物理學(xué)第四章

物理學(xué)第四章第一頁，共六十七頁，2022年，8月28日掌握:概念：聲波、聲壓、聲特性阻抗、聲強(qiáng)、聲強(qiáng)級、響度級公式：多普勒效應(yīng)及公式的應(yīng)用熟悉聽閾和聽閾曲線痛閾和痛閾曲線聽覺區(qū)域了解超聲波的特性及其生物效應(yīng)，脈沖超聲波的產(chǎn)生與探測；超聲波成像的基本原理；超聲在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。教學(xué)大綱第二頁，共六十七頁，2022年，8月28日次聲波(Infrasonicwave)：頻率低于20Ｈz超聲波(Ultrasonicwave)：頻率高于20000Ｈz聲波：頻率在20Ｈz—20000Ｈz之間的機(jī)械波(縱波），能引起人的聽覺。第三頁，共六十七頁，2022年，8月28日次聲波如火山爆發(fā)、地震、大氣湍流等都有次聲波產(chǎn)生.特點(diǎn)：頻率低、能量損失少、穿透能力強(qiáng)。某些動物的信息交流也采用次聲波.軍事上有次聲彈.超聲波在醫(yī)學(xué)的治療與診斷當(dāng)中有重要的應(yīng)用.第四頁，共六十七頁，2022年，8月28日一、聲壓聲壓：在某一時(shí)刻，介質(zhì)中某一點(diǎn)的壓強(qiáng)與無聲波通過時(shí)的壓強(qiáng)之差:聲壓幅值：Px單位：N·m-2有效聲壓：(實(shí)際中測量值)簡諧聲波的聲壓表達(dá)式:第五頁，共六十七頁，2022年，8月28日聲波在空氣中以縱波的形式傳播:聲壓方程第六頁，共六十七頁，2022年，8月28日二.聲特性阻抗介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動速度幅值：

單位：或是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的一個(gè)物理量。聲特性阻抗：聲壓幅值Pm與速度幅值

之比?；?瑞利第七頁，共六十七頁，2022年，8月28日幾種介質(zhì)的聲速和聲阻抗介質(zhì)聲速u(m/s)密度ρ(kg/m3)聲阻抗ρu(kg/m2s)空氣(0℃)3.32×1021.294.28×102空氣(20℃)3.44×1021.214.16×102水(20℃)14.8×102988.21.48×106脂肪14.0×1029701.36×106肌肉15.7×10210401.63×106密質(zhì)骨36.0×10217006.12×106鋼50.5×102780039.4×106人體組織可分為：低聲阻抗、中等聲阻抗、高聲阻抗第八頁，共六十七頁，2022年，8月28日三.聲強(qiáng)（聲波的強(qiáng)度）聲強(qiáng)：單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量.單位：J﹒s-1﹒m-2=W﹒m-2描寫聲場的物理量第九頁，共六十七頁，2022年，8月28日聽覺區(qū)域：引起人耳聽覺的聲波:與頻率有關(guān)（聲調(diào)）（20--20kHz）與聲強(qiáng)有關(guān)（響度）（10-12--1W/m2）聽閾：能引起聽覺的最低聲強(qiáng)（最低可聞聲強(qiáng)）.如：1000Hz的聽閾為10-12W/m2痛閾：人耳能忍受的最高聲強(qiáng).如：1000Hz的聽閾為1W/m2第二節(jié)聲強(qiáng)級與響度級第十頁，共六十七頁，2022年，8月28日聽閾曲線和痛閾曲線痛閾聽閾聽覺域1000HZ的聽覺域：I=10-12~100W/m2聲強(qiáng)聲強(qiáng)級（W/m2）（dB）頻率（HZ）第十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日一、聲強(qiáng)級標(biāo)準(zhǔn)參考聲強(qiáng)：I0=10-12W/m2聲強(qiáng)級：單位：貝爾（B）單位：分貝（dB）1B=10dB1000HZ的聽覺區(qū)域：L=0

~12BL=0

~120

dB聲強(qiáng)每增加10倍，人耳聽覺才改變1倍左右；(采用對數(shù)來表示聲強(qiáng)的等級)

