物理-超聲波-p教師簡介

教師簡介，

，畢業(yè)于山東師范大學物理系教務賬號：16077

：第三章 超聲醫(yī)學的物理基礎第一節(jié) 聲波第二節(jié) 效應第三節(jié) 超聲波及其醫(yī)學應用第三章超聲物理學基礎主要內(nèi)容:1、了解聲學的基本概念：聲速、聲壓、聲阻、聲強等。2、理解聲強級和響度級的定義和意義。效應、電致伸縮效應、壓電效應3、了解的作用。4、掌握超聲波的特性，了解超聲波的醫(yī)學應用。第一節(jié)

聲波一、振動：是物體運動的一種形式。無論宏觀還是微觀世界都存在振動現(xiàn)象。廣義的講，所有物理量在某平衡點附近，隨時間周期性的變化，都稱為振動。如機械振動（速度、位移），電磁振動（電壓、電流、場強、磁場）。最簡單的振動稱為簡諧振動。1、簡諧振動的位移方程：x

Acos(t

)2、簡諧振動的特征量：①振幅:A②周期T、頻率ν

、角頻率ω③相位（ωt+φ）

、初相位φ第一節(jié)

聲波產(chǎn)生波動簡稱波。產(chǎn)生二、波動：振動在彈性媒質(zhì)中的振動的裝置稱為波源。波動依賴于媒質(zhì)，因此機械波不能通過真空。電磁波的電場和磁場波動方向垂直，互為的媒質(zhì)，可在真空中。1、波動的特點：波源的振動首先誘發(fā)媒質(zhì)中 質(zhì)點的振動，媒質(zhì)中的分子或原子相互作用，誘發(fā)振動的質(zhì)點可看做新波源，并再次引起 的質(zhì)點的振動，使波源的振動狀態(tài)在媒質(zhì)中 開，波動只是

的振動狀態(tài)，媒質(zhì)中的質(zhì)點只是在其平衡位置附近振動，并不隨波動移動。2、波動分為：縱波（振動方向與

方向平行）和橫波（振動方向與方向垂直）。第一節(jié)

聲波1、聲波：引起人們聽覺的機械縱波。2、聲波頻率范圍：20Hz～20000Hz，人能聽到。3、次聲波：低于20Hz，人聽不見。波長長，距離遠。常用于水中作聲納探測或?qū)Ш健４温晫?有害。4、超聲波：高于20000Hz，人聽不見，波長短，距離近。醫(yī)學上用超聲做腹腔和肝膽檢查，對 無害。5、聲波、次聲波、超聲波都是機械波，僅頻率范圍不同，其基本性質(zhì)一樣。聲帶振動也產(chǎn)生聲波，聲波經(jīng)空氣或骨骼引起人耳鼓膜并刺激聽覺神經(jīng)，產(chǎn)生聽覺。聽覺具有學習特性，聽到的信息傳輸?shù)酱竽X，與中特性比較，并對聲源做出判斷。第一節(jié)

聲波一、聲壓和聲強（一）聲速聲波在媒質(zhì)中 時，會引起媒質(zhì)（介質(zhì)）中的分子或原子的縱向振動，并依此傳遞，將聲波

到遠處。顯然媒質(zhì)不同，相互作用存在差異，聲波的

速度也不會相同。聲波的

速度簡稱聲速。聲速u與媒質(zhì)的性質(zhì)（密度、彈性）有關，并受溫度影響。在空氣中(m/s)：u

331

0.6t第一節(jié)

聲波(二)聲壓與聲阻1、聲壓

P：聲波是縱波，聲波在媒質(zhì)中 時，媒質(zhì)中各部分時疏時密，各部分的壓強相應變化。某一時刻，媒質(zhì)中有聲波 時的壓強與無聲波時的壓強差稱為聲壓。聲壓的大小周期性變化，其聲壓幅值Pm為：Pm

uA

Pm

um一、聲壓和聲強聲波能力的物理量。聲波在不同媒質(zhì)中 的速度不同，顯然，媒質(zhì)對聲波的 能力不同，即阻礙程度不同。聲阻抗（簡稱聲阻）定義為：第一節(jié)

