聲波與多普勒效應

1、第四章第四章 機械波機械波2（mechanical wave）一、聲波一、聲波(sound waves)學習要求：學習要求： 掌握：掌握：1 1聲強和聲強級的計算。聲強和聲強級的計算。 2 2多普勒效應原理及應用。多普勒效應原理及應用。 了解：了解：1 1等響曲線的物理意義。等響曲線的物理意義。 2 2超聲波的特性及其醫(yī)學應用。超聲波的特性及其醫(yī)學應用。 重點重點難點難點重點重點超聲檢查安全嗎超聲檢查安全嗎?超聲的安全性取決于什么超聲的安全性取決于什么?1. 聲強聲強 ( sound intensity ) ： 單位時間內通過垂直于傳播方向的單位單位時間內通過垂直于傳播方向的單位面積的能量。面

2、積的能量。2221AuIZPuPZvImmm222212121（聲強與聲壓）（聲強與聲壓） Zu用聲強計測量噪聲用聲強計測量噪聲決定人耳對聲波反應的主要因素：決定人耳對聲波反應的主要因素：強度：強度10 - -12100（痛閾）（痛閾）（聽閾）（聽閾）( W m 2 )10 - - 6 聽覺強度范圍聽覺強度范圍（ 1000Hz）f : 聲調聲調f2. 聲強級（聲強級（sound intensity level ）10 - -12100（痛閾）（痛閾）（聽閾）（聽閾）( W m 2 )10 - - 6 聽覺強度范圍聽覺強度范圍（ 1000Hz）標準參考聲強：標準參考聲強：122010IWmf01

3、20( dB )600lgILI貝貝(B)或或010lgILI分貝分貝(dB)聞閾 10 - -12 0痛閾 1 120傷害人體 10 130正常呼吸 10 - -11 10悄悄話 10 - -10 20搖滾樂 0.3 115電動切草機 10 - - 2 100重型卡車 10 - - 3 90大聲喊叫 10 - - 4 80室內正常談話 310 - - 6 65聲音 聲強 ( W m 2 ) 聲強級 (dB)幾幾 種種 聲聲 音音 的的 聲聲 強強 及及 聲聲 強強 級級 數數例例1. 某種馬達開動時產生的噪聲聲強為某種馬達開動時產生的噪聲聲強為10 -7 W / m2， 求（求（1）開動一臺

4、馬達，其噪聲聲強級為多少）開動一臺馬達，其噪聲聲強級為多少 dB？（？（2）同時開動兩臺馬達，其噪聲聲強級）同時開動兩臺馬達，其噪聲聲強級 為多少為多少dB ？711201010lg10lg50 ()10ILdBI022lg10IIL )( 531010lg102lg10127dB分析：分析：（1）（2）聲強上的聲強上的2倍倍相當于聲強級的相當于聲強級的3分貝。分貝。聲強具有線性可加性聲強具有線性可加性I=I1+I2+I3+聲強級不具有線性可加性聲強級不具有線性可加性LL1+L2+L3+注意注意3、響度級（、響度級（Loudness level） 響度（響度（ loudness ）：人耳主觀感

5、覺到的聲：人耳主觀感覺到的聲音的響亮程度。與聲音強度、頻率有關音的響亮程度。與聲音強度、頻率有關 。響度級響度級：響度相同的聲音具有相同的響度級：響度相同的聲音具有相同的響度級。1000Hz純音的響度級在數值上等于其聲強級。純音的響度級在數值上等于其聲強級。單位：單位：phon聲強級聲強級頻率頻率等響曲線等響曲線如何測量如何測量?二、多普勒效應二、多普勒效應 （Doppler effect）奧地利物理學家奧地利物理學家（J.C.Doppler）Question：如何測量血流速度？：如何測量血流速度？流速計？流速計？非牛頓流體非牛頓流體植入式檢測植入式檢測一一. 多普勒效應（多普勒效應（ Dop

6、pler effect）常見生活現象常見生活現象發(fā)射頻率發(fā)射頻率f接收頻率接收頻率f ff ?只有波源與觀測者相對靜止時才相等！只有波源與觀測者相對靜止時才相等！人耳聽到的聲音頻率與聲源的頻率相同嗎？人耳聽到的聲音頻率與聲源的頻率相同嗎？討論討論多普勒效應多普勒效應發(fā)射頻率發(fā)射頻率f接收頻率接收頻率fff ?波源或觀測者波源或觀測者相對于媒質運動相對于媒質運動ff 波的共同特征波的共同特征1觀測者不動，波源運動觀測者不動，波源運動3觀測者運動，波源運動觀測者運動，波源運動2波源不動，觀測者運動波源不動，觀測者運動二二. 多普勒效應公式多普勒效應公式（Doppler Effect Express

