醫(yī)用物理學(xué)聲波

1、根據(jù)理論計(jì)算，平面波的聲壓方程為：,第四章 聲 波,§4-1聲波的基本性質(zhì),頻率在20~20000Hz的機(jī)械縱波可以引起人的聽覺，稱為聲波。頻率高于20000Hz的機(jī)械波稱為超聲波。頻率低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波。,一、聲壓 當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)的密度作周期性變化，稠密時(shí)壓強(qiáng)大，稀疏時(shí)壓強(qiáng)小。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，稱為該點(diǎn)的瞬時(shí)聲壓，單位是N.m-2,習(xí)題：3

2、，6，8，9，11，12，14,聲壓幅值：,聲壓在一個(gè)周期的方均根幅值稱為有效聲壓，用Pe表示,Pe為可測值。,介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的幅值有vm=?A,Z稱為介質(zhì)的聲阻抗，單位是kg.m-2.s-1。醫(yī)學(xué)上常用瑞利。 1瑞利= kg.m-2.s-1,,表4-1中列出了人體正常組織的聲速、密度和聲阻抗,二、聲特征阻抗,三、聲強(qiáng) 單位時(shí)間內(nèi)通過垂直聲波傳播方向的單位面積的聲波能量，稱為聲強(qiáng)。,聲強(qiáng)為：,聲波在傳播過程中，

3、遇到兩種聲阻抗不同的介質(zhì)界面時(shí)，發(fā)生反射和折射。反射波的強(qiáng)度與入射波的強(qiáng)度之比稱為強(qiáng)度反射系數(shù)，用? ir表示。透射波的強(qiáng)度與入射波的強(qiáng)度之比稱為強(qiáng)度透射系數(shù)，用? it表示。,理論證明在垂直入射的條件下，有,由此可知，當(dāng)兩種介質(zhì)的聲阻抗相差較大時(shí)，反射強(qiáng)，透射弱；聲阻抗相近時(shí)，透射強(qiáng)，反射弱。,第二節(jié) 聲強(qiáng)級和響度級一、聲強(qiáng)級在聲學(xué)中通常采用對數(shù)標(biāo)度來量度聲強(qiáng)，稱為聲強(qiáng)級，單位為貝爾（ B ），分貝（ dB=1/1

4、0B）.通常取1000Hz聲音的聽閾值I 0 =10-12W.m-2作為標(biāo)準(zhǔn)參考聲強(qiáng)，任一聲波的聲強(qiáng)I與標(biāo)準(zhǔn)參考聲強(qiáng)I0的比值的對數(shù)，即為該聲波的聲強(qiáng)級，用L表示。,由聽閾線、痛閾線、20Hz和20000Hz線所為成的區(qū)域，稱為聽覺域。,（每根紅線為等響度線）,人耳的平均聽覺范圍,為了區(qū)分各種不同聲音響度的大小，選用1000Hz聲音的響度作為標(biāo)準(zhǔn)，將其他頻率聲音的響度與此標(biāo)準(zhǔn)相比較，只要它們的響度相同，它們就有相同的響度級。它的強(qiáng)度在數(shù)

5、值上等于響度級， 響度級的單位是方(phon)。,二、響度級,多普勒效應(yīng)---因波源或觀察者相對波傳播 的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，致使觀察者接收的波的 頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。,一、何謂多普勒效應(yīng),引言：,波源的速度為,周期頻率分別為,觀察者速度：,接收者接收到的頻率,二、多普勒效應(yīng)的定量研究,1）波源與觀察者均相對媒質(zhì)靜止,接收的頻率就是接收者單位時(shí)間內(nèi)接收到的波的個(gè)數(shù),波源振動(dòng)的頻率,啟示：,2）波源不動(dòng)，觀察者以速度 相

