物理-超聲波-p教師簡(jiǎn)介

教師簡(jiǎn)介，

，畢業(yè)于山東師范大學(xué)物理系教務(wù)賬號(hào)：16077

：第三章 超聲醫(yī)學(xué)的物理基礎(chǔ)第一節(jié) 聲波第二節(jié) 效應(yīng)第三節(jié) 超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用第三章超聲物理學(xué)基礎(chǔ)主要內(nèi)容:1、了解聲學(xué)的基本概念：聲速、聲壓、聲阻、聲強(qiáng)等。2、理解聲強(qiáng)級(jí)和響度級(jí)的定義和意義。效應(yīng)、電致伸縮效應(yīng)、壓電效應(yīng)3、了解的作用。4、掌握超聲波的特性，了解超聲波的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。第一節(jié)

聲波一、振動(dòng)：是物體運(yùn)動(dòng)的一種形式。無(wú)論宏觀還是微觀世界都存在振動(dòng)現(xiàn)象。廣義的講，所有物理量在某平衡點(diǎn)附近，隨時(shí)間周期性的變化，都稱(chēng)為振動(dòng)。如機(jī)械振動(dòng)（速度、位移），電磁振動(dòng)（電壓、電流、場(chǎng)強(qiáng)、磁場(chǎng)）。最簡(jiǎn)單的振動(dòng)稱(chēng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)。1、簡(jiǎn)諧振動(dòng)的位移方程：x

Acos(t

)2、簡(jiǎn)諧振動(dòng)的特征量：①振幅:A②周期T、頻率ν

、角頻率ω③相位（ωt+φ）

、初相位φ第一節(jié)

聲波產(chǎn)生波動(dòng)簡(jiǎn)稱(chēng)波。產(chǎn)生二、波動(dòng)：振動(dòng)在彈性媒質(zhì)中的振動(dòng)的裝置稱(chēng)為波源。波動(dòng)依賴(lài)于媒質(zhì)，因此機(jī)械波不能通過(guò)真空。電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)波動(dòng)方向垂直，互為的媒質(zhì)，可在真空中。1、波動(dòng)的特點(diǎn)：波源的振動(dòng)首先誘發(fā)媒質(zhì)中 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，媒質(zhì)中的分子或原子相互作用，誘發(fā)振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)可看做新波源，并再次引起 的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，使波源的振動(dòng)狀態(tài)在媒質(zhì)中 開(kāi)，波動(dòng)只是

的振動(dòng)狀態(tài)，媒質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)只是在其平衡位置附近振動(dòng)，并不隨波動(dòng)移動(dòng)。2、波動(dòng)分為：縱波（振動(dòng)方向與

方向平行）和橫波（振動(dòng)方向與方向垂直）。第一節(jié)

聲波1、聲波：引起人們聽(tīng)覺(jué)的機(jī)械縱波。2、聲波頻率范圍：20Hz～20000Hz，人能聽(tīng)到。3、次聲波：低于20Hz，人聽(tīng)不見(jiàn)。波長(zhǎng)長(zhǎng)，距離遠(yuǎn)。常用于水中作聲納探測(cè)或?qū)Ш健４温晫?duì) 有害。4、超聲波：高于20000Hz，人聽(tīng)不見(jiàn)，波長(zhǎng)短，距離近。醫(yī)學(xué)上用超聲做腹腔和肝膽檢查，對(duì) 無(wú)害。5、聲波、次聲波、超聲波都是機(jī)械波，僅頻率范圍不同，其基本性質(zhì)一樣。聲帶振動(dòng)也產(chǎn)生聲波，聲波經(jīng)空氣或骨骼引起人耳鼓膜并刺激聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)，產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)。聽(tīng)覺(jué)具有學(xué)習(xí)特性，聽(tīng)到的信息傳輸?shù)酱竽X，與中特性比較，并對(duì)聲源做出判斷。第一節(jié)

聲波一、聲壓和聲強(qiáng)（一）聲速聲波在媒質(zhì)中 時(shí)，會(huì)引起媒質(zhì)（介質(zhì)）中的分子或原子的縱向振動(dòng)，并依此傳遞，將聲波

