物理學(xué)第四章

1、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,次聲波 (Infrasonic wave)：頻率低于20Ｈz,

2、超聲波 (Ultrasonic wave)：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。,,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.,,一、聲壓,聲壓：在某一時刻，介質(zhì)中某一點(diǎn)的壓強(qiáng)與無聲波通過

3、時的壓強(qiáng)之差:,聲壓幅值：,,,P,x,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:,,聲波在空氣中以縱波的形式傳播:,,,,,,,,,聲壓方程,,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)特性的一個物理量。,聲特性阻抗： 聲壓幅值Pm與速度幅值 之比。,或 1瑞利,,幾種介質(zhì)的聲速和聲阻抗,人體組織可分為：低聲阻抗、中等

4、聲阻抗、高聲阻抗,,三.聲強(qiáng)（聲波的強(qiáng)度）,聲強(qiáng)：單位時間內(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,,聽覺區(qū)域：,引起人耳聽覺的聲波:,與頻率有關(guān)（聲調(diào)）（20--20 kHz）,與聲強(qiáng)有關(guān)（響度）（10-12--1 W/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10-12 W/

5、m2,痛閾：人耳能忍受的最高聲強(qiáng). 如：1000Hz的聽閾為1 W/m2,第二節(jié) 聲強(qiáng)級與響度級,,,聽閾曲線和痛閾曲線,痛閾,聽閾,,,聽覺域,1000HZ的聽覺域：I =10-12 ~ 100 W/m2,,,,,,,聲強(qiáng),聲強(qiáng)級,（W/m2）,（dB）,頻率（HZ）,,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=10dB,1

6、000HZ的聽覺區(qū)域：,L = 0 ~ 12 B,L = 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,聽域：,,,痛域:,幾種聲音的聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級,,解：①∵ I1= I = 10-7 W/m2 ，I0= 10-12 W/m2,②∵ I2=2 I,∴,∴,（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

7、動時產(chǎn)生的噪聲聲強(qiáng)為10-7 W/m2，求①開動一臺馬達(dá)，其噪聲聲強(qiáng)級為多少dB？ ②同時開動兩臺馬達(dá)，其噪聲聲強(qiáng)級為多少dB？,,同聲強(qiáng)級但人耳的聽覺不同,為此引入一個新概念---,,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

8、相同的聲音具有相同的響度級。,,20 100 1K 2K 5K 10K,聲強(qiáng)（W/m2）,1,10-2,10-4,10-6,10-8,10-10,10-12,聲強(qiáng)級,(dB),0,20,40,60,80,100,120,聽閾,痛閾,0方,,,,,,,,,20方,40方,60方,80方,100方,120方,,,,,,,例題 面積為1平方米的窗戶開向街道

9、，街中有頻率為1000Hz的聲源在窗口 的聲強(qiáng)級為80 dB，則每秒鐘傳入窗口聲波的能量為（ ）J，若街中有兩個頻率為1000Hz的聲源在窗口 的聲強(qiáng)級各為80 dB，則這兩個聲源同時傳到窗口的響度 級 為 （ ）方。,I0=10-12w/m2,,,I=10-4w/m2E=I. t .s,,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.,,第三節(jié),多普勒效應(yīng),（Doppler

10、 effect),* 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。,,一、多普勒效應(yīng)的定量研究,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：,,1. 波源與觀察者均相對媒質(zhì)靜止:,t時刻的波陣面,,t+1秒時刻的波陣面,,,,,,,,,,u,,,接收的頻率就是波源振動的頻率.,,2 波源不動，觀察者相對介質(zhì)以速度 運(yùn)動,,接收頻率提高！,A）觀察者朝向波源運(yùn)動(頻率

11、-每秒波前進(jìn)距離中完整波的數(shù)目),u,,,,B）觀察者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動,接收頻率降低！,,,,,,,,,,,t時刻的波陣面,,,,,u,,,,,,3 觀察者不動，波源相對介質(zhì)以速度 運(yùn)動,,波源運(yùn)動時，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，它所發(fā)出的相鄰的兩個同相振動狀態(tài)是在不同地點(diǎn)發(fā)出的，這兩個地點(diǎn)相隔的距離為VSTS，TS為波源的周期。,,,,,,,,,,,,,,y,y,,A）波源朝向觀察者以速度 運(yùn)動,接收頻

