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1、第四章 声波 (Sound wave),次声波(Infrasonic wave)：频率低于z的声波。,超声波(Ultrasonic wave)：频率高于0z的声波。,声波：频率( )在0z0z之间 的机械波(纵波），能引起人的听觉。,2.次声波,特点：频率低、能量损失少。,与地球、海洋及大气的大规模运动有关。如火山爆发、地震、大气湍流等都有次声波产生,第四章 声波,一、声压与声强,声波在空气中以纵波的形式传播,1.声压：在某一时刻，介质中某一点的压强与无声波通过时的压强之差,声压幅值：,P,x,单位：Nm-2,2.声阻抗,介质质点振动速度幅值：,单位：kgm-2 s-1,是表征介质声学特性的一
2、个物理量。,声阻抗： 声压幅值Pm与速度幅值Vm之比。,第四章 声波,几种介质的声速和声阻抗,声波可在气、液、固中传播。,第四章 声波,3.声强,声强：单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量,单位：Js-1 m-2 = W m-2,（声波的强度）,I 与Pm2成正比， I与Z反比,第四章 声波,强度反射系数：,Z1,Z2,Ii,Ir,It,设入射波强度：Ii,反射波强度：Ir,透射波强度：It,强度透射系数：,反射与折射,第四章 声波,例题,如果超声波经由空气传入人体，问进入人体的声波强度是入射前强度的百分之几？如果经由蓖麻油（Z=1.36106kg/m2s）传入，则进入声波的强
3、度又是入射前强度的百分之几？,解： Z1= 0.0004106kg/m2, Z2= 1.63106kg/m2,第四章 声波,例题,如果超声波经由空气传入人体，问进入人体的声波强度是入射前强度的百分之几？如果经由蓖麻油（Z=1.36106kg/m2s）传入，则进入声波的强度又是入射前强度的百分之几？,解： Z1= 1.36106kg/m2, Z2= 1.63106kg/m2,第四章 声波,讨论：（1）当Z1 Z2时，Ir 0; It Ii 超声临床诊断：石腊油。,Ii,It,Z1,Z2,Ii,Z1,Z2,(2) 当Z1 Z2时, Ir Ii; It 0。,Ir,一、听觉区域,引起人耳听觉的声波,
4、与频率有关（声调）（20-20 kHz）,与声强有关（响度）（10-12-1 W/m2）,听阈：能引起听觉的最小声强剌激量（最低可闻声强） 如：1000Hz的听阈为10-12 W/m2,痛阈：人耳可容忍的最大声强剌激量。 如：1000Hz的听阈为1 W/m2,第二节、声强级与响度级,听阈曲线和痛阈曲线,痛阈曲线,听阈曲线,听觉区域,1000HZ的听觉域：I =10-12 100 W/m2,声强,声强级,（W/m2）,（dB）,频率（HZ）,频率在20-20,000Hz 以外的声波，无论声强多少,人耳都听不见,频率在20-20000Hz以内的声波，只有声强适度,才能引起人耳听觉,二、声强级,标准
5、参考声强：I0=10-12W/m2,声强级：,单位：贝尔（B）,单位：分贝（dB）,1B=10dB,1000HZ的听觉域：,L = 0 12 B,L = 0 120 dB,声强每增加10倍，人耳听觉才改变1倍左右； (采用对数来表示声强的等级),几种声音的声强和声强级,例题,1、某马达开动时产生的噪声声强为10-7 W/m2，求开动一台马达，其噪声声强级为多少dB？同时开动两台马达，其噪声声强级为多少dB？,解： I1= I = 10-7 W/m2 ，I0= 10-12 W/m2, I2=2 I,（dB）,（dB）,注意: p67,声强具有可加性，而声强级不能直接相加,三、响度级：,人耳主观感
6、觉到的声音的响亮程度。,等响曲线：,响度级：,旧单位：,新单位：方,1000HZ纯音响度级与声强级(dB)数值相同,同一等响曲线具有相同的响度级,在听觉域中把不同频率、不同声强,响度相同的点连成一条曲线.,响度相同的声音具有相同的响度级。,听阈曲线,痛阈曲线,0方,60方,120方,例题 面积为1平方米的窗户开向街道，街中有频率为1000Hz的声源在窗口 的声强级为80 dB，则每秒钟传入窗口声波的能量为（ ）J，若街中有频率为1000Hz的声源在窗口 的声强级各为80 dB，则这两个声源同时传到窗口的响度 级 为 （ ）方。,I0=10-12w/m2,I=10-4w/m2E=I. t .s,