到遠(yuǎn)處。顯然媒質(zhì)不同，相互作用存在差異，聲波的

速度也不會(huì)相同。聲波的

速度簡(jiǎn)稱(chēng)聲速。聲速u(mài)與媒質(zhì)的性質(zhì)（密度、彈性）有關(guān)，并受溫度影響。在空氣中(m/s)：u

331

0.6t第一節(jié)

聲波(二)聲壓與聲阻1、聲壓

P：聲波是縱波，聲波在媒質(zhì)中 時(shí)，媒質(zhì)中各部分時(shí)疏時(shí)密，各部分的壓強(qiáng)相應(yīng)變化。某一時(shí)刻，媒質(zhì)中有聲波 時(shí)的壓強(qiáng)與無(wú)聲波時(shí)的壓強(qiáng)差稱(chēng)為聲壓。聲壓的大小周期性變化，其聲壓幅值Pm為：Pm

uA

Pm

um一、聲壓和聲強(qiáng)聲波能力的物理量。聲波在不同媒質(zhì)中 的速度不同，顯然，媒質(zhì)對(duì)聲波的 能力不同，即阻礙程度不同。聲阻抗（簡(jiǎn)稱(chēng)聲阻）定義為：第一節(jié)

聲波2、聲阻抗Z：表征媒質(zhì)

uA

uvm

AZ

Pm聲阻抗與物質(zhì)密度和波速有關(guān)，表示媒質(zhì)的聲學(xué)特性。一、聲壓和聲強(qiáng)物質(zhì)密度ρ（k·m-3）聲速u(mài)(m·s-1)聲阻抗Z(kg·s-1·m-2)空氣(0℃)1.293314.27×102空氣1.213434.15×102水988.214841.48×106鋼7800505039.39×106脂肪97014001.36×106腦102015301.56×106肌肉104015681.63×106密質(zhì)骨170036006.12×106第一節(jié)

聲波（三）聲強(qiáng)I單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于聲波積的聲波能量。方向的單位面m

m2

2

2

1

P2

/

ZI

1

u2

A2

1

Zv2國(guó)際單位：W

m2聲強(qiáng)難以測(cè)量，但可通過(guò)測(cè)量聲壓和聲阻計(jì)算。一、聲壓和聲強(qiáng)例：測(cè)得某音響設(shè)備發(fā)出最強(qiáng)聲波的聲壓幅值為8.3Pa，在20℃時(shí)該聲波的強(qiáng)度多大？透過(guò)面積2m2的窗口的聲功率是多少？若聲波頻率1000Hz，其振幅與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值各多大？(8.3)2P2

8.3102

(W/

m2

)1

m2

Z

2

4.16102I

解：20℃時(shí)空氣的聲阻抗為：4.16102

(kg

m2

s1

)透過(guò)窗口的聲功率即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)窗口的聲波能量：N

IS

8.3102

2

0.166(W

)聲波的角頻率與頻率

的關(guān)系是

，2A

3.18106

(m)Pm

Pm

8.3u

2uZ

416

8.3

0.02(m

/

s)

Pmm第一節(jié)

聲波（四）聲波的反射與折射聲波在過(guò)程中遇到聲阻抗不同的媒質(zhì)面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。其規(guī)律如同光波的反射和折射規(guī)律。1、反射：聲波遇到媒質(zhì)界面一部分聲波返回原媒質(zhì)。2、折射：另一部分聲波穿過(guò)界面進(jìn)入另一媒質(zhì)并改變 方向。一、聲壓和聲強(qiáng)第一節(jié)

聲波一、聲壓和聲強(qiáng)3、聲強(qiáng)反射系數(shù)βir：反射波強(qiáng)度與入射波強(qiáng)度之比。4、聲強(qiáng)透射系數(shù)βit

：透射波強(qiáng)度與入射波強(qiáng)度之比

Ir

(

Z2

Z1

)21Ii

Z2

Zir垂直入射時(shí)：I

4Z2

Z1i

2

1tI

(Z

Z

)2it

（五）聲波的衰減沿

方向，由于媒質(zhì)的吸收，聲波的強(qiáng)度逐漸減弱，其衰減規(guī)律按負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減。I

I

e

x0第一節(jié)

