第三章聲波與聽覺

(Soundwave)第一節(jié):聲波的物理特性和量度第二節(jié):聽覺的一般特性第三節(jié)：聲波傳導(dǎo)的物理過程第三節(jié):多普勒效應(yīng)第四節(jié):超聲波及其醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用第一節(jié):聲波的物理特性和量度1.波與聲波:

物體振動(dòng)后引起空氣分子疏(部)密(部)相間地向四周特播的過程稱為波．能產(chǎn)生聽覺的振動(dòng)波稱聲波．一、聲音的發(fā)生、頻率、波長和聲速yxAu2.頻率、波長和聲速：頻率ν----聲源在一秒鐘內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)。單位為Hz。周期T----振動(dòng)一次所經(jīng)歷的時(shí)間，單位為s。波長λ----沿聲波傳播方向，振動(dòng)一個(gè)周期所傳播的距離，或在波形上相位相同的相鄰兩點(diǎn)間的距離，單位為m。

上述各量間的關(guān)系:yxAu1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(cè)量值)簡諧聲波的聲壓表達(dá)式:二、聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗2.聲特性阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的一個(gè)物理量介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值：

聲特性阻抗：聲壓幅值Pm與速度幅值

之比。單位：或或1瑞利幾種介質(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(jí)不能直接相加例題1、某馬達(dá)開動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲聲強(qiáng)為10-7W/m2，求①開動(dòng)一臺(tái)馬達(dá)，其噪聲聲強(qiáng)級(jí)為多少dB？②同時(shí)開動(dòng)兩臺(tái)馬達(dá)，其噪聲聲強(qiáng)級(jí)為多少dB？例、如果超聲波經(jīng)由空氣傳入人體，問進(jìn)入人體的聲波強(qiáng)度是入射前強(qiáng)度的百分之幾？如果經(jīng)由蓖麻油（Z=1.36×106kg/m2s）傳入，則進(jìn)入聲波的強(qiáng)度又是入射前強(qiáng)度的百分之幾？解：①

Z1=0.0004×106kg/m2,Z2=1.63×106kg/m2∵∴(反射)(透射)一、引起人耳聽覺的聲波（頻率與聲強(qiáng)）:與頻率有關(guān)（聲調(diào)）（20--20000Hz）與聲強(qiáng)有關(guān)（響度）（10-12--1W/m2）第二節(jié)聽覺的一般特性純音：僅含一個(gè)頻率的音叉振動(dòng)后所發(fā)的聲音。復(fù)音：由一個(gè)較強(qiáng)的基音(頻率量低而振幅最大者)和數(shù)個(gè)較弱的泛音(其它的頻率成分)組合面成．物體振動(dòng)所發(fā)出的聲音，除極少數(shù)為單(純)音外，絕大部分為復(fù)音．二、聽覺區(qū)域1聽閾、聽閾（力）曲線聽覺是聲音作用于聽覺系統(tǒng)引起的感覺，聲音必須達(dá)到一定強(qiáng)度才能產(chǎn)生聽覺，剛能引起聽覺的最小聲強(qiáng)稱聽閾(hearingthreshold)。人耳的聽閾隨著頻率的不同而各異。將各個(gè)不同頻率的聽閾連接成一曲線稱聽力圖(audiogram)或聽力曲線。

聽力零級(jí)(audiometriczero)：為健康青年人正常耳聽閾之聲壓級(jí)(SPL)的統(tǒng)計(jì)數(shù)值，它代表某個(gè)國家或地區(qū)的聽力標(biāo)準(zhǔn)。臨床上應(yīng)用的聽力計(jì)是將正常人各頻率的平均聽閾設(shè)定為零分貝。耳聾病人如對(duì)某一頻率的聲音在30分貝才能聽見，表示他在該頻率的聽閾提高了30分貝，亦即該頻率的聽力損失為30分貝。2痛閾痛閾曲線