聲波2、聲阻抗Z：表征媒質(zhì)

uA

uvm

AZ

Pm聲阻抗與物質(zhì)密度和波速有關，表示媒質(zhì)的聲學特性。一、聲壓和聲強物質(zhì)密度ρ（k·m-3）聲速u(m·s-1)聲阻抗Z(kg·s-1·m-2)空氣(0℃)1.293314.27×102空氣1.213434.15×102水988.214841.48×106鋼7800505039.39×106脂肪97014001.36×106腦102015301.56×106肌肉104015681.63×106密質(zhì)骨170036006.12×106第一節(jié)

聲波（三）聲強I單位時間內(nèi)通過垂直于聲波積的聲波能量。方向的單位面m

m2

2

2

1

P2

/

ZI

1

u2

A2

1

Zv2國際單位：W

m2聲強難以測量，但可通過測量聲壓和聲阻計算。一、聲壓和聲強例：測得某音響設備發(fā)出最強聲波的聲壓幅值為8.3Pa，在20℃時該聲波的強度多大？透過面積2m2的窗口的聲功率是多少？若聲波頻率1000Hz，其振幅與質(zhì)點振動速度幅值各多大？(8.3)2P2

8.3102

(W/

m2

)1

m2

Z

2

4.16102I

解：20℃時空氣的聲阻抗為：4.16102

(kg

m2

s1

)透過窗口的聲功率即單位時間內(nèi)通過窗口的聲波能量：N

IS

8.3102

2

0.166(W

)聲波的角頻率與頻率

的關系是

，2A

3.18106

(m)Pm

Pm

8.3u

2uZ

416

8.3

0.02(m

/

s)

Pmm第一節(jié)

聲波（四）聲波的反射與折射聲波在過程中遇到聲阻抗不同的媒質(zhì)面時，會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。其規(guī)律如同光波的反射和折射規(guī)律。1、反射：聲波遇到媒質(zhì)界面一部分聲波返回原媒質(zhì)。2、折射：另一部分聲波穿過界面進入另一媒質(zhì)并改變 方向。一、聲壓和聲強第一節(jié)

聲波一、聲壓和聲強3、聲強反射系數(shù)βir：反射波強度與入射波強度之比。4、聲強透射系數(shù)βit

：透射波強度與入射波強度之比

Ir

(

Z2

Z1

)21Ii

Z2

Zir垂直入射時：I

4Z2

Z1i

2

1tI

(Z

Z

)2it

（五）聲波的衰減沿

方向，由于媒質(zhì)的吸收，聲波的強度逐漸減弱，其衰減規(guī)律按負指數(shù)規(guī)律衰減。I

I

e

x0第一節(jié)

聲波（六）音樂的特性基音、泛音：聲源振動產(chǎn)生單一頻率的純音，樂器振動將產(chǎn)生復雜，稱為復音，包含多種頻率成分，其中頻率最低、振幅最大的純音為基音，其它頻率是基音的整數(shù)倍，稱為倍頻或泛音。音調(diào)、響度、音色：人對音樂的感覺?；舾叩蜎Q定音調(diào)，聲音的強度決定響度，泛音成分決定音色。噪音：引起人們感覺痛苦 。噪音影響人的心理和生理健康，甚至造成會造成病理損害。一、聲壓和聲強第二節(jié)

聲學在醫(yī)學中的應用一、聽覺（區(qū)）域聽覺不僅與頻率（20~20KHz）有關，還與聲強有關。聲音足夠大時，人耳才能感受到，聲音大到一定程度，有痛苦的感覺。1、聽閾：引起聽覺的最小聲強稱為聽閾。表示聽閾與頻率關系的曲線叫聽閾曲線，也叫 曲線。不同頻率的聲波，聽閾值不同，甚至相差懸殊，人耳最敏感的頻率為1KHz~5KHz，鼓膜的固有頻率約為3KHz。如1KHz的聲波聽閾值為：1012W

m22、痛閾：人能承受的最大聲強稱為痛閾。也可以表達為引起痛覺的最小聲強。不同頻率的聲波，痛閾值也不完全相同，但頻率的影響不大，主要取決于聲強。痛閾約為：1W

m23、聽覺區(qū)域聲強介于聽閾(1012W

m2

)和痛閾(1W

m2

)之間的范圍。二者相差為1萬億倍。但人耳分辨聲音的級別并沒有這么高。聲音的客觀增強與

感受不成正比關系。第二節(jié)

