波源的頻率學(xué)習(xí)課件

能夠說(shuō)出聲壓、聲強(qiáng)級(jí)和響度級(jí)的概念能夠闡述多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，并加以計(jì)算能夠說(shuō)出超聲波的特點(diǎn)、作用、診斷依據(jù)與應(yīng)用主要內(nèi)容與要求能夠解釋超聲波產(chǎn)生與探測(cè)的原理能夠說(shuō)出次聲波主要特性、作用方式與關(guān)鍵問(wèn)題重點(diǎn)：聲強(qiáng)級(jí)、聲阻抗、多普勒效應(yīng)

難點(diǎn)：多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理與計(jì)算

第一節(jié)聲波的基本性質(zhì)是彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。分類：20000Hz20Hz1.聲波的概念次聲波聲波超聲波特超聲波：5×108~1012Hz超聲波：2×103~5×108Hz次聲波：10-4~20Hz可聞聲波：20~20000

Hz2.

聲壓（SonicPressure）聲壓----把某一時(shí)刻，介質(zhì)中某一點(diǎn)的壓強(qiáng)與無(wú)聲波通過(guò)時(shí)的壓強(qiáng)差。介質(zhì)密度周期性變化附近壓強(qiáng)的變化3.聲阻抗（AcousticImpedance）與材料的密度、聲速有關(guān)，決定材料的聲學(xué)性能。SI制：聲幅有效值強(qiáng)度反射系數(shù)

air------反射波的強(qiáng)度與入射波的強(qiáng)度之比。強(qiáng)度透射系數(shù)air------透射波的強(qiáng)度與入射波的強(qiáng)度之比。超聲診斷的物理學(xué)依據(jù)

聲波在傳播過(guò)程中，遇到兩種聲阻抗不同的界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。

4.聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級(jí)

聲波的平均能流密度。即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于傳播方向單位面積的聲波能量。

聲強(qiáng)與頻率的平方、振幅的平方成正比。聲波的頻率高，振幅越大，聲強(qiáng)越大。SI制：聲強(qiáng)（IntensityofSound）

超聲波：頻率高，聲強(qiáng)大炮聲：振幅大，聲強(qiáng)大

聲強(qiáng)級(jí)（IntensityLevelofSound）在最佳音頻（約1000~4000Hz）條件下10-12100(W·m–2)10-6弱到剛能聽(tīng)聞稱標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I0強(qiáng)到失去聽(tīng)覺(jué)只有痛覺(jué)（痛閾）（聞閾）聽(tīng)覺(jué)強(qiáng)度范圍定義聲強(qiáng)級(jí)L為：

響度級(jí)（LoudnessLevel）

聲強(qiáng)級(jí)是描述聲能的客觀物理量，但不能完全反映人耳所感覺(jué)到的聲音強(qiáng)弱。人耳主觀感覺(jué)到的聲音響亮（強(qiáng)弱）程度稱為響度。等響曲線---不同頻率、相同響度級(jí)的點(diǎn)構(gòu)成的曲線。

響度與聲波的強(qiáng)度、頻率有關(guān)。不同頻率、聲強(qiáng)級(jí)的聲音可能具有相同的響度。研究發(fā)現(xiàn)：純音的聽(tīng)覺(jué)域與等響曲線聲源

聲強(qiáng)（W.m-2）

聲強(qiáng)級(jí)（dB）

響度

炮聲(痛閾

)1120

鉚釘機(jī)10－2100震耳交通繁忙的街道10－570響通常的談話10－660正常悄悄話10－1020輕正常呼吸10－1110極輕引起聽(tīng)覺(jué)的最弱聲音

10－120

幾種聲音的聲強(qiáng)及聲強(qiáng)級(jí)數(shù)例題1.一臺(tái)收音機(jī)打開(kāi)時(shí)，在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的聲強(qiáng)級(jí)是45dB，當(dāng)10臺(tái)收音機(jī)同時(shí)打開(kāi)并發(fā)出同樣響的聲音時(shí)，在該處測(cè)得的聲強(qiáng)級(jí)為多少？解：一臺(tái)收音機(jī)的聲強(qiáng)級(jí)為則10臺(tái)收音機(jī)的聲強(qiáng)級(jí)為第二節(jié)多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)-------觀察者接收到的頻率依賴于波源或觀察者運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。符號(hào)規(guī)定（假定波源與觀察者在同一條直線上）——波源相對(duì)于介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度