7、ions）假設：運動沿觀測者與波源的連線！假設：運動沿觀測者與波源的連線！ vu波源不動，觀測者相對于媒質運動：波源不動，觀測者相對于媒質運動：ov1運動速度：運動速度：ouvuT觀測者遠離波源運動速度：觀測者遠離波源運動速度：vo波的傳播速度：波的傳播速度：u觀測者與波的相對速度觀測者與波的相對速度 ：u - voouvf ouvfu觀測者接近波源運動：觀測者接近波源運動：vo波的傳播速度：波的傳播速度：u觀測者與波的相對速度觀測者與波的相對速度 ：u + voouvffu ()ouvfu 波源不動，觀測者相對媒質運動：波源不動，觀測者相對媒質運動：ouvffu vo的符號法則：的符號法則：

8、 觀測者運動與波傳播方向觀測者運動與波傳播方向同向同向，取正取正； 觀測者運動與波傳播方向觀測者運動與波傳播方向反向反向，取負取負。觀測者接收觀測者接收的頻率的頻率 f 本質：本質： 波速改變波速改變（觀測者）（觀測者）觀測者不動，波源相對媒質運動：觀測者不動，波源相對媒質運動：2sv運動速度：運動速度：觀測者不動，波源相對媒質運動：觀測者不動，波源相對媒質運動：2sv運動速度：運動速度：bAs ssvTsuffu v觀測者靜止，波源相對于媒質運動觀測者靜止，波源相對于媒質運動suffuv vs的符號法則：的符號法則： 波源運動與波傳播方向（相對于觀波源運動與波傳播方向（相對于觀察者）察者）同

9、向同向，取正取正； 波源運動與波傳播方向波源運動與波傳播方向反向反向，取負取負。觀測者接收觀測者接收的頻率的頻率 f 本質：本質： 波長改變波長改變波源與觀測者同時相對媒質運動波源與觀測者同時相對媒質運動3sv波源速度：波源速度：ov觀測者速度：觀測者速度：波源與觀測者同時相對媒質運動波源與觀測者同時相對媒質運動osuvffuv 3 符號法則：符號法則： 波傳播方向為正向，與之波傳播方向為正向，與之同向同向運動，運動， vs 、 vo取正取正； 與之與之反向反向運動運動， vs 、 vo取負取負。,sov v波源靜止，觀察者向著波源運動1.5觀察者靜止，波源向著觀察者運動當時2可見，兩種情況的

10、效果顯然不同?？梢姡瑑煞N情況的效果顯然不同。若波源靜止，觀察者向著波源運動；若觀察者靜止，波源向著觀察者運動。波源或觀察者的運動速率為的 0.5 倍波速上述兩種情況下觀察者測得的頻率是波源頻率的幾倍當時- 2) 波源與觀察者不沿二者連線運動：波源與觀察者不沿二者連線運動：ovsvovsvosuvffuv osuvffuv cosoovvcosssvv超聲多普勒血流儀超聲多普勒血流儀超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器v超聲接收器超聲接收器超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞波源波源觀測者觀測者超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞觀測者觀測者超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞波源波源osuvuv0sv cosovv0ov cossv

11、vcosuuv?coscosuvuvcosuvu 波源波源觀測者觀測者超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞1 1）觀測者觀測者超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞波源波源2 2）2 cosuv多普勒頻移多普勒頻移超聲接收器超聲接收器超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器v超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞超聲多普勒血流儀超聲多普勒血流儀超聲多普勒血流儀超聲多普勒血流儀2 cosuv例例3當一列火車以當一列火車以96km/h的速度由你身邊開過，的速度由你身邊開過，同時用同時用2kHz的頻率鳴笛時，問你聽到的頻率是多的頻率鳴笛時，問你聽到的頻率是多少？（已知聲速少？（已知聲速 u =340m/s)分析：分析： 波源為火車汽笛，波源為火車