在聽閾以上，聲音的響度隨著刺激的增強(qiáng)而增大。當(dāng)聲壓強(qiáng)度增加超過一定程度時(shí)，入耳會(huì)發(fā)生觸覺、壓覺及痛覺。這一剛能引起人耳感覺或痛覺的聲音強(qiáng)度稱感覺閾或痛閾(thresholdoffeelingorpain)。隨著聲音頻率的不同，感覺閾亦因之而變化。3聽覺區(qū)域在聽閾曲線與感覺閾曲線之間的區(qū)域?qū)俾犛X感受區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，存在著可使聽覺器官產(chǎn)生聽覺的各種頻率和不同強(qiáng)度的全部聲音。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(jí)（W/m2）（dB）頻率（HZ）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的痛閾為1W/m2人耳能感覺到的最重要的范圍在500～2000Hz之間，稱人的語音范圍（speechtonerange）以l000～3000Hz的聲波最敏感．標(biāo)準(zhǔn)參考聲強(qiáng)：I0=10-12W/m2聲強(qiáng)級(jí)：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)級(jí)（客觀物理量）：(采用對(duì)數(shù)來表示聲強(qiáng)的等級(jí))

聲強(qiáng)每增加10倍，人耳聽覺才改變1倍左右。

定義P67聽域：痛域:聲的疊加

----兩個(gè)以上獨(dú)立聲源作用于某一點(diǎn)，產(chǎn)生聲音的疊加聲能量是可以代數(shù)相加的，設(shè)兩個(gè)聲源的聲功率分別為W1和W2，那么總聲功率W總=W1+W2。而兩個(gè)聲源在某點(diǎn)的聲強(qiáng)為I1和I2時(shí)，疊加后的總聲強(qiáng)I總=I1+I2。但聲強(qiáng)級(jí)不能直接相加。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(jí)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(jí)各為80dB，則這兩個(gè)聲源同時(shí)傳到窗口的響度級(jí)為（）方。I0=10-12w/m2I=10-4w/m2E=I.t.s

空氣傳導(dǎo)：聲波自外界經(jīng)空氣傳入內(nèi)耳，主要途徑：第三節(jié)：聲波傳導(dǎo)的物理過程途徑聲音傳入內(nèi)耳的徑路有二：一是空氣傳導(dǎo)；另一是骨傳導(dǎo)。聲波經(jīng)顱骨傳入內(nèi)耳，有移動(dòng)式和擠壓式二種方式，二者協(xié)同可刺激螺旋器引起聽覺。但其傳音效能與正常的空氣傳導(dǎo)相比則微不足道。臨床工作中用骨傳導(dǎo)途徑測(cè)量可鑒別傳音性耳聾和神經(jīng)性耳聾。

聲波→顱骨→骨迷路→內(nèi)耳淋巴液→螺旋器→聽神經(jīng)→大腦皮層聽覺中樞。（2）骨傳導(dǎo)

一、外耳耳廓：可以幫助收集外來的聲波，人的耳廓較小，其集音功能不如其他動(dòng)物，但對(duì)聲源方向的判定有一定作用。外耳道：為一盲管，有共振功能，根據(jù)物理現(xiàn)象，當(dāng)波長為其長度的四倍時(shí)能發(fā)生最好的共鳴。外耳道平均長度為2.5cm，則發(fā)生最好共鳴的波長應(yīng)為10cm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，波長10cm時(shí)的頻率為3000～4000Hz，使外耳道共振效應(yīng)得到的增益約為10dB。（1）鼓膜本身面積為85mm2，其有效面積為55mm2，而鐙骨底板面積則為3.2mm2，故鼓膜的有效振動(dòng)面積為鐙骨底板面積的17倍。由此，聲波從鼓膜傳到鐙骨底板時(shí)，其聲壓將被提高17倍。（2）錘骨柄長度比砧骨長突長1.3倍，聽骨鏈的杠桿作用也隨之可使振動(dòng)力加強(qiáng)約1.3倍。