7、第三节,多普勒效应,* 多普勒效应：因波源或观测者相对介质运动，而使观测频率与波源频率不同的现象。,（Doppler effect),多普勒效应是由生在德国的奥地利物理学家多普勒（ johann doppler 1802-1853 ）发现的,关于,波速：与介质和波的类型有关而与波源无关,波一旦从振源发出就忘记了自己的来源， 而以介质给定的特定速度在介质中传播。,或换言之：,波的频率：介质中某点单位时间内振动的次数。 波的频率是波源振动的频率，与介质无关波长：一个完整波在介质中沿波线展开的长度。,是介质中某点三量的关系。,关系式,波源的频率是波源在单位时间内振动的次数，或在单位时间内发出的“完整
8、波”的个数；观察者接收到的频率是观察者在单位时间内接收到的振动次数或完整波数；波的频率是介质质元在单位时间内振动的次数，或通过介质中某点的“完整波”的个数。,一、多普勒效应的定量研究,波源的速度为：,周期、频率分别为,观察者速度：,观察者接受到的频率为：,参考系 : 介质,1 波源与观察者均相对媒质静止,接收的频率就是接收者单位时间内接收到的波的个数,接收的频率就是波源振动的频率,启示：,2 波源不动，观察者相对介质以速度 运动,接收频率提高！,A）观察者朝向波源运动,B）观察者远离波源运动,接收频率降低了！,3 观察者不动，波源相对介质以速度 运动,波源运动时，波的频率不再等于波源的频率。这
9、是由于当波源运动时，它所发出的相邻的两个同相振动状态是在不同地点发出的，这两个地点相隔的距离为VSTS，TS为波源的周期。,A）波源朝向观察者以速度 运动,接收频率增高了！,B）波源远离观察者以速度 运动,接收频率降低了！,.(4),4 波源与观察者同时相对介质运动,接收频率增高了！,.(5),A）波源与接收者相互靠近,B）波源与接收者相互远离,接收频率降低了！,.(6),其中：波源静止,观察者静止,二者相互靠近,二者相互远离,取正值代入,取负值代入。,波源,观测者,vs0,vs0,vo 0,vo0,波源,观测者,vs,vo,第四章 第三节 多普勒效应,频移,多普勒频移：由多普勒效应引起的接收
10、频率 与发射频率之差,补充例题,1、当一列火车以96km/h的速度由你身边开过，同时用2kHZ的频率鸣笛时，问你听到的频率是多少？（空气中的声速为340m/s）,解：已知 vo=0， =2000HZ ，u= 340m/s,火车向你开来时，vs=96km/h=26.7m/s，,火车离你而去时， vs =-96km/h=-26.7m/s，,(HZ ),(HZ ),第四章 第三节 多普勒效应,2 、 蝙蝠在飞行中是利用超声脉冲导航的。假设蝙蝠发射超声脉冲的频率为39000Hz，在一次朝着竖直的墙壁飞行时，它的飞行速度是超声脉冲速度的1/40。问它接受到从墙壁反射回来的超声脉冲的频率是多少？,=400
11、00Hz,=41000Hz,（1）首先，声源向墙面（静止）运动，墙面接收到的频率为：,（2）观察者听到的拍频：,再将墙面接收到的频率vR作为新的声源，向车上的观察者发出新的声波。,车上的观察者接收到的频率为：,多普勒效应的应用,科学家发现，当卫星在近地点时信号频率就增加，远地点时信号频率就降低。因为卫星轨道是已知的，所以接收卫星信号的接收机不论处于何方，它的位置都能被测定。,美国霍普金斯大学利用多普勒效应对苏联第一颗人造卫星进行了跟踪试验,利用多普勒效应测量运动物体的速度.如：飞机接近雷达的速度、汽车的行驶速度、 人造卫星的跟踪、流体的流速。,利用多普勒效应监测汽车行驶的速度,分析：1. 波向
12、着汽车传播并被汽车接收，此时波源是静止的，汽车作为观察者迎着波源运动。2. 波从汽车表面反射回来，此时汽 车作为波源向着接收器运动，汽车发出的波的频率即是它接收到的频率。,警察用多普勒测速仪测速,100kHz,一、超声波的传播特性,（波长越短，传播的方向性越好）,范围：产生条件：,第四节 超声波及其医学应用,二、超声波及其应用,超声波特点：频率高、波长短、衍射不严重,1、定向传播特性,探测水中物体、工件内部缺陷 、B超,2、穿透本领大,胎儿的超声波影象（假彩色）,超声多普勒效应测血流速度,超声波应用,超声波无损探伤,超声波在水中传播距离很远。,超声波的特点是频率高、波长短，衍射不严重，因而具有