定義P67第十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日聽域：痛域:第十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日聲源種類聲強(qiáng)（W/m2）聲強(qiáng)（dB）幾乎不能察覺的聲音10-120樹葉的沙沙聲10-1110耳語10-1020醫(yī)院10-830鬧市10-6~10-560~70地鐵或汽車10-390噴氣飛機(jī)103140火箭發(fā)射場106170幾種聲音的聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級第十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日解：①∵I1=I=10-7W/m2，I0=10-12W/m2②∵I2=2I

∴∴（dB）（dB）聲強(qiáng)具有可加性，而聲強(qiáng)級不能直接相加例題1、某馬達(dá)開動時(shí)產(chǎn)生的噪聲聲強(qiáng)為10-7W/m2，求①開動一臺馬達(dá)，其噪聲聲強(qiáng)級為多少dB？②同時(shí)開動兩臺馬達(dá)，其噪聲聲強(qiáng)級為多少dB？第十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日同聲強(qiáng)級但人耳的聽覺不同,為此引入一個(gè)新概念---第十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、響度級：人耳主觀感覺到的聲音的響亮程度。等響曲線：響度級(單位：方）①1000HZ純音響度級與聲強(qiáng)級(dB)數(shù)值相同②同一等響曲線具有相同的響度級在聽覺域中把不同頻率、不同聲強(qiáng)，但響度相同的點(diǎn)連成一條曲線.響度相同的聲音具有相同的響度級。20100

1K2K5K10K聲強(qiáng)（W/m2）110-210-410-610-810-1010-12聲強(qiáng)級(dB)020406080100120聽閾痛閾0方20方40方60方80方100方120方第十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日例題面積為1平方米的窗戶開向街道，街中有頻率為1000Hz的聲源在窗口的聲強(qiáng)級為80dB，則每秒鐘傳入窗口聲波的能量為（）J，若街中有兩個(gè)頻率為1000Hz的聲源在窗口的聲強(qiáng)級各為80dB，則這兩個(gè)聲源同時(shí)傳到窗口的響度級為（）方。I0=10-12w/m2I=10-4w/m2E=I.t.s第十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日總結(jié):主要內(nèi)容波動方程及其物理意義,聲波,聲壓,聲阻抗,聲強(qiáng),聲強(qiáng)級,響度級.第十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)多普勒效應(yīng)（Dopplereffect)*多普勒效應(yīng)：因波源或觀測者相對介質(zhì)運(yùn)動，而使觀測頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象。第二十頁，共六十七頁，2022年，8月28日一、多普勒效應(yīng)的定量研究觀察者OS波源u波相對于介質(zhì)的速度為u(波速）波源的速度為：周期、頻率分別為觀察者速度：觀察者接受到的頻率為：第二十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日1.波源與觀察者均相對媒質(zhì)靜止:t時(shí)刻的波陣面t+1秒時(shí)刻的波陣面u接收的頻率就是波源振動的頻率.第二十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日2波源不動，觀察者相對介質(zhì)以速度運(yùn)動第二十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日接收頻率提高！A）觀察者朝向波源運(yùn)動(頻率-每秒波前進(jìn)距離中完整波的數(shù)目)ut+1秒時(shí)刻的波陣面t時(shí)刻的波陣面第二十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日B）觀察者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動接收頻率降低！t+1秒時(shí)刻的波陣面t時(shí)刻的波陣面u第二十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日3觀察者不動，波源相對介質(zhì)以速度運(yùn)動第二十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日波源運(yùn)動時(shí)，波的頻率不再等于波源的頻率。這是由于當(dāng)波源運(yùn)動時(shí)，它所發(fā)出的相鄰的兩個(gè)同相振動狀態(tài)是在不同地點(diǎn)發(fā)出的，這兩個(gè)地點(diǎn)相隔的距離為VSTS，TS為波源的周期。yy第二十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日A）波源朝向觀察者以速度運(yùn)動ut時(shí)刻的波陣面t+1秒時(shí)刻的波陣面接收頻增高！yy第二十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日t時(shí)刻的波陣面ut+1秒時(shí)刻的波陣面B）波源遠(yuǎn)離觀察者以速度運(yùn)動接收頻率降低！yy第二十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日4波源與觀察者同時(shí)相對介質(zhì)運(yùn)動ut時(shí)刻的波陣面t+1秒時(shí)刻的波陣面接收頻率增高！A）波源與接收者相互靠近第三十頁，共六十七頁，2022年，8月28日B）波源與接收者相互遠(yuǎn)離ut時(shí)刻的波陣面t+1秒時(shí)刻的波陣面接收頻率降低！第三十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日其中：二者相互靠近二者相互遠(yuǎn)離取正值代入取負(fù)值代入波源觀測者＞0＜0＞0＜0公式歸納：波源和觀測者運(yùn)動方向與波傳播方向共線。第三十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波,它也適用于所有類型的波,包括光波、電磁波?？茖W(xué)家哈勃EdwinHubble使用多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低,即移向光譜的紅端，稱為紅移，天體距離越遠(yuǎn)紅移越大，這說明這些天體在遠(yuǎn)離銀河系。反之，如果天體正移向銀河系,則光線會發(fā)生藍(lán)移。