因此。聲波經(jīng)過鼓膜、聽骨鏈到達(dá)底板時(shí)其聲壓將提高1.3×17=22.1倍，相當(dāng)于聲強(qiáng)級(jí)27dB。（3）前庭窗與蝸窗不在一平面，在鼓膜、聽骨鏈正常情況下，聲波壓縮期的高峰先到達(dá)前庭窗，后至蝸窗，蝸窗起緩沖作用，此為位相差，位相差可減少聲波同時(shí)到達(dá)兩窗的抵消作用，使內(nèi)淋巴液發(fā)生波動(dòng)，引起螺旋器上基底膜的振動(dòng)，刺激毛細(xì)胞而感音。如鼓膜大穿孔，聲波到達(dá)兩窗的時(shí)間與位相基本一致，此抵消作用可使聽力損失20dB。（4）鼓膜張肌收縮可使鼓膜向內(nèi)拉緊，稍可增加鼓室內(nèi)壓力，鐙骨肌收縮可將鐙骨向外拉，這兩肌肉的反射性收縮均可減少聲波的振幅，以保護(hù)內(nèi)耳免遭損傷。咽鼓管主要功能為調(diào)節(jié)鼓室內(nèi)氣壓與外界平衡，此為聲波正常傳導(dǎo)的重要條件。因此咽鼓管功能是否正常是決定鼓室成形術(shù)的條件之一。咽鼓管的鼻咽端開口平時(shí)呈閉合狀態(tài)，當(dāng)吞咽、張口或呵欠等動(dòng)作時(shí)，咽鼓管咽口開放，以維持鼓室內(nèi)外氣壓的平衡人耳不僅是要聽取那些單調(diào)的聲音，更重要的是聽取并識(shí)別語言，而語言信息包含著極其復(fù)雜的內(nèi)容，它的各種頻率成分和強(qiáng)度，都隨著時(shí)間而瞬息萬變，非常不恒定，聽覺系統(tǒng)的功能就是感受和辨別聲音信息，并進(jìn)行分析和綜合。這意味著聽覺生理活動(dòng)涉及到對(duì)聲音頻率、強(qiáng)度、方位與時(shí)間過程等的分析過程。那么，人耳究竟是怎樣完成這一分析過程的呢？直到今天，它還是一個(gè)沒有徹底解決的問題。三、耳蝸的感音各頻率在基底膜上的分布示意圖（高頻聲引起最大共振部位靠近蝸底、低頻聲的最大共振部位靠近蝸頂

）1、共振學(xué)說（resonancetheory）：又稱鋼琴學(xué)說或周圍分析學(xué)說。根據(jù)耳蝸螺旋器的解剖構(gòu)造Helmholtz于1863年首倡此說。主要內(nèi)容耳蝸本身為一整體的共振器，每一個(gè)聲頻在基底膜上具有一定的共振部位。2、行波學(xué)說（travellignwavetheory）：Bekesy于1928年創(chuàng)此說，與共振學(xué)說不同之處在于聲波引起的淋巴液波從前庭窗向蝸孔方向傳遞，基底膜共振區(qū)因之呈波形振動(dòng)，而不像共振學(xué)說呈“上下”振動(dòng)。出現(xiàn)振幅最大的波峰部位取決于不同的頻率，在波峰之后的波形逐漸消失3、電話學(xué)說（telephonetheory）又稱擴(kuò)音學(xué)說或中樞分析學(xué)說。Rutherford于1896年提倡此說。此說認(rèn)為聲音的分析在中樞，不在內(nèi)耳由中樞神經(jīng)組織對(duì)這些聲音作出譯碼。視耳蝸具有電話機(jī)功能。

4、排放學(xué)說（volleytheory）：亦稱電話部位或頻率部位學(xué)說，為日前最有影響的學(xué)說。謂低頻率音（400Hz以下）為電話樣編碼，而高頻率音（4000Hz以上）為部位編碼，中頻率音（400~4000Hz）系由聽覺系統(tǒng)利用部位及電話樣信息以辨別各頻率。當(dāng)中耳傳聲裝置把聲波振動(dòng)順利地送入內(nèi)耳后，從讀毛細(xì)胞的電變化、化學(xué)介質(zhì)釋放、神經(jīng)沖動(dòng)的產(chǎn)生開始，便進(jìn)入了生理性感音過程。人耳對(duì)聲音強(qiáng)度的分析問題，研究得比較少，也沒有成套的學(xué)說，在一定頻率范圍內(nèi)，隨著聲音強(qiáng)度增大，表現(xiàn)為主觀感覺變響。一般認(rèn)為聽覺器官可以用以下三種形式來反映聲音刺激的強(qiáng)度。第一種反映形式是毛細(xì)胞和聽神經(jīng)末梢發(fā)放神經(jīng)沖動(dòng)的頻率，刺激越強(qiáng)，前庭蝸神經(jīng)元群放電率增高，引起響度感覺越大。第二種反映形式是被興奮的毛細(xì)胞和前庭蝸神經(jīng)末梢的數(shù)量，刺激越強(qiáng)，參加反應(yīng)的神經(jīng)元數(shù)目越多，引起響度感覺越大。第三種反映形式表現(xiàn)在神經(jīng)元群放電同步程度增強(qiáng)，也是使響度增加的因素。第三節(jié)

