1、.,1,第四章 聲波 聲波:頻率在20Hz到20kHz的、能引起人耳對聲音感 覺的機械波。 次聲波： 又稱亞聲波，頻率低于20Hz的機械波。 超聲波：頻率高于20kHz的機械波。,.,2,一、聲壓 聲波在介質(zhì)中傳播時，某一時刻介質(zhì)中點處的壓強與該點平衡態(tài)時壓強的差值定義為該點的聲壓( 單位：N/m2)，即,第一節(jié)聲波的基本性質(zhì),.,3,聲幅：式中稱作聲壓幅值，簡稱聲幅。,有效聲壓與聲壓幅值的關(guān)系是,由,可得介質(zhì)中點的聲壓變化規(guī)律為,上式為簡諧聲波的聲壓方程 。,.,4,二、聲特性阻抗 在聲學(xué)中，聲介質(zhì)的力學(xué)特征是用聲壓和介質(zhì)振動速度之比來表示，叫聲特性阻抗。其數(shù)學(xué)定義為,由,和,得,.,5,三

2、、聲強 聲波的平均強度簡稱聲強，即聲波的能流密度。聲強的表達(dá)式為,由于聲強不能直接測量，而聲壓可以直接測量，因此常用聲壓表示聲強的大小，即,.,6,在聲波傳播過程中，當(dāng)遇到兩種聲特性阻抗不同的介質(zhì)界面時會發(fā)生反射和折射，且聲特性阻抗差值越大，反射聲波的強度越大，透射波強度越弱。 當(dāng)聲波垂直入射介質(zhì)界面時，即反射系數(shù)ar和透射系數(shù)at分別為,.,7,第二節(jié) 聲強級和響度級 一、聲強級,.,8,聲強級 ：聲學(xué)中通常規(guī)定聲強 作為聲強的基準(zhǔn)量，而聲強I與基準(zhǔn)量I0之比的常用對數(shù)稱聲強I的聲強級，單位為貝爾，記作B，即,由于貝爾單位太大，常采用貝爾的1/10為單位，即分貝dB，則聲強級為,.,9,例題

3、4-1 1臺收音機打開時，在某點產(chǎn)生的聲強級為45 dB，當(dāng)10臺收音機同時打開并發(fā)出同樣響的聲音時，在該處測得的聲強級是多少？再如測得某點1只蚊子嗡鳴的聲強級為0.1 dB，同樣條件的10只蚊子嗡鳴的聲強級又是多少？,解：已知1臺收音機的聲強級為 dB，那么10臺收音機的聲強級為,聲強級的相對變化值約為1/5； 同理可得10只蚊子的聲強級為,聲強級的相對變化值約為100,.,10,二、響度級 響度：人耳主觀感覺到的聲音響亮程度，取決于聲音的強度和頻率 。 在人的聽覺區(qū)域內(nèi)，頻率相同時，感覺到的聲音響度將隨聲強的增加而增加；聲強相同波，響度又會隨聲波頻率而變化。 為了定量比較聲音的響度，人們把

4、響度也分成若干個等級，并稱這些等級為響度級，其單位為方(phon)，并規(guī)定1000 Hz純音的響度級在數(shù)值上等于它的聲強級。,.,11,第三節(jié)多普勒效應(yīng),下面以聲波為例討論多普勒效應(yīng)。首先考慮聲源和觀察者在兩者連線上運動的情況。設(shè)聲源相對介質(zhì)的運動速度為，觀察者相對介質(zhì)的速度為，介質(zhì)中的聲速為u，聲源的振動頻率與觀察者所接收的頻率分別為 和。,多普勒效應(yīng)：由于聲源和觀察者相對介質(zhì)運動而使觀察者接收到的聲波頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱，這是奧地利物理學(xué)家多普勒（C.Doppler）于1842年發(fā)現(xiàn)的。,12,.,多普勒效應(yīng),返回,.,13,1聲源和觀察者相對于介質(zhì)靜止,觀察者所接收的頻率應(yīng)等于單位時間內(nèi)