聲波（六）音樂(lè)的特性基音、泛音：聲源振動(dòng)產(chǎn)生單一頻率的純音，樂(lè)器振動(dòng)將產(chǎn)生復(fù)雜，稱(chēng)為復(fù)音，包含多種頻率成分，其中頻率最低、振幅最大的純音為基音，其它頻率是基音的整數(shù)倍，稱(chēng)為倍頻或泛音。音調(diào)、響度、音色：人對(duì)音樂(lè)的感覺(jué)?；舾叩蜎Q定音調(diào)，聲音的強(qiáng)度決定響度，泛音成分決定音色。噪音：引起人們感覺(jué)痛苦 。噪音影響人的心理和生理健康，甚至造成會(huì)造成病理?yè)p害。一、聲壓和聲強(qiáng)第二節(jié)

聲學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用一、聽(tīng)覺(jué)（區(qū)）域聽(tīng)覺(jué)不僅與頻率（20~20KHz）有關(guān)，還與聲強(qiáng)有關(guān)。聲音足夠大時(shí)，人耳才能感受到，聲音大到一定程度，有痛苦的感覺(jué)。1、聽(tīng)閾：引起聽(tīng)覺(jué)的最小聲強(qiáng)稱(chēng)為聽(tīng)閾。表示聽(tīng)閾與頻率關(guān)系的曲線叫聽(tīng)閾曲線，也叫 曲線。不同頻率的聲波，聽(tīng)閾值不同，甚至相差懸殊，人耳最敏感的頻率為1KHz~5KHz，鼓膜的固有頻率約為3KHz。如1KHz的聲波聽(tīng)閾值為：1012W

m22、痛閾：人能承受的最大聲強(qiáng)稱(chēng)為痛閾。也可以表達(dá)為引起痛覺(jué)的最小聲強(qiáng)。不同頻率的聲波，痛閾值也不完全相同，但頻率的影響不大，主要取決于聲強(qiáng)。痛閾約為：1W

m23、聽(tīng)覺(jué)區(qū)域聲強(qiáng)介于聽(tīng)閾(1012W

m2

)和痛閾(1W

m2

)之間的范圍。二者相差為1萬(wàn)億倍。但人耳分辨聲音的級(jí)別并沒(méi)有這么高。聲音的客觀增強(qiáng)與

感受不成正比關(guān)系。第二節(jié)

聲學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用第二節(jié)

聲學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用二、聲強(qiáng)級(jí)和響度級(jí)（一）聲強(qiáng)級(jí)實(shí)驗(yàn)證明：人感覺(jué)到增強(qiáng)與客觀上聲音強(qiáng)度增大倍數(shù)的對(duì)數(shù)成正比。物理學(xué)上采用對(duì)數(shù)標(biāo)度聲強(qiáng)等級(jí)稱(chēng)為聲強(qiáng)級(jí)。L

lgI

0

I

0I

IL

10

lg單位為貝爾（B）單位為分貝（dB）顯然聽(tīng)閾為0dB，痛閾為120dB，聽(tīng)覺(jué)分辨率為120個(gè)級(jí)別。常見(jiàn)聲源的聲強(qiáng)級(jí)和響度聲源聲強(qiáng)級(jí)dB響度聲源聲強(qiáng)級(jí)dB響度雷、

鉚釘錘鬧市

警笛

吵鬧1201101009070震耳極響響談話耳語(yǔ)

樹(shù)葉微動(dòng)6050403010正常輕極輕例：一臺(tái)機(jī)器產(chǎn)生的噪音，聲強(qiáng)級(jí)為50dB。再增加一臺(tái)同樣的機(jī)器，噪音的聲強(qiáng)級(jí)增大到多少？解：根據(jù)得一臺(tái)機(jī)器發(fā)生噪音的聲強(qiáng)為I1=105I0

，兩臺(tái)機(jī)器發(fā)出噪音的聲強(qiáng)為2

I1

，對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)級(jí)由于聲強(qiáng)級(jí)是取對(duì)數(shù)標(biāo)尺，兩個(gè)聲音疊加時(shí)，總聲強(qiáng)級(jí)不等于兩個(gè)聲音聲強(qiáng)級(jí)的和L

lg

I

(B)