12、增高！,,,,,,,,,,,,,,y,y,,B）波源遠(yuǎn)離觀察者以速度 運(yùn)動,接收頻率降低！,,,,,,,,,,,,,y,y,,,,4 波源與觀察者同時相對介質(zhì)運(yùn)動,,,u,,,,,,,,,,,,,,,接收頻率增高！,A）波源與接收者相互靠近,,B）波源與接收者相互遠(yuǎn)離,,,u,,,,,,,,,,,,t時刻的波陣面,,t+1秒時刻的波陣面,,,,,接收頻率降低！,,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

13、,觀測者,,＞0,,＜0,,,＞0,＜0,,,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。科學(xué)家哈勃Edwin Hubble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。,,,,波源,觀測者,,,,,,α,β,,頻移,多普勒頻移：由多普勒效應(yīng)引起的接收頻率

14、 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：,,,--------------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,υ0,υ ``,D超 (超聲多普勒血流儀),超聲多普勒效應(yīng)測血流速度,,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

15、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 ),,υo,,,,,,,υ’’,υ’,,頻移,當(dāng)A與R合一時，?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,,補(bǔ)充例題,1、當(dāng)一列火車以96km/h的速度由你身邊開過，同時用2kHZ的頻率鳴笛時，問你聽到的頻率是多少？（空氣中的聲速為340m/s）,解：已知

16、vo=0， υ =2000HZ ，u= 340m/s,①火車向你開來時，vs=96km/h=26.7m/s，,②火車離你而去時， vs =-96km/h=-26.7m/s，,(HZ ),(HZ ),,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，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,,

17、（1）首先，聲源向墻面（靜止）運(yùn)動，墻面接收到的頻率為：,,（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：,,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

18、、流體的流速。,,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，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

19、率。,警察用多普勒測速儀測速,一、超聲波的特性,（波長越短，傳播的方向性越好）,(4)反射顯著,第四節(jié) 超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用,1.超聲波的傳播特性,,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）,,,P,x,,二、超聲波的產(chǎn)生,壓電式換能器,,,F,,,F,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,,石英（SiO2)晶體

20、壓電模型(a) 不受力時； (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。 ,,三、超聲波成像的基本原理,,,,,u,超聲來回傳播時間t,,,u,超聲波測距原理:,探頭,物體,超聲發(fā)生器,,,超聲接收器,,,L,,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

21、度)代表回聲強(qiáng)度、X軸代表深度,,（1）機(jī)械掃描：由單個晶片擺動或三個晶片轉(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（real time）顯像，顯示動態(tài)圖像、動

22、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,,B型超聲診斷儀,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,探頭,熒光屏,B型：以二維、光點(diǎn)顯示。,

23、,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。,,,--------------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,υ0,υ ``,4. D超 (超聲多普勒血流儀),超聲多普勒效應(yīng)測血流速度,運(yùn)動物體B接收到的頻

24、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 ),,υo,,,,,,,υ’’,υ’,頻移,當(dāng)A與R合一時，?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,超聲成像超聲成像具有實(shí)時性好、無損傷、無痛苦，以及低成本等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)近年來，

25、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（Color Flow Mapping, CFM）三維超聲圖像的重建及實(shí)時顯示是最近幾年超聲圖像處理方面的熱點(diǎn)，已成為超聲成像技術(shù)的一個發(fā)展趨勢,超聲成像的發(fā)展,超聲成像原理及超聲成像儀,Medison SONOACE 990

26、0,Medison SONOACE 8000,胎兒的超聲波影象（假彩色）,腎臟,,,心臟,30周胎兒的臉,胎兒的手指,心臟動態(tài)血流圖,三維動態(tài)超聲圖像,作業(yè)：1、2、4、5、6、8 、9 、10、11、12、14,精品課件！,精品課件！,小測驗(yàn) 1. 已知血液的粘度系數(shù)為3.0×10-3 Pa·s,密度為1.05×103 kg·m-3。設(shè)主動脈的內(nèi)直徑為1.0 cm ,則血液在主動脈中流動

27、的速度必須小于或等于_____ m·s-1,才能保證血液在主動脈中不發(fā)生湍流。2. 在病房中,若每個病人單獨(dú)說話時的聲強(qiáng)級為20 dB，則10個病人同時說話的聲強(qiáng)級為＿＿＿＿dB。3.在腎小球的基底膜中找到半徑r=5×10­9m，長度為L=50×10­9m，壓強(qiáng)差為Δp=2.04×103Pa，血液粘度為η=1.4×10­3Pa·s的微血管，求血