12、汽笛，波源運動波源運動；觀察者是自己，；觀察者是自己，觀察者靜止觀察者靜止。 火車從身邊開過，有兩種情況：火車從身邊開過，有兩種情況： 1）火車）火車接近接近自己；自己； 2）火車）火車遠離遠離自己。自己。解：解：(1)火車接近自己時，觀察者靜止，波源向著觀火車接近自己時，觀察者靜止，波源向著觀察者運動察者運動 vo= 0 ，vs取正，即取正，即 vs = 96 km/h = 26.7 m/s則則3402000217034026.7osuvffHzuv （2）當火車離開時，觀測者靜止，波源遠離觀察者）當火車離開時，觀測者靜止，波源遠離觀察者 vo= 0 ， vs 取負，即取負，即vs = 96

13、km/h = 26.7m/s則則3402000185434026.7osuvffHzuv 只有兩種頻率只有兩種頻率?例例4.有有A、B兩個汽笛，其頻率均為兩個汽笛，其頻率均為500Hz，A是靜是靜止的，止的，B以以60m/s的速度向右方移動（離開的速度向右方移動（離開A）。）。在兩汽笛之間的一位觀察者在兩汽笛之間的一位觀察者C以以30m/s的速度向右的速度向右方移動。聲波在空氣中的速度為方移動。聲波在空氣中的速度為340m/s。問：。問：（1）觀察者）觀察者C聽到來自聽到來自A的頻率是多少？的頻率是多少？（2）觀察者）觀察者C聽到來自聽到來自B的頻率是多少？的頻率是多少？分析：分析：作出作出A

14、、B、C 位置的簡單示意圖位置的簡單示意圖汽笛汽笛A汽笛汽笛B觀察者觀察者CvB= 60m/svC= 30m/svA=0（2）（因為（因為B有遠離有遠離C的趨勢，而的趨勢，而C是在接近是在接近B）34030500462340( 60)osuvffHzuv （1）34030500456340oosuvuvfffHzuvu 汽笛汽笛A汽笛汽笛B觀察者觀察者CvB= 60m/svC= 30m/svA=0觀察者觀察者 C 聽到來自聽到來自 A 的頻率的頻率:30/ 0oCsvvm sv，30/ 60/oCsBvvm svvm s ，觀察者觀察者 C 聽到來自聽到來自 B 的頻率的頻率:三、三、 超聲波

15、超聲波( Ultrasonic Wave )誰更聰明？誰更聰明？uAI2221 xxeIeII020一、超聲波的特性一、超聲波的特性1. 1. 方向性強。方向性強。2. 2. 強度大、固體和液體穿透性強。強度大、固體和液體穿透性強。3. 3. 兩種媒質界面的反射特性顯著。兩種媒質界面的反射特性顯著。強度反射系數：強度反射系數：irirII 強度透射系數：強度透射系數：ititII垂直入射時：垂直入射時：22112)(ZZZZir二、超聲波的產生和接收二、超聲波的產生和接收機械能機械能 電能電能 超聲波的產生和接收是利用超聲波的產生和接收是利用壓電晶壓電晶體體的壓電效應和逆壓電效應。的壓電效應和

16、逆壓電效應。產生：產生：逆壓電效應逆壓電效應電能電能 機械能機械能接收：接收：壓電效應壓電效應三、超聲波在醫(yī)學中的應用三、超聲波在醫(yī)學中的應用 1. 超聲成像超聲成像1 1）導聲耦合劑原理）導聲耦合劑原理使用石蠟油，使使用石蠟油，使 Z Z1 1Z Z2 ,2 ,irir0 0，界面反射少，界面反射少，增強透射。增強透射。當當 大時，反射波強度亦大，大時，反射波強度亦大，12ZZ 2 2） 成像原理成像原理A超超工作原理工作原理B超工作原理超工作原理亮度調制亮度調制輝度調制輝度調制 M超工作原理超工作原理2. 超聲多普勒血流儀超聲多普勒血流儀超聲接收器超聲接收器超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器vf f超聲

17、探頭超聲探頭血細胞血細胞超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器v超聲接收器超聲接收器f f超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞波源波源觀測者觀測者超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞觀測者觀測者超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞波源波源osuvffuv 0sv cosovv0ov cossvvcosufuv?ff coscosuvfuvcosuvu 波源波源觀測者觀測者超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞1 1）觀測者觀測者超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞波源波源2 2）2 cosufffff 多普勒頻移多普勒頻移超聲接收器超聲接收器超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器vf f超聲探頭超聲探頭血細胞血細胞2 cosuff頸動脈血流圖頸動脈血流圖 1. 分清哪個是波源，哪個是觀測者；分清哪個是波源，哪個是觀測者； 2. 正確判斷波源和觀測者的運動狀況；正確判斷波源和觀測者的運動狀況； 3. 正確選取波源運動速度正