10

lg

I

(dB)0II0

I010

lg

I1

50I0

I02I

2

105

IL

10

lg

1

10

lg

0

53(dB)感覺(jué)程（二）響度：人耳對(duì)客觀聲音強(qiáng)弱的度，響度不僅與聲強(qiáng)有關(guān)，還與頻率有關(guān)。（三）響度級(jí)：人耳對(duì)不同頻率 敏感程度不同，同樣的聲強(qiáng)級(jí)，感覺(jué)

強(qiáng)弱不一定相同，甚至差異很大。為了描述這種差異，將聲強(qiáng)級(jí)在同一頻率下（1000Hz）的感覺(jué)分成等級(jí)就是響度級(jí)，單位為（方）。響度級(jí)也分為120個(gè)等級(jí)。（四）等響曲線：頻率不同 ，引起同樣的感覺(jué)就是同一個(gè)響度級(jí)。第二節(jié)

聲學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用效應(yīng)效應(yīng)：由于波源或觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)，造成觀測(cè)頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象1842年，奧地利物理學(xué)家

帶著女兒在鐵道旁散步時(shí)就注意到了類(lèi)似的現(xiàn)象，他經(jīng)過(guò)認(rèn)真的研究，發(fā)現(xiàn)波源和觀察者互相靠近或者互相遠(yuǎn)離時(shí)，觀察到的波的頻率都會(huì)發(fā)生變化，并且做出了解釋方向共線理論推導(dǎo)假設(shè)波源和觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)方向與波波源相對(duì)于介質(zhì)的速度為vs觀測(cè)者相對(duì)于介質(zhì)的速度為v0波在介質(zhì)中的 速度為u波源和觀測(cè)者觀測(cè)到的頻率分別為v和v’波源 觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)相互靠近時(shí)相當(dāng)于波以速度u’=u+v0通過(guò)觀測(cè)者，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)觀測(cè)者的完整波數(shù)即觀測(cè)到的頻率為

u

u

v0

u

v0

相互遠(yuǎn)離時(shí)

u

/u

u

v0u頻率的改變是由于觀測(cè)者觀測(cè)到的波數(shù)增加或減少造成的觀測(cè)者 波源運(yùn)動(dòng)相互靠近時(shí)當(dāng)波源以速度vs向著觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于一個(gè)周期T內(nèi)波源已近觀測(cè)者vsT的距離所以觀察到的波長(zhǎng)縮短為觀測(cè)者實(shí)際測(cè)得的頻率為相互遠(yuǎn)離時(shí)在波源運(yùn)動(dòng)情況下，觀測(cè)頻率的改變是由于波長(zhǎng)縮短或伸長(zhǎng)所致

vsT

(u

vs

)T

u

u

vsu

vs

Tuu

1

u

vsu波源和觀測(cè)者同時(shí)相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)觀測(cè)者實(shí)際測(cè)得的頻率為符號(hào)法則：觀測(cè)者向著波源運(yùn)動(dòng)，分子取加號(hào)觀測(cè)者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)，分子取減號(hào)波源向著觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，分母取減號(hào)波源遠(yuǎn)離觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，分母取加號(hào)簡(jiǎn)單

：向著結(jié)果變大，背離結(jié)果變小

u

u

v0

u

vsu

vs

u

u

v0

效應(yīng)的應(yīng)用交通警向行進(jìn)中的車(chē)輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線，同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車(chē)輛的速度?；诜瓷洳?、人造效應(yīng)的原理，

系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于車(chē)輛、等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)u

vs

'

u

vo

1）330

'

330-30

500Hz

454.5

Hz解u

330

m/s,

vsA

0,

vsB

60

m/s例1

A、B為兩個(gè)汽笛，其頻率皆為500Hz，A靜止，B以60m/s的速率向右運(yùn)動(dòng).在兩個(gè)汽笛之間有一觀察者O，以30m/s的速度也向右運(yùn)動(dòng).已知空氣中的聲速為330m/s，求：A

OBvOvsB觀察者聽(tīng)到來(lái)自A

的頻率觀察者聽(tīng)到來(lái)自B

的頻率觀察者聽(tīng)到的拍頻330

602）

330

30

500Hz

461.5

Hz3）

觀察者聽(tīng)到的拍頻

7

HzA

O

BvOvsB例1

A、B為兩個(gè)汽笛，其頻率皆為500Hz，A靜止，B以60m/s的速率向右運(yùn)動(dòng).在兩個(gè)汽笛之間有一觀察者O，以30m/s

的速度也向右運(yùn)動(dòng).