6、對媒質(zhì)運(yùn)動(dòng),接收頻率提高！,A）觀察者朝向波源運(yùn)動(dòng),B）觀察者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng),接收頻率降低了！,3）觀察者靜止，波源以速率 運(yùn)動(dòng),A）波源朝向觀察者以速度 運(yùn)動(dòng),接收頻率增高了！,B）波源遠(yuǎn)離觀察者以速度 運(yùn)動(dòng),接收頻率降低了！,…….(4),A）波源與接收者相互靠近,接收頻率增高了！,4）波源及觀察者同時(shí)運(yùn)動(dòng),…….(5),B）波源與接收者相互遠(yuǎn)離,,接收頻率降低了！,…….(6),公式歸一：,其中：波源靜止,觀察者

7、靜止,二者相互靠近,二者相互遠(yuǎn)離,取正值代入,取負(fù)值代入。,,,注意：默認(rèn)的前題：,,,,波源與觀察者的運(yùn)動(dòng)不在一條直線上，則必須將速度向連線方向投影。,第十一節(jié) 超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用 一、超聲波的特性 1、機(jī)械作用 2、空化作用 3、熱作用 此外，還有化學(xué)作用、生物作用等。超聲與物質(zhì)的作用被廣泛應(yīng)用于超聲技術(shù)，如清洗、殺菌、制藥和治療等方

8、面。,二、超聲波的產(chǎn)生與探測 壓電式換能器，也叫探頭,4、超聲多普勒血流儀,u為超聲波在人體內(nèi)的傳播速度。,由紅細(xì)胞反射回來的超聲波被靜止的探頭接收，這些紅細(xì)胞相當(dāng)于以v 運(yùn)動(dòng)著的聲源，探頭接收到的頻率?“為,設(shè)作為靜止聲源的探頭發(fā)射超聲波的頻率為? ,血管中隨血流以速度v運(yùn)動(dòng)著的紅細(xì)胞接收到的頻率為?‘,探頭發(fā)出的超聲波頻率與接收的回波頻率之差，即多普勒頻移 ??為,可以算出血流速度。,因?yàn)閡??vcos?,所以,5、彩色多普勒

9、血流成像儀（簡稱“彩超”）,三簡諧振動(dòng),1、定義：,描述某系統(tǒng)的物理量q，若是時(shí)間t的正弦或余弦的周期函數(shù)，則該系統(tǒng)作諧振動(dòng)。,2）判據(jù)：,物理量q滿足,或：,B、c為常數(shù),3、三要素（以機(jī)械振動(dòng)為例）,?振幅--振動(dòng)中的 物理量變化時(shí)的 最大值。,?周期和頻率（圓頻率）,周期--完成一個(gè)全振動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間；,頻率--一秒鐘內(nèi)完成全振動(dòng)的次數(shù)；,圓頻率：,決定諧振動(dòng)狀態(tài)及進(jìn)程的物理量。,t=0時(shí)的相位稱為。反映t=0

10、時(shí)的位置與狀態(tài)。,初相,注意：A 由振動(dòng)的初始條件決定,?相位：,4）諧振動(dòng)的表示,?三角函數(shù)及振動(dòng)曲線,?復(fù)數(shù),?旋轉(zhuǎn)矢量,,,,,,,,,,,,,,5）諧振動(dòng)的能量,6）諧振動(dòng)的合成,?兩個(gè)同頻率同振動(dòng)方向的諧振的合成,注意：,A）方法上用矢量法最直觀,,,,B）振動(dòng)的加強(qiáng)減弱的條件,?兩個(gè)不同頻率但周期相差不大的、同振動(dòng)方向 的、 頻率較高的諧振的合成---“拍”,,,,?在垂直方向上的兩個(gè)諧振動(dòng)的合成,,方

11、法：解析法--消去t，得軌跡方程,作圖法,,作圖法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,四）波動(dòng)學(xué)基礎(chǔ),橫波--質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波,1、波的形成及分類,機(jī)械波---由彈性媒質(zhì)具有彈性聯(lián)系而使機(jī)械振 動(dòng)由近及遠(yuǎn)傳播的過程。,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波。,縱波,注意：波動(dòng)乃是振動(dòng)狀態(tài)（相位）的傳播過程；能量傳播的過程；是時(shí)空的周期性運(yùn)動(dòng)。,