——觀察者相對(duì)于介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度

——聲波在介質(zhì)中的傳播速度

——波源的頻率

——觀察者接收到的頻率1.波源靜止，觀察者相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)

觀察者向波源運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于波以的速度通過(guò)觀察者在時(shí)間內(nèi)波陣面前進(jìn)了

距離同時(shí)，觀察者向前移動(dòng)了距離

觀察者離開(kāi)波源運(yùn)動(dòng)2.觀察者靜止，波源相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)

波源向觀察者運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期波陣面向前傳播距離同時(shí)，聲源向前傳播了運(yùn)動(dòng)方向上波陣面分布變密，相當(dāng)于波長(zhǎng)變短

波源離開(kāi)觀察者運(yùn)動(dòng)3.波源和觀察者同時(shí)相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)綜合上述情況，可得v0

：觀察者向著波源運(yùn)動(dòng)時(shí)為正，觀察者背著波源運(yùn)動(dòng)時(shí)為負(fù)；vs

：波源向著觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)為負(fù)，波源背著觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)為正。利用聲波多普勒效應(yīng)測(cè)定流體的流速；醫(yī)學(xué)上利用多普勒原理制成超聲心動(dòng)、多普勒血流儀。測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度（監(jiān)測(cè)車速）。應(yīng)用：例題2.假設(shè)波源和觀察者的運(yùn)動(dòng)速率均為波速的0.5倍。1.若波源靜止，觀察者向著波源運(yùn)動(dòng)；2.若觀察者靜止，波源向著觀察者運(yùn)動(dòng)。求：上述兩種情況下，觀察者測(cè)得的頻率是波源頻率的幾倍。解法提要：1.波源靜止，觀察者向著波源運(yùn)動(dòng)；2.觀察者靜止，波源向著觀察者運(yùn)動(dòng)。第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)用潛艇擊沉盟國(guó)幾千艘艦船，使得許多科學(xué)家致力于研究發(fā)現(xiàn)水下障礙和潛艇的聲納技術(shù)。蝙蝠利用超聲導(dǎo)航人們受到啟示聲納探測(cè)海深、海底暗礁等探測(cè)魚群、潛艇位置等繪水下數(shù)千米地形圖

仿生學(xué)第三節(jié)超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用1945年美國(guó)利用自己研制的超聲波探傷儀進(jìn)行工業(yè)探傷實(shí)驗(yàn)。英國(guó)格拉斯哥重工業(yè)基地的工程師正在利用超聲進(jìn)行探傷實(shí)驗(yàn)1950年英國(guó)都奈得開(kāi)始A超研究,這是卵巢囊腫A型掃描軌跡過(guò)渡到醫(yī)學(xué)應(yīng)用A超1956年豪馬斯和哈瑞在一個(gè)水槽中進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像實(shí)驗(yàn)，獲得軟組織圖像。B超A型B型2維實(shí)時(shí)3維、4維M型D型成為探查軟組織的主要技術(shù)，其分辨率較CT高100倍小型、安全光點(diǎn)顯示，采用時(shí)間展開(kāi)，形成曲線-----超聲心動(dòng)圖幅度調(diào)制----一維信息亮度顯示----二維信息

Doppler，散射回聲，提取多普勒頻移形成頻譜顯示。一、超聲波的物理特性1.傳播特性

方向性好

傳播過(guò)程中衍射不明顯，能像光線一樣直線傳播，易于做到會(huì)聚或發(fā)散。

強(qiáng)度高

在同樣振幅和介質(zhì)條件下，因聲強(qiáng)與頻率的平方成正比，超聲波比普通聲波具有更大的能量。

能在固體與液體中傳播，但空氣中衰減嚴(yán)重。

在不同介質(zhì)分界面上有顯著的反射。2.超聲對(duì)物質(zhì)的作用

機(jī)械作用

超聲波強(qiáng)度高，既能迫使物質(zhì)粒子作高頻機(jī)械振動(dòng)，還能在波的傳播方向產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的靜壓強(qiáng)（輻射壓強(qiáng)），會(huì)破壞物質(zhì)的力學(xué)結(jié)構(gòu)?？纱俪梢后w的乳化、凝膠的液化和固體的分散。應(yīng)用：擊碎、攪拌、凝聚。

霧化、焊接、鉆孔、清洗和除塵等。

頻率愈高，物質(zhì)吸收愈強(qiáng)，熱效應(yīng)愈顯著。在流體與固體分界面或流體與懸浮粒子分界面上，超聲能量更加容易轉(zhuǎn)換成熱能，造成局部高溫，甚至產(chǎn)生電離效應(yīng)。