已知空氣中的聲速為330m/s，求：觀察者聽(tīng)到來(lái)自B

的頻率觀察者聽(tīng)到的拍頻解求車(chē)速.例2

利用

效應(yīng)監(jiān)測(cè)車(chē)速，固定波源發(fā)出頻率為

100kHz

的超聲波，當(dāng)汽車(chē)向波源行駛時(shí)，與波源安裝在一起的

接收到從汽車(chē)反射回來(lái)的波的頻率為

"

110kHz

.

已知空氣中的聲速為

u

330ms1，v0解1）車(chē)為u

'

u

v0

2）車(chē)為波源

"u

vsu

'

v0

u

u

vs車(chē)速1v0

vs

u

56.8

km

h

"

"第三節(jié)

超聲波超聲波：頻率大于20000Hz的機(jī)械縱波，是人耳聽(tīng)不見(jiàn)的聲波，目前已經(jīng)能產(chǎn)生頻率大于1萬(wàn)億Hz的高頻超聲和功率到幾千瓦的高功率超聲。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要有：超聲和超聲治療。血流1、 應(yīng)用：B超臟器檢查、產(chǎn)前檢查、測(cè)量等。2、治療應(yīng)用：超聲碎石，牙齒清污、藥物霧化、理療等。超聲波除具有聲波的一般性質(zhì)外，還具有其特性。超聲波在液體 距離遠(yuǎn)，固體中次之，在空氣中衰減很快。第三節(jié)

超聲波一、超聲波的特性和與物質(zhì)的作用（一）超聲波的特性1、方向性好：超聲波頻率高，波長(zhǎng)短，象光線一樣，沿直線

，能聚焦。2、強(qiáng)度大、聲壓大， 本領(lǐng)強(qiáng)。3、超聲波遇到不同介質(zhì)分界面時(shí)產(chǎn)生顯著反射。Zp22

2I

1

u

2

A2

1

m

第三節(jié)

超聲波（二）超聲波與物質(zhì)的作用1、熱作用：介質(zhì)分子劇烈振動(dòng)，分子間相互作用轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)能，溫度升高——理療原理。2、機(jī)械作用：超聲波頻率高，強(qiáng)度大，聲壓大。超聲波作用于介質(zhì)，壓力發(fā)生劇烈變化——超聲碎石原理。3、空化作用：液體受超聲巨大的聲壓作用，產(chǎn)生湮滅的細(xì)微空腔的現(xiàn)象——超聲霧化原理。第三節(jié)

超聲波二、超聲波的產(chǎn)生和探測(cè)（一）電致伸縮效應(yīng)：非對(duì)稱(chēng)晶體在交變電場(chǎng)的作用下，按電場(chǎng)變化的頻率產(chǎn)生伸長(zhǎng)與縮短的現(xiàn)象（機(jī)械振動(dòng)）。利用該效應(yīng)可產(chǎn)生超聲波。（二）壓電效應(yīng)：壓電晶體受到壓力或拉伸作用時(shí)，在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生正負(fù)電荷的現(xiàn)象。壓電效應(yīng)是電致伸縮效應(yīng)的逆效應(yīng)，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。利用壓電效應(yīng)可探測(cè)超聲波。（三）壓電晶體既可發(fā)射超聲波，也可接收超聲波。第三節(jié) 超聲波三、超聲波的醫(yī)學(xué)應(yīng)用1、超聲 的優(yōu)點(diǎn)：超聲波主要用于軟組織和臟器的檢查，能分辨組織聲阻抗發(fā)生細(xì)微的變化，靈敏度高，對(duì) 無(wú)損害，屬無(wú)

檢查，安全無(wú)痛苦。2、超聲 儀原理儀器構(gòu)造：高頻信號(hào)發(fā)生器、探頭、顯示器、電源。3、超