5、通過觀察者的完整波的數(shù)目（即在距離u內(nèi)包含的波長數(shù)） 即觀察者所接收的頻率等于聲源的頻率 。,.,14,2、聲源靜止，觀察者以速度相對介質(zhì)運動,原來位于觀察者處的波陣面經(jīng)過1秒后向前傳播了u距離的同時，觀察者又向著聲源移動了的距離。相當(dāng)于單位時間內(nèi)波以u + 的速度通過觀察者。,由于聲源相對介質(zhì)靜止，所以觀察者接收的頻率為,反之，若觀察者離開聲源運動，觀察者所接收到的頻率為,.,15,3、觀察者靜止，聲源以速度相對介質(zhì)運動,波振面向前傳播的同時聲源也向前移動使得以后依次發(fā)出的波振面都向右擠壓，導(dǎo)致介質(zhì)中相鄰波振面間的距離由縮短為，即,故觀察者所接收到的頻率為 ：,.,16,若聲源以速度離開觀察

6、者，相鄰波陣面之間的距離為 即波長被拉長了，觀察者接收的頻率將減小為：,4、聲源和觀察者分別以速度和同時相對介質(zhì)運動,以上討論可以證明，觀察者所接收頻率的一般表達(dá)式為：,.,17,、求解問題時，取考察時刻觀察者與聲源之間靜止的介質(zhì)某點為參考點 。若觀察者向著參考點運動，取正值，反之為負(fù)值；若聲源向著參考點運動，取負(fù)值，反之為正值。,、若聲源和觀察者的運動不是沿著它們的連線方向，則應(yīng)將其速度在連線方向上的投影值代入以上各式中進(jìn)行計算。例如，聲源的運動方向與連線成，觀察者的運動方向與連線成 ，則觀察者接收的頻率為：,由多普勒效應(yīng)引起的接收頻率的變化 稱為多普勒頻移。,.,18,例題4-2 以速度v

7、o沿垂直于墻E方向運動的聲源B，位于靜止觀察者A與墻之間，聲源頻率 Hz。A所接收到的拍頻 Hz，設(shè)空氣中聲速u =340 。求聲源B的運動速度vo =？,解 圖中觀察者A將接收到兩種不同頻率的聲波：一是從聲源直接發(fā)出的；另一是聲源傳至墻后，經(jīng)墻反射回來的。設(shè)A接收到前一種聲波頻率為 ，后一種聲波頻率為 。由于聲源背向觀察者運動，故頻率 為,.,19,是相當(dāng)于聲源向著墻運動時，墻所接收的聲波頻率。因為聲波被靜止的墻反射，其頻率不發(fā)生改變，故頻率 為,觀察者A聽到這兩種聲波疊加所產(chǎn)生的拍頻為,一般情況下，vo u，所以有,.,20,第四節(jié) 超聲波及其醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 超聲波頻率介于 產(chǎn)生超聲波必要條

8、件：高頻聲源和傳播介質(zhì) 醫(yī)學(xué)超聲成像是借助超聲反射或散射回波運載的生物信息產(chǎn)生圖像。 超聲回波信息主要利用： (1)大界面造成的反射波， (2)小粒子引起的散射波， (3)生物組織對聲能吸收導(dǎo)致的回波幅值衰減。,.,21,一、超聲波的特性,1、超聲波的傳播特性 （1）方向性好 可以像光一樣沿直線傳播 超聲波的聲束由近場和遠(yuǎn)場兩部分組成。近場范圍由近場長度公式表示，即,.,22,在遠(yuǎn)場區(qū)，超聲波開始發(fā)散，其半擴散角大小可由遠(yuǎn)場角度公式表示，即 超聲振動頻率愈高，聲束半徑a愈大，則L越長，角越小，超聲波直線性質(zhì)量越高，方向性越好。,例題4-3焦點截面積的直徑為10 mm的聲束，頻率為10 MHz，

9、求超聲束在水中的近場長度和半擴散角各為多少？（u = 1 500 m/s。）,解,.,23,（3）對液體和固體的穿透力強 超聲波在介質(zhì)中傳播時，其強度衰減與聲特性阻抗呈負(fù)相關(guān)，與頻率呈正相關(guān)，所以超聲束在液體和固體中的衰減要比在氣體中小得多。,（4）遇到介質(zhì)分界面時有顯著反射 波在傳播時遇到線度比其波長大數(shù)倍的界面時會發(fā)生反射。由于超聲波波長短，所以較小的物體就能引起明顯的反射。這是獲取超聲圖像的重要途徑之一。,（2）強度高 由于波的平均強度正比于頻率的平方，所以在相同振幅的條件下，超聲波比普通聲波具有大得多的能量,.,24,2、超聲波與物質(zhì)作用的特性 （1） 熱作用 超聲波在介質(zhì)中傳播時，一