聲學在醫(yī)學中的應用第二節(jié)

聲學在醫(yī)學中的應用二、聲強級和響度級（一）聲強級實驗證明：人感覺到增強與客觀上聲音強度增大倍數(shù)的對數(shù)成正比。物理學上采用對數(shù)標度聲強等級稱為聲強級。L

lgI

0

I

0I

IL

10

lg單位為貝爾（B）單位為分貝（dB）顯然聽閾為0dB，痛閾為120dB，聽覺分辨率為120個級別。常見聲源的聲強級和響度聲源聲強級dB響度聲源聲強級dB響度雷、

鉚釘錘鬧市

警笛

吵鬧1201101009070震耳極響響談話耳語

樹葉微動6050403010正常輕極輕例：一臺機器產(chǎn)生的噪音，聲強級為50dB。再增加一臺同樣的機器，噪音的聲強級增大到多少？解：根據(jù)得一臺機器發(fā)生噪音的聲強為I1=105I0

，兩臺機器發(fā)出噪音的聲強為2

I1

，對應的聲強級由于聲強級是取對數(shù)標尺，兩個聲音疊加時，總聲強級不等于兩個聲音聲強級的和L

lg

I

(B)

10

lg

I

(dB)0II0

I010

lg

I1

50I0

I02I

2

105

IL

10

lg

1

10

lg

0

53(dB)感覺程（二）響度：人耳對客觀聲音強弱的度，響度不僅與聲強有關，還與頻率有關。（三）響度級：人耳對不同頻率 敏感程度不同，同樣的聲強級，感覺

強弱不一定相同，甚至差異很大。為了描述這種差異，將聲強級在同一頻率下（1000Hz）的感覺分成等級就是響度級，單位為（方）。響度級也分為120個等級。（四）等響曲線：頻率不同 ，引起同樣的感覺就是同一個響度級。第二節(jié)

聲學在醫(yī)學中的應用效應效應：由于波源或觀測者的運動，造成觀測頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象1842年，奧地利物理學家

帶著女兒在鐵道旁散步時就注意到了類似的現(xiàn)象，他經(jīng)過認真的研究，發(fā)現(xiàn)波源和觀察者互相靠近或者互相遠離時，觀察到的波的頻率都會發(fā)生變化，并且做出了解釋方向共線理論推導假設波源和觀測者的運動方向與波波源相對于介質(zhì)的速度為vs觀測者相對于介質(zhì)的速度為v0波在介質(zhì)中的 速度為u波源和觀測者觀測到的頻率分別為v和v’波源 觀測者運動相互靠近時相當于波以速度u’=u+v0通過觀測者，單位時間內(nèi)通過觀測者的完整波數(shù)即觀測到的頻率為

u

u

v0

u

v0

相互遠離時

u

/u

u

v0u頻率的改變是由于觀測者觀測到的波數(shù)增加或減少造成的觀測者 波源運動相互靠近時當波源以速度vs向著觀測者運動時，由于一個周期T內(nèi)波源已近觀測者vsT的距離所以觀察到的波長縮短為觀測者實際測得的頻率為相互遠離時在波源運動情況下，觀測頻率的改變是由于波長縮短或伸長所致

vsT

(u

vs

)T

u

u

vsu

vs

Tuu

1

u

vsu波源和觀測者同時相對于介質(zhì)運動觀測者實際測得的頻率為符號法則：觀測者向著波源運動，分子取加號觀測者遠離波源運動，分子取減號波源向著觀測者運動，分母取減號波源遠離觀測者運動，分母取加號簡單

：向著結果變大，背離結果變小

u

u

v0

u

vsu

vs

u

u

v0

效應的應用交通警向行進中的車輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線，同時測量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度?；诜瓷洳?、人造效應的原理，