12、固體中：,橫波：,縱波：,繩波：,液體中的縱波：,,電磁波--由電磁場相互激發(fā)、相互依存從而使 電磁場由近及遠(yuǎn)傳播的過程。,電磁波--由電磁場相互激發(fā)、相互依存從而使 電磁場由近及遠(yuǎn)傳播的過程。,橫波性；,偏振性；,傳播的光速性；,B、電磁波的物質(zhì)--具有能量、質(zhì)量、動(dòng)量,輻射能強(qiáng)度---烏莫夫-玻印廷矢量,單位體積的質(zhì)量：,單位體積的動(dòng)量：,平均輻射能強(qiáng)度：,2、波的描述,A

13、、幾何描述,同相面（波面）--在波傳播的介質(zhì)中，相位相同的點(diǎn)所連成的面。,,波前（波陣面）--波動(dòng)到達(dá)的各點(diǎn)所連成的面。（最前面的波面）。,波線--波傳播的方向線,2、波的描述,A、幾何描述,B、波的周期性描述,二者關(guān)系,C、波的數(shù)學(xué)描述,波動(dòng)方程,,,r,,,r,對平面波：,對球面波：,r1,r,,波動(dòng)的微分方程,,D、波的能量描述（對簡諧波面而言）,?、能量密度--單位體積中的能量,?、平均能量密度-,一周期內(nèi)能量密度的平均值,

14、?、平均能流密度,? 、平均能流密度（波強(qiáng)）,即單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于波動(dòng)傳播的方向的單位面積中的平均能量。,單位：,含義:描述波的能量強(qiáng)弱.,? 、聲波的聲強(qiáng)級,3、波的傳播,設(shè)n列波分別在空間P點(diǎn)產(chǎn)生的位移分別為：,則該點(diǎn)的總位移：,?惠更斯原理的表述,?波的干涉,P的合振動(dòng)：,?干涉現(xiàn)象--滿足一定條件（相干條件）的兩波源 發(fā)出的相干波，在相遇的空間，有的地方振動(dòng) 始終加強(qiáng)，有的地方振動(dòng)始終減弱或相消的現(xiàn) 象（波

15、動(dòng)的特征之一）。,相干條件：同頻率、同振動(dòng)方向、周相相同或 周相差恒定的波源產(chǎn)生的波。,干涉條件,非以上值，,當(dāng),非以上值，,干涉的特例：駐波,兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播彼此相遇疊加而形成的波。,,,,開始計(jì)時(shí)：,Ⅰ波形定居，但波輻隨時(shí)間變化；,Ⅳ駐波乃是振動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定振動(dòng)狀態(tài)，其能流密 度為零，振動(dòng)的動(dòng)能與勢能在腹點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)附近 質(zhì)點(diǎn)間相互轉(zhuǎn)化。,Ⅱ存在波腹、波

16、節(jié)點(diǎn)，位置關(guān)系如圖；,Ⅲ各質(zhì)點(diǎn)振輻不同，但相鄰兩節(jié)點(diǎn)間的質(zhì)點(diǎn)的 振動(dòng) 同相節(jié)點(diǎn)兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)反相；,?多普勒效應(yīng),多普勒效應(yīng)---因波源或觀察者相對波傳播 的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，致使觀察者接收的波的 頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。,Ⅳ駐波乃是振動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定振動(dòng)狀態(tài)，其能流密 度為零，振動(dòng)的動(dòng)能與勢能在腹點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)附近 質(zhì)點(diǎn)間相互轉(zhuǎn)化。,Ⅲ各質(zhì)點(diǎn)振輻不同，但相鄰兩節(jié)點(diǎn)間的質(zhì)點(diǎn)的 振動(dòng) 同相節(jié)點(diǎn)兩側(cè)質(zhì)