10、部分能量被介質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化成熱能，從而使介質(zhì)溫度升高的現(xiàn)象稱為熱作用或熱效應(yīng)。 （2） 機械作用 超聲波在人體中傳播時形成的高頻振動和壓力將產(chǎn)生極大的剪切力，從而破壞組織和細(xì)胞的力學(xué)結(jié)構(gòu)，此作用被稱為超聲波的機械作用。,.,25,（3） 超聲空化作用 超聲波以縱波形式傳播時，其聲壓的周期變化將引起組織密度在很小空間內(nèi)大幅度的改變，相對于聲密介，聲疏區(qū)相當(dāng)于一個空洞，且在作高頻周期變化。充有氣體或水蒸汽的空腔在超聲場作用下發(fā)生振蕩的各種現(xiàn)象定義為聲空化。聲空化可分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。 超聲生物效應(yīng)十分復(fù)雜，它取決于如聲強、輻射時間、聲場時間和空間結(jié)構(gòu)、組織類型與生理狀態(tài)以及溫度、壓力等外部條件。按

11、生物組織類型大體可影響：神經(jīng)組織和中樞神經(jīng)系統(tǒng)；骨骼系統(tǒng)；甲狀腺；肝、脾和腎；肌肉和其它軟組織；眼睛；組織再生；細(xì)胞和分子水平；有關(guān)DNA和遺傳變異等。,.,26,二、超聲波的產(chǎn)生 構(gòu)成：高頻電發(fā)生器和壓電換能器 高頻電發(fā)生器：由電子線路產(chǎn)生超聲波頻段的電振蕩，其電振蕩方式有連續(xù)式和脈沖式 壓電換能器（探頭）：由具有壓電效應(yīng)的晶體材料制成 。,.,27,三、超聲波成像的基本原理 超聲診斷學(xué)依據(jù)：脈沖回波檢測技術(shù)，其為檢測超聲波在傳播路線上遇到不同介質(zhì)界面的反射信號，并對其放大、處理和顯示。 聲成像系統(tǒng)主要組成部分： 信號源； 換能器； 信號處理部分； 顯示和記錄部分。 常用超聲診斷儀器 ： 1

12、、A型超聲 最早出現(xiàn)的超聲診斷儀，它屬于幅度調(diào)制，即回波脈沖大小決定顯示器中脈沖的幅度；脈沖間的距離正比于反射界面間的距離。,.,28,2、M型超聲 在A型超聲基礎(chǔ)上發(fā)展起來的基于時間序列的A型 超聲診斷儀。 3、B型超聲 臨床應(yīng)用較廣泛的超聲診斷儀，它能得到臟器或病變的二維斷層圖像，并進(jìn)行快捷的無損傷檢測。 4、D型超聲 超聲多普勒檢測儀，它是利用超聲多普勒效應(yīng)和超聲經(jīng)運動物體界面反射或散射特性，獲得心臟、血管等血流動力學(xué)信息的一種技術(shù)。 、彩超 彩色多普勒血流顯像儀在多普勒二維成像的基礎(chǔ)上，通過實時彩色編碼把反映血流動態(tài)的多普勒信號用彩色實時地顯示出來。,.,29,第五節(jié) 次聲波及其軍事應(yīng)

13、用 次聲波：又稱亞聲波是頻率低于20 Hz的機械縱波。 次聲源分為：天然次聲源和人工次聲源兩大類。 一、次聲波的特性 本質(zhì)與可聞聲波和超聲波沒有區(qū)別，在空氣中的傳播速度和聲波相同。但由于次聲波頻率低，大氣對次聲波的吸收很小。次聲的聽覺閾比可聞聲波高，且隨頻率的降低而增加。,.,30,二、次聲波的生物效應(yīng) 與人體共振，人體個整體的固有頻率為7 Hz，人體的這種固有頻率正好在次聲波的頻率范圍內(nèi)，則人體易發(fā)生強烈的人體共振，輕者頭痛、眩暈、心慌、注意力減退；較重者會惡心嘔吐，肌肉痙攣，呼吸困難，神經(jīng)錯亂、喪失控制能力；嚴(yán)重者器官破壞，甚至死亡。 生物效應(yīng)的主要作用機制是機械作用，如暈船病就是極低頻振動引