應(yīng)用：超聲理療儀；腫瘤治療熱源。

熱作用

當(dāng)超聲波照射到某種介質(zhì)時(shí)，部分能量能被吸收而轉(zhuǎn)換為熱能，介質(zhì)溫度上升。

空化作用應(yīng)用：清洗、霧化、乳化等。超聲波傳播壓縮區(qū)/稀疏區(qū)壓強(qiáng)差/拉力介質(zhì)撕裂/拉斷形成微小空腔機(jī)械作用、熱作用局部數(shù)千度高溫局部數(shù)千大氣壓放電、發(fā)光現(xiàn)象3.超聲的其它應(yīng)用聲納探測(cè)儀超聲波診斷儀超聲波速度測(cè)定器超聲波清洗器超聲波焊接器超聲波手槍二、超聲波的產(chǎn)生與探測(cè)

超聲探測(cè)采用材料正壓電效應(yīng)，將人體中的聲壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?。正壓電效?yīng)-----壓電晶體受到壓力或拉力作用，晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生等量異號(hào)電荷的現(xiàn)象。逆壓電效應(yīng)-----給壓電晶體兩表面施加電壓，晶體厚度隨電場(chǎng)方向改變而增加或減少的現(xiàn)象。

超聲發(fā)射換能器采用了逆正壓電效應(yīng)，將電壓轉(zhuǎn)化為聲壓，并向人體發(fā)射。

超聲波產(chǎn)生與接收

當(dāng)給壓電材料加上高頻交變電壓時(shí)，壓電材料就處于高頻交變電場(chǎng)中，它的薄厚就會(huì)隨電場(chǎng)的頻率而發(fā)生伸縮變化，從而在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波。

當(dāng)從人體中反射回來(lái)的超聲波傳到超聲探頭時(shí)，會(huì)將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，完成接收。高頻信號(hào)發(fā)生器壓電材料三、超聲波的分辨率分辨力-----辨別兩種物體（組織、目標(biāo)）的能力。

把顯示屏上恰能區(qū)分相鄰兩個(gè)靶點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的探測(cè)目標(biāo)之間的實(shí)際距離叫做該儀器的分辨率；而把分辨率的倒數(shù)稱作分辨力。

橫向(方位)分辨力-----垂直于聲束橫斷面方位掃描的分辨力。影響因素：波束的（空間）寬度。

縱向(距離)分辨力----沿波束軸線方向的分辨力。影響因素：超聲脈沖的（時(shí)間）寬度

。第四節(jié)次聲波及其軍事應(yīng)用

頻率在10－4～20Hz之間，屬于機(jī)械波，在傳播速度、散射、反射以及吸收等，遵守聲波規(guī)律。1.次聲波的特性

傳播速度和可聞聲波相同；

衰減小大氣吸收、熱傳導(dǎo)、粘滯效應(yīng)、大氣的湍流影響小。

穿透能力極強(qiáng)

能穿透土壤、飛機(jī)機(jī)體、艦艇殼件、坦克車體及鋼筋混凝土構(gòu)體。7Hz穿透十幾米鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。2.次聲波的生物效應(yīng)

導(dǎo)致人體的平衡感覺(jué)能力下降

對(duì)神經(jīng)、聽(tīng)覺(jué)、內(nèi)分泌等系統(tǒng)都有一定的影響

強(qiáng)次聲作用能使人煩躁不安

導(dǎo)致聽(tīng)覺(jué)損傷（耳鳴、耳痛、聽(tīng)閾增高、鼓膜損傷）

引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)障礙，產(chǎn)生頭暈、惡心、恐慌、疲乏等癥狀主要影響3.次聲的軍事應(yīng)用

次聲武器就是把大功率的次聲波定向輻射以達(dá)到損傷敵人的目的。

引起頭痛、眩暈、煩躁、精神恍惚、定向能力差，甚至神經(jīng)錯(cuò)亂或喪失知覺(jué)。部位頭部胸腔心臟軀體盆腔腹部頻率(Hz)8-124-657-1366-9國(guó)外醫(yī)學(xué)學(xué)·

物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)學(xué)分冊(cè)1999年第19卷第1期-陳景藻原理：吸收效應(yīng)和共振**人體器官固有頻率：①0.01-20Hz；②3-17Hz

神經(jīng)型次聲武器

內(nèi)臟型次聲武器