第三十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日波源觀測者αβ頻移多普勒頻移：由多普勒效應(yīng)引起的接收頻率與發(fā)射頻率之差.如果

和

不在聲源和觀測者的連線上，應(yīng)把

和

在連線上的分量代入上式：第三十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日--------------應(yīng)用多普勒效應(yīng)測量物體運(yùn)動速度u波源接收器運(yùn)動物體V入射線反射線υ0υ``D超(超聲多普勒血流儀)超聲多普勒效應(yīng)測血流速度第三十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日運(yùn)動物體B接收到的頻率為：R接收到的頻率為：對入射過程（發(fā)射超聲）：運(yùn)動物體速度V在連線上的投影分量為

υcosα1,對反射過程（接收超聲）：運(yùn)動物體速度V在連線上的投影分量為

υcos(π-α2),υoυ’’υ’第三十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日頻移

當(dāng)A與R合一時(shí)，1=2=物體運(yùn)動速度：彩色多普勒儀用于檢測心腔及血管內(nèi)血流。都具有B型、M型、連續(xù)波、脈沖波多普勒功能第三十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日補(bǔ)充例題1、當(dāng)一列火車以96km/h的速度由你身邊開過，同時(shí)用2kHZ的頻率鳴笛時(shí)，問你聽到的頻率是多少？（空氣中的聲速為340m/s）解：已知vo=0，υ

=2000HZ，u=340m/s①火車向你開來時(shí)，vs=96km/h=26.7m/s，②火車離你而去時(shí)，vs

=-96km/h=-26.7m/s，(HZ)(HZ)第三十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日2、蝙蝠在飛行中是利用超聲脈沖導(dǎo)航的。假設(shè)蝙蝠發(fā)射超聲脈沖的頻率為39000Hz，在一次朝著豎直的墻壁飛行時(shí)，它的飛行速度是超聲脈沖速度的1/40。問它接受到從墻壁反射回來的超聲脈沖的頻率是多少？=40000Hz=41000Hz第三十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日（1）首先，聲源向墻面（靜止）運(yùn)動，墻面接收到的頻率為：第四十頁，共六十七頁，2022年，8月28日（2）觀察者接收到的拍頻：再將墻面接收到的頻率v′R作為新的聲源，向車上的觀察者發(fā)出新的聲波。車上的觀察者接收到的頻率為：第四十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日1）測量天體相對地球的視線速度:遠(yuǎn)處星體發(fā)光有紅移現(xiàn)象---宇宙大爆炸由紅移可得恒星的退行速度.四、多普勒效應(yīng)的應(yīng)用2）技術(shù)上，測量運(yùn)動物體的視線速度:如飛機(jī)接近雷達(dá)的速度、汽車的行駛速度、人造衛(wèi)星的跟蹤、流體的流速。第四十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日例：利用多普勒效應(yīng)監(jiān)測汽車行駛的速度。一固定波源發(fā)出頻率為100kHz的超聲波，當(dāng)汽車迎著波源駛來時(shí)，與波源安裝在一起的接收器接收到從汽車反射回來的超聲波的頻率為110kHz，已知空氣中聲速為330m/s，求汽車行駛的速度。分析：1.波向著汽車傳播并被汽車接收，此時(shí)波源是靜止的，汽車作為觀察者迎著波源運(yùn)動。2.波從汽車表面反射回來，此時(shí)汽車作為波源向著接收器運(yùn)動，汽車發(fā)出的波的頻率即是它接收到的頻率。警察用多普勒測速儀測速第四十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日一、超聲波的特性（波長越短，傳播的方向性越好）(3)穿透本領(lǐng)大（能量集中）(4)反射顯著第四節(jié)超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用(1)傳播的方向性好近場區(qū)遠(yuǎn)場區(qū)(2)強(qiáng)度高（聲強(qiáng)大）1.超聲波的傳播特性第四十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.超聲波與物質(zhì)作用的特性(2)機(jī)械作用(3)空化作用(1)熱作用（乳化、霧化、碎石。）（局部加熱）Px第四十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、超聲波的產(chǎn)生壓電式換能器FF壓電晶體:正壓電效應(yīng):逆壓電效應(yīng):高頻脈沖發(fā)生器探頭發(fā)射超聲波

