。中国科普作家协会会员。
超声波与“超生游击队”---铽镝铁磁致伸缩合金
王宁寰
2014年09月26日
超声波，这是大家最熟悉的了，有一年春节联欢晚会上有一个节目叫“超生游击队”，其中提到现在生孩子前，可以到医院用一种叫“B超”的仪器检查一下是男是女，一“超”一个准。逗得大家哈哈大笑。从此B超为亿万人民所了解。其实B超就是医疗用超声波检查仪，它可以发射出超声波进入人体组织内，然后把反射回来的信号经过处理后，在荧光屏上显示出人体内部组织的状况。医生可以直接观察有没有组织异样和病变，现在己经成为医院为病人检查身体的常规手段。
科学家最早发现超声波是从蝙蝠身上找到的，因为蝙蝠头部的口鼻部上长着被称作“鼻状叶”的结构，在周围还有很复杂的特殊皮肤皱褶，这是一种奇特的超声波装置，具有发射超声波的功能，能连续不断地发出高频率超声波。以昆虫为食的蝙蝠在不同程度上都有回声定位系统，因此有“活雷达”之称。借助这一系统，它们能在完全黑暗的环境中飞行和捕捉食物，在大量干扰下运用回声定位，发出超声波信号而不影响正常的呼吸。如果碰到障碍物或飞舞的昆虫时，这些超声波就能反射回来，然后由它们超凡的大耳廓所接收，使反馈的信息在它们大脑中进行分析。
这种超声波探测灵敏度和分辩力极高，使它们根据回声不仅能判别方向，为自身飞行路线定位，还能辩别不同的昆虫或障碍物，进行有效的回避或追捕。蝙蝠就是靠着准确的回声定位和无比柔软的皮膜，在空中盘旋自如，甚至还能运用灵巧的曲线飞行，不断变化发出超声波的方向，以防止昆虫干扰它的信息系统乘机逃脱。
蝙蝠鼻子上的超声波发生和接收“器件”是一种生物超声波敏感组织组成，类似的情况在其它多种动物身上也有发现。比较突出的要数海豚。海豚在海里视力欠佳，它就是靠鼻子部分的生物超声波发生器来确定位置或捕食小鱼。
据说，许多年前在澳大利亚的一个海域，海况十分复杂，水下暗礁林立，但它又是海船必经之路。历史上不知有多少海船在此触礁，船毁人亡。因而每当有海船航行到此海域都放慢速度，格外小心。一天几位海员发现有一条海豚在船前游走，海员们扔下一些鱼食喂它吃，吃饱以后这头海豚竟不愿离去，一直在船前快速游走，而且游走的地方都是没有暗礁的安全航道。船长发现了这个秘密，于是紧跟这条海豚前进，使海船快速通过危险礁区。打这以后，每当有船只经过此海域，这只海豚一定会出现，而且十分友好，在吃完海员喂给的鱼食后，立即游到船前，引导船只安全驶过暗礁区，年复一年都是这样，海员们亲切的称呼它是“忠实的领航员”。但是，有一天，一位多事的海员不了解情况，举枪向海豚开了一枪，虽然海豚没有被击中，但从此这条“忠实的领航员”再也没有出现。
于是科学家研究出一种对超声波敏感的材料——“磁致伸缩材料”，制成的人造超声波探测装置，装在船上同样起到安全导航作用。后来这种装置又被用来探测鱼群，使渔获量大增。在军事上，潜水艇早就用上了超声波测距仪来定位或侦察敌船。工业上用超声波探伤仪来检查金属内部的裂纹，此外，超声波可以清洗工业另件上的油污，就连大街上的眼镜店也打出招牌“超声波免费清洗眼镜”，原来他们也用上了小型超声波眼镜清洗机，又快又好。现在超声波已在人们的生活中和工业及军事领域内广泛的发挥作用，成为把声音用来为人类服务的典范。
知识链接：什么是磁致伸缩材料？
磁性材料由于磁场的变化，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩。其特点是它的伸缩变化极为精确，因而在目前高新技术产品应用中，处于不可取代的作用。
过去，作为磁致伸缩材料的主要是镍、铁等金属或合金，由于磁致伸缩值较小，功率密度不高，故应用面较窄。主要用于声呐、超声波发射等方面。
稀土超磁致伸缩材料是国外八十年代末新开发的新型功能材料。主要是指稀土-铁系金属间化合物。这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值，其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约102～103倍，并且机械响应快、功率密度高。在类似材料中，稀土超磁致伸缩材料是在物理作用下应变值最高、能量最大的材料。特别是稀土铽镝铁磁致伸缩合金（Terfenol-D）的研制成功，更是开辟了磁致伸缩材料的新时代。
铽镝铁磁致伸缩合金开始主要用于声呐，目前已广泛应用于多种领域，从燃料喷射系统、液体阀门控制、微定位到机械致动器、太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等领域。