系統(tǒng)已廣泛地應用于車輛、等運動目標的監(jiān)測u

vs

'

u

vo

1）330

'

330-30

500Hz

454.5

Hz解u

330

m/s,

vsA

0,

vsB

60

m/s例1

A、B為兩個汽笛，其頻率皆為500Hz，A靜止，B以60m/s的速率向右運動.在兩個汽笛之間有一觀察者O，以30m/s的速度也向右運動.已知空氣中的聲速為330m/s，求：A

OBvOvsB觀察者聽到來自A

的頻率觀察者聽到來自B

的頻率觀察者聽到的拍頻330

602）

330

30

500Hz

461.5

Hz3）

觀察者聽到的拍頻

7

HzA

O

BvOvsB例1

A、B為兩個汽笛，其頻率皆為500Hz，A靜止，B以60m/s的速率向右運動.在兩個汽笛之間有一觀察者O，以30m/s

的速度也向右運動.

已知空氣中的聲速為330m/s，求：觀察者聽到來自B

的頻率觀察者聽到的拍頻解求車速.例2

利用

效應監(jiān)測車速，固定波源發(fā)出頻率為

100kHz

的超聲波，當汽車向波源行駛時，與波源安裝在一起的

接收到從汽車反射回來的波的頻率為

"

110kHz

.

已知空氣中的聲速為

u

330ms1，v0解1）車為u

'

u

v0

2）車為波源

"u

vsu

'

v0

u

u

vs車速1v0

vs

u

56.8

km

h

"

"第三節(jié)

超聲波超聲波：頻率大于20000Hz的機械縱波，是人耳聽不見的聲波，目前已經(jīng)能產(chǎn)生頻率大于1萬億Hz的高頻超聲和功率到幾千瓦的高功率超聲。超聲波在醫(yī)學上的應用主要有：超聲和超聲治療。血流1、 應用：B超臟器檢查、產(chǎn)前檢查、測量等。2、治療應用：超聲碎石，牙齒清污、藥物霧化、理療等。超聲波除具有聲波的一般性質(zhì)外，還具有其特性。超聲波在液體 距離遠，固體中次之，在空氣中衰減很快。第三節(jié)

超聲波一、超聲波的特性和與物質(zhì)的作用（一）超聲波的特性1、方向性好：超聲波頻率高，波長短，象光線一樣，沿直線

，能聚焦。2、強度大、聲壓大， 本領強。3、超聲波遇到不同介質(zhì)分界面時產(chǎn)生顯著反射。Zp22

2I

1

u

2

A2

1

m

第三節(jié)

超聲波（二）超聲波與物質(zhì)的作用1、熱作用：介質(zhì)分子劇烈振動，分子間相互作用轉化為介質(zhì)內(nèi)能，溫度升高——理療原理。2、機械作用：超聲波頻率高，強度大，聲壓大。超聲波作用于介質(zhì)，壓力發(fā)生劇烈變化——超聲碎石原理。3、空化作用：液體受超聲巨大的聲壓作用，產(chǎn)生湮滅的細微空腔的現(xiàn)象——超聲霧化原理。第三節(jié)

超聲波二、超聲波的產(chǎn)生和探測（一）電致伸縮效應：非對稱晶體在交變電場的作用下，按電場變化的頻率產(chǎn)生伸長與縮短的現(xiàn)象（機械振動）。利用該效應可產(chǎn)生超聲波。（二）壓電效應：壓電晶體受到壓力或拉伸作用時，在晶體的兩個表面上產(chǎn)生正負電荷的現(xiàn)象。壓電效應是電致伸縮效應的逆效應，是機械能轉化為電能。利用壓電效應可探測超聲波。（三）壓電晶體既可發(fā)射超聲波，也可接收超聲波。第三節(jié) 超聲波三、超聲波的醫(yī)學應用1、超聲 的優(yōu)點：超聲波主要用于軟組織和臟器的檢查，能分辨組織聲阻抗發(fā)生細微的變化，靈敏度高，對 無損害，屬無

檢查，安全無痛苦。2、超聲 儀原理儀器構造：高頻信號發(fā)生器、探頭、顯示器、電源。3、超