13、良好的定向传播特性。其穿透本领很强。,第四章 第四节 超声波及其医学应用,超声波对介质产生的特殊作用,机械作用,空化作用,热作用,（乳化、雾化、碎石。）,（局部加热）,P,x,二、超声波的产生,压电式换能器,F,F,压电晶体,正压电效应,逆压电效应,高频脉冲发生器,探头,第四章 第四节 超声波及其医学应用,发射超声波,接收超声波,石英（SiO2)晶体压电模型(a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力,压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。 ,三、超声波成像的基本原理,u,超声来回传播时间t,u,超声波测距原理,探头,物体,超声发生器,超声接收器,L,第四章 第四节
14、超声波及其医学应用,1. A型超声诊断仪（ A超）Amplitude,探头,L,第四章 第四节 超声波及其医学应用,属一维超声、回声强度以振幅显示、探头由单晶片构成，主要用于腹部、头颅、眼、胸腔等检查，现多已淘汰。,(振幅高度)代表回声强度、X轴代表深度,（1）机械扫描：由单个晶片摆动或三个晶片转动扫描，探头内晶片由微电机带动，作扇形扫描、图像呈扇面形。（2）电子扫描仪：探头内有多数晶片构成。线阵：由数百个小晶片、排列成线形。凸阵：由数百小晶片排成弧形。相控阵：由32-64个晶片排成方形或矩形。图像呈矩形或扇形 线阵与凸阵主要用于腹部，扇形主要用于心脏现代高分辩力、高灵敏度B超都具有实时（re
15、al time）显像，显示动态图像、动态聚集功能，横向分辨力达2-3mm。采用数字扫描转换器增加了很多附加功能。如图像处理，图像轮廓增强，探头位置显示、字符显示、局部放大、停帧、拼幅、电子标尺，面积及心功能自动显示。,2.B型超声诊断仪（B超）Brightness,B型超声诊断仪,探头,荧光屏,第四章 第四节 超声波及其医学应用,B型：以二维、光点显示。,3.M型超声诊断仪（M超）Motion,探头,荧光屏,t,一维、光点显示、光点的亮度代表回声强弱、探头为单晶片，用于心脏、胎心、血管检查、显示心脏、血管结构的活动规迹曲线图又称M型超声心动图。,第四章 第四节 超声波及其医学应用,-应用多普勒
16、效应测量物体运动速度,u,波源,接收器,运动物体,V,入射线,反射线,0, ,4. D超 (超声多普勒血流仪),运动物体B接收到的频率为：,R接收到的频率为：,对入射过程（发射超声）：,运动物体速度V在连线上的投影分量为 cos1,对反射过程（接收超声）：,运动物体速度V在连线上的投影分量为 cos(-2 ),o, , ,频移 =-0,当A与R合一时，1=2=,物体运动速度：,彩色多普勒仪用于检测心腔及血管内血流。都具有B型、M型、连续波、脉冲波多普勒功能,超声成像超声成像具有实时性好、无损伤、无痛苦，以及低成本等独特优点近年来，超声成像在彩色血流测量技术、三维超声等方面的发展特别引人注目,彩
17、色多普勒血流成像系统（通常称为彩超）是一种能同时显示B型图像和多普勒血流数据（血流方向、流速、流速分布）的双重超声扫描系统，可以得到彩色多普勒血流图（Color Flow Mapping, CFM）三维超声图像的重建及实时显示是最近几年超声图像处理方面的热点，已成为超声成像技术的一个发展趋势,超声成像的发展,超声成像仪,Medison SONOACE 9900,Medison SONOACE 8000,1、声波的频率范围,2、声压幅值：,3、声阻抗：,4.声强,强度反射系数：,强度透射系数：,5、听觉区域,复习：,1000,o,20,20000,I (W / m2),I上=1,I下=10-12
18、,(Hz),20 20000 Hz. I下 I I上,声强级：,其中：波源静止,观察者静止,二者相互靠近,二者相互远离,取正值代入,取负值代入,波源,观测者,vs0,vs0,vo 0,vo0,6、多普勒效应,7、物体运动速度：,0,（波长越短，传播的方向性越好）,一、范围；产生条件；,8、超声波及其医学应用,1、传播的方向性好,近场区,远场区,传播特性,机械作用,空化作用,热作用,二、超声波对物质产生的特殊作用,1. 在病房中,若每个病人单独说话时的声强级为20 dB，则10个病人同时说话的声强级为dB。,2、当一列火车以26m/s的速度向你开来，用2kHz的 频率鸣笛时，你听到的频率是多少？ （设声速为340m/s）,巩固练习,