多普勒效應(yīng)（Dopplereffect)*多普勒效應(yīng)：因波源或觀測(cè)者相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，而使觀測(cè)頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象。頻率------每秒波前進(jìn)距離中完整波的數(shù)目一、多普勒效應(yīng)的定性研究1.波源與觀察者均相對(duì)媒質(zhì)靜止:頻率------每秒波前進(jìn)距離中完整波的數(shù)目2波源不動(dòng)，觀察者相對(duì)介質(zhì)以速度運(yùn)動(dòng)3觀察者不動(dòng)，波源相對(duì)介質(zhì)以速度運(yùn)動(dòng)其中：二者向?qū)Ψ娇拷哌h(yuǎn)離對(duì)方取“+”值代入取“-

”值代入波源觀測(cè)者＞0＜0＞0＜0公式歸納：波源和觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)方向與波傳播方向共線。多普勒效應(yīng)適用于所有類型的波,包括光波、電磁波。當(dāng)光源遠(yuǎn)離接收器時(shí)，接收到的頻率變小，因而波長變長，這種現(xiàn)象叫做“紅移”。如來自星球與地面同一元素的光譜比較，發(fā)現(xiàn)幾乎都發(fā)生紅移?？赏茢嘈乔虮畴x地球“退行”,宇宙正在膨脹,這就是“大爆炸”宇宙學(xué)理論的重要依據(jù)。反之，如果天體正移向銀河系,則光線會(huì)發(fā)生藍(lán)移。

760630

600570500450430400(nm)

redorangeyellowgreencyanblueviolet發(fā)現(xiàn)自星球與地面同一元素的光譜比較，幾乎都發(fā)生紅移。可推斷星球背離地球“退行”,這就是“大爆炸”宇宙學(xué)理論的重要依據(jù)。波源觀測(cè)者αβ如果

和

不在聲源和觀測(cè)者的連線上，應(yīng)把

和

在連線上的分量代入上式：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.--------------應(yīng)用多普勒效應(yīng)測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)速度

u波源接收器運(yùn)動(dòng)物體v入射線反射線D超(超聲多普勒血流儀)（P86）超聲多普勒效應(yīng)測(cè)血流速度運(yùn)動(dòng)物體B接收到的頻率為：R接收到的頻率為：對(duì)入射過程（發(fā)射超聲）：運(yùn)動(dòng)物體速度v在連線上的投影分量為

υcosα1,對(duì)反射過程（接收超聲）：運(yùn)動(dòng)物體速度v在連線上的投影分量為

υcos(π-α2),頻移

當(dāng)A與R合一時(shí)，1=2=物體運(yùn)動(dòng)速度：彩色多普勒儀用于檢測(cè)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(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)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墻接收的頻率：蝙蝠接收的頻率：（1）首先，聲源向墻面（靜止）運(yùn)動(dòng)，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(cè)量天體相對(duì)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(cè)量運(yùn)動(dòng)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。例：利用多普勒效應(yīng)監(jiān)測(cè)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(dòng)。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(dòng)，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(cè)速儀測(cè)速

胎兒的超聲波影象（假彩色）第四節(jié)超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用腎臟心臟30周胎兒的臉胎兒的手指心臟動(dòng)態(tài)血流圖三維動(dòng)態(tài)超聲圖像一、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(超聲診斷準(zhǔn)確率高）(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.超聲波的傳播特性超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用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

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。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(cè)距原理:探頭物體超聲發(fā)生器超聲接收器L1.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（1）機(jī)械掃描：由單個(gè)晶片擺動(dòng)或三個(gè)晶片轉(zhuǎn)動(dòng)掃描，探頭內(nèi)晶片由微電機(jī)帶動(dòng)，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(dòng)態(tài)圖像、動(dòng)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(dòng)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。3.M型超聲診斷儀（M超）Motion