接收超聲波

第四十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日石英（SiO2)晶體壓電模型(a)不受力時(shí)；(b)x軸方向受力；(c)y軸方向受力壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。第四十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日三、超聲波成像的基本原理u超聲來回傳播時(shí)間tu超聲波測距原理:探頭物體超聲發(fā)生器超聲接收器L第四十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日1.A型超聲診斷儀（A超）Amplitude探頭L屬一維超聲、回聲強(qiáng)度以振幅顯示、探頭由單晶片構(gòu)成，主要用于腹部、頭顱、眼、胸腔等檢查，現(xiàn)多已淘汰。(振幅高度)代表回聲強(qiáng)度、X軸代表深度第四十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日（1）機(jī)械掃描：由單個(gè)晶片擺動或三個(gè)晶片轉(zhuǎn)動掃描，探頭內(nèi)晶片由微電機(jī)帶動，作扇形掃描、圖像呈扇面形。（2）電子掃描儀：探頭內(nèi)有多數(shù)晶片構(gòu)成。①線陣：由數(shù)百個(gè)小晶片、排列成線形。②凸陣：由數(shù)百小晶片排成弧形。③相控陣：由32-64個(gè)晶片排成方形或矩形。圖像呈矩形或扇形線陣與凸陣主要用于腹部，扇形主要用于心臟現(xiàn)代高分辯力、高靈敏度B超都具有實(shí)時(shí)（realtime）顯像，顯示動態(tài)圖像、動態(tài)聚集功能，橫向分辨力達(dá)2-3mm。采用數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器增加了很多附加功能。如圖像處理，圖像輪廓增強(qiáng)，探頭位置顯示、字符顯示、局部放大、停幀、拼幅、電子標(biāo)尺，面積及心功能自動顯示。2.B型超聲診斷儀（B超）Brightness

第五十頁，共六十七頁，2022年，8月28日

B型超聲診斷儀探頭熒光屏B型：以二維、光點(diǎn)顯示。第五十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日3.M型超聲診斷儀（M超）Motion

探頭熒光屏t一維、光點(diǎn)顯示、光點(diǎn)的亮度代表回聲強(qiáng)弱、探頭為單晶片，用于心臟、胎心、血管檢查、顯示心臟、血管結(jié)構(gòu)的活動規(guī)跡曲線圖又稱M型超聲心動圖。第五十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日--------------應(yīng)用多普勒效應(yīng)測量物體運(yùn)動速度u波源接收器運(yùn)動物體V入射線反射線υ0υ``4.D超(超聲多普勒血流儀)超聲多普勒效應(yīng)測血流速度第五十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日運(yùn)動物體B接收到的頻率為：R接收到的頻率為：對入射過程（發(fā)射超聲）：運(yùn)動物體速度V在連線上的投影分量為

υcosα1,對反射過程（接收超聲）：運(yùn)動物體速度V在連線上的投影分量為

υcos(π-α2),υoυ’’υ’第五十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日頻移

當(dāng)A與R合一時(shí)，1=2=物體運(yùn)動速度：彩色多普勒儀用于檢測心腔及血管內(nèi)血流。都具有B型、M型、連續(xù)波、脈沖波多普勒功能第五十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日

超聲成像超聲成像具有實(shí)時(shí)性好、無損傷、無痛苦，以及低成本等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)近年來，超聲成像在彩色血流測量技術(shù)、三維超聲等方面的發(fā)展特別引人注目彩色多普勒血流成像系統(tǒng)（通常稱為彩超）是一種能同時(shí)顯示B型圖像和多普勒血流數(shù)據(jù)（血流方向、流速、流速分布）的雙重超聲掃描系統(tǒng)，可以得到彩色多普勒血流圖（ColorFlowMapping,CFM）三維超聲圖像的重建及實(shí)時(shí)顯示是最