医用物理学第四章--声波

第四章声波(Soundwave)次声波(Infrasonicwave)：频率低于２０Ｈz的声波。超声波(Ultrasonicwave)：频率高于２００0０Ｈz的声波。声波：频率()在２0Ｈz—２０００0Ｈz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]2)(cos[uxtAuP声压幅值：PxAuPm单位：N·m-22.声阻抗介质质点振动速度幅值：AvmmmvPZuAAuuZ单位：kg﹒m-2﹒s-1是表征介质声学特性的一个物理量。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介质声速u(m/s)密度ρ(kg/m3)声阻抗ρu(kg/m2s)空气(0℃)3.32×1021.294.28×102空气(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密质骨36.0×10217006.12×106钢50.5×102780039.4×106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2221AuIZPZvmm22122单位：J﹒s-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：Z1Z2IiIrIt设入射波强度：Ii反射波强度：Ir212212)()(ZZZZIIirir21221)(4ZZZZIIitit1itir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=1.36×106kg/m2s）传入，则进入声波的强度又是入射前强度的百分之几？解：①Z1=0.0004×106kg/m2,Z2=1.63×106kg/m2999.0)1063.1100004.0()1063.1100004.0(266266irirII∵∴%1.0001.0999.011irititII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=1.36×106kg/m2s）传入，则进入声波的强度又是入射前强度的百分之几？解：②Z1=1.36×106kg/m2,Z2=1.63×106kg/m2008.0)1063.11036.1()1063.11036.1(266266irirII%2.99992.0008.011irititII∵∴第四章声波讨论：（1）当Z1≈Z2时，Ir0;ItIi超声临床诊断：石腊油。IiItZ1Z2IiZ1Z2(2)当Z1Z2或Z1Z2时,IrIi;It0。Ir212212)()(ZZZZIIirir21221)(4ZZZZIIitit一、听觉区域引起人耳听觉的声波与频率有关（声调）（20--20kHz）与声强有关（响度）（10-12--1W/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10-12W/m2痛阈：人耳可容忍的最大声强剌激量。如：1000Hz的听阈为1W/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=10-12~100W/m2（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、声强级标准参考声强：I0=10-12W/m2声强级：0lgIIL0lg10IIL单位：贝尔（B）单位：分贝（dB）1B=10dB1000HZ的听觉域：L=0~12BL=0~120dB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)声源种类声强（W/m2）声强（dB）几乎不能察觉的声音10-120树叶的沙沙声10-1110耳语10-1020医院10-830闹市10-6~10-560~70地铁或汽车10-390喷气飞机103140火箭发射场106170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10-7W/m2，求①开动一台马达，其噪声声强级为多少dB？②同时开动两台马达，其噪声声强级为多少dB？解：①∵I1=I=10-7W/m2，I0=10-12W/m2②∵I2=2I501010lg10lg1012701IIL503lg102lg102lg10002IIIIL∴∴（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：人耳主观感觉到的声音的响亮程度。等响曲线：响度级：旧单位：新单位：方①1000HZ纯音响度级与声强级(dB)数值相同②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80dB，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80dB，则这两个声源同时传到窗口的响度级为（）方。80lg100IILI0=10-12w/m2I=10-4w/m2E=I.t.sdBIIL832lg100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。（Dopplereffect)多普勒效应是由生在德国的奥地利物理学家多普勒（johanndoppler1802-1853）发现的．关于u•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。u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观察者OS波源uSV0V'波相对介质的速度为u(波速）SV波源的速度为：周期、频率分别为ssT.0V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t时刻的波阵面t+1秒时刻的波阵面SSuTuu'u观察者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oVoVu')1()1(SouV接收频率提高！A）观察者朝向波源运动OVut+1秒时刻的波阵面t时刻的波阵面SouTVuB）观察者远离波源运动oVu')2()1(SouVSouTVu接收频率降低了！t+1秒时刻的波阵面t时刻的波阵面OVu3观察者不动，波源相对介质以速度运动sV波源运动时，波的频率不再等于波源的频率。这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。'TVSyyA）波源朝向观察者以速度运动SVuSvt时刻的波阵面t+1秒时刻的波阵面SSTVu'SSSTVuTu)3(SSVuu接收频率增高了！'TVSyyt时刻的波阵面uSVt+1秒时刻的波阵面B）波源远离观察者以速度运动SVSSTVu'SSSTVuTuSSVuu接收频率降低了！…….(4)'TVSyy4波源与观察者同时相对介质运动),(osVVuSVSVt时刻的波阵面t+1秒时刻的波阵面SSTV'SSoTVVu'SSSoTVuTVuSSoVuVu)(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SSoTVVu'SSoVuVu)(uSVoVt时刻的波阵面t+1秒时刻的波阵面oVSSTV'接收频率降低了！SSSoTVuTVu…….(6)其中：波源静止观察者静止二者相互靠近二者相互远离0SV0OVOSVV.取正值代入OSVV.取负值代入。0VSV)1()1('SouV)3('SSVuu波源观测者vs＞0vs＜0vo＞0vo＜0公式归纳：波源和观测者运动方向与波传播方向共线。SSoVuVu)('波源观测者vsvoαβcoscossovuvu第四章第三节多普勒效应频移0多普勒频移：由多普勒效应引起的接收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，υ=2000HZ，u=340m/s①火车向你开来时，vs=96km/h=26.7m/s，217020007.26340340sovuvu②火车离你而去时，vs=-96km/h=-26.7m/s，185420007.26340340sovuvu(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？souusouu3900040uuu=40000Hzsouu4000040uuu=41000Hz听到的拍频是多少？观察者频率是多少？墙面反射回来的声波的观察者接收从小。问：墙面的声能吸收系数很的垂直墙面运动。设想的速度向着一面积很大的声波。车以连续地发出频率为有喇叭的车上，喇叭例题：一观察者坐在带21s/m56.5H300zsmHszs/56.5,300解：s/m343ussRuu（1）首先，声源向墙面（静止）运动，墙面接收到的频率为：RsRuusssRuuzH9.309sRzH9.93009.30930056.534356.5343（2）观察者听到的拍频：再将墙面接收到的频率v´R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）3、穿透本领大（能量集中）4、反射显著（对小物体而言）范围：产生条件：第四节超声波及其医学应用1、传播的方向性好近场区远场区uaaL22a61.0sin2、强