物理學第四章第1頁，課件共67頁，創作于2023年2月掌握:概念：聲波、聲壓、聲特性阻抗、聲強、聲強級、響度級公式：多普勒效應及公式的應用熟悉聽閾和聽閾曲線痛閾和痛閾曲線聽覺區域了解超聲波的特性及其生物效應，脈沖超聲波的產生與探測；超聲波成像的基本原理；超聲在醫學中的應用。教學大綱第2頁，課件共67頁，創作于2023年2月次聲波(Infrasonicwave)：頻率低于20Ｈz超聲波(Ultrasonicwave)：頻率高于20000Ｈz聲波：頻率在20Ｈz—20000Ｈz之間的機械波(縱波），能引起人的聽覺。第3頁，課件共67頁，創作于2023年2月次聲波如火山爆發、地震、大氣湍流等都有次聲波產生.特點：頻率低、能量損失少、穿透能力強。某些動物的信息交流也采用次聲波.軍事上有次聲彈.超聲波在醫學的治療與診斷當中有重要的應用.第4頁，課件共67頁，創作于2023年2月一、聲壓聲壓：在某一時刻，介質中某一點的壓強與無聲波通過時的壓強之差:聲壓幅值：Px單位：N·m-2有效聲壓：(實際中測量值)簡諧聲波的聲壓表達式:第5頁，課件共67頁，創作于2023年2月聲波在空氣中以縱波的形式傳播:聲壓方程第6頁，課件共67頁，創作于2023年2月二.聲特性阻抗介質質點振動速度幅值：

單位：或是表征介質聲學特性的一個物理量。聲特性阻抗：聲壓幅值Pm與速度幅值

之比?；?瑞利第7頁，課件共67頁，創作于2023年2月幾種介質的聲速和聲阻抗介質聲速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、高聲阻抗第8頁，課件共67頁，創作于2023年2月三.聲強（聲波的強度）聲強：單位時間內通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量.單位：J﹒s-1﹒m-2=W﹒m-2描寫聲場的物理量第9頁，課件共67頁，創作于2023年2月聽覺區域：引起人耳聽覺的聲波:與頻率有關（聲調）（20--20kHz）與聲強有關（響度）（10-12--1W/m2）聽閾：能引起聽覺的最低聲強（最低可聞聲強）.如：1000Hz的聽閾為10-12W/m2痛閾：人耳能忍受的最高聲強.如：1000Hz的聽閾為1W/m2第二節聲強級與響度級第10頁，課件共67頁，創作于2023年2月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聲強聲強級（W/m2）（dB）頻率（HZ）第11頁，課件共67頁，創作于2023年2月一、聲強級標準參考聲強：I0=10-12W/m2聲強級：單位：貝爾（B）單位：分貝（dB）1B=10dB1000HZ的聽覺區域：L=0

~12BL=0

~120

dB聲強每增加10倍，人耳聽覺才改變1倍左右；(采用對數來表示聲強的等級)

定義P67第12頁，課件共67頁，創作于2023年2月聽域：痛域:第13頁，課件共67頁，創作于2023年2月聲源種類聲強（W/m2）聲強（dB）幾乎不能察覺的聲音10-120樹葉的沙沙聲10-1110耳語10-1020醫院10-830鬧市10-6~10-560~70地鐵或汽車10-390噴氣飛機103140火箭發射場106170幾種聲音的聲強和聲強級第14頁，課件共67頁，創作于2023年2月解：①∵I1=I=10-7W/m2，I0=10-12W/m2②∵I2=2I

∴∴（dB）（dB）聲強具有可加性，而聲強級不能直接相加例題1、某馬達開動時產生的噪聲聲強為10-7W/m2，求①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，其噪聲聲強級為多少dB？第15頁，課件共67頁，創作于2023年2月同聲強級但人耳的聽覺不同,為此引入一個新概念---第16頁，課件共67頁，創作于2023年2月二、響度級：人耳主觀感覺到的聲音的響亮程度。等響曲線：響度級(單位：方）①1000HZ純音響度級與聲強級(dB)數值相同②同一等響曲線具有相同的響度級在聽覺域中把不同頻率、不同聲強，但響度相同的點連成一條曲線.響度相同的聲音具有相同的響度級。20100

1K2K5K10K聲強（W/m2）110-210-410-610-810-1010-12聲強級(dB)020406080100120聽閾痛閾0方20方40方60方80方100方120方第17頁，課件共67頁，創作于2023年2月例題面積為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級為80dB，則每秒鐘傳入窗口聲波的能量為（）J，若街中有兩個頻率為1000Hz的聲源在窗口的聲強級各為80dB，則這兩個聲源同時傳到窗口的響度級為（）方。I0=10-12w/m2I=10-4w/m2E=I.t.s第18頁，課件共67頁，創作于2023年2月總結:主要內容波動方程及其物理意義,聲波,聲壓,聲阻抗,聲強,聲強級,響度級.第19頁，課件共67頁，創作于2023年2月第三節多普勒效應（Dopplereffect)*多普勒效應：因波源或觀測者相對介質運動，而使觀測頻率與波源頻率不同的現象。第20頁，課件共67頁，創作于2023年2月一、多普勒效應的定量研究觀察者OS波源u波相對于介質的速度為u(波速）波源的速度為：周期、頻率分別為觀察者速度：觀察者接受到的頻率為：第21頁，課件共67頁，創作于2023年2月1.波源與觀察者均相對媒質靜止:t時刻的波陣面t+1秒時刻的波陣面u接收的頻率就是波源振動的頻率.第22頁，課件共67頁，創作于2023年2月2波源不動，觀察者相對介質以速度運動第23頁，課件共67頁，創作于2023年2月接收頻率提高！A）觀察者朝向波源運動(頻率-每秒波前進距離中完整波的數目)ut+1秒時刻的波陣面t時刻的波陣面第24頁，課件共67頁，創作于2023年2月B）觀察者遠離波源運動接收頻率降低！t+1秒時刻的波陣面t時刻的波陣面u第25頁，課件共67頁，創作于2023年2月3觀察者不動，波源相對介質以速度運動第26頁，課件共67頁，創作于2023年2月波源運動時，波的頻率不再等于波源的頻率。這是由于當波源運動時，它所發出的相鄰的兩個同相振動狀態是在不同地點發出的，這兩個地點相隔的距離為VSTS，TS為波源的周期。yy第27頁，課件共67頁，創作于2023年2月A）波源朝向觀察者以速度運動ut時刻的波陣面t+1秒時刻的波陣面接收頻增高！yy第28頁，課件共67頁，創作于2023年2月t時刻的波陣面ut+1秒時刻的波陣面B）波源遠離觀察者以速度運動接收頻率降低！yy第29頁，課件共67頁，創作于2023年2月4波源與觀察者同時相對介質運動ut時刻的波陣面t+1秒時刻的波陣面接收頻率增高！A）波源與接收者相互靠近第30頁，課件共67頁，創作于2023年2月B）波源與接收者相互遠離ut時刻的波陣面t+1秒時刻的波陣面接收頻率降低！第31頁，課件共67頁，創作于2023年2月其中：二者相互靠近二者相互遠離取正值代入取負值代入波源觀測者＞0＜0＞0＜0公式歸納：波源和觀測者運動方向與波傳播方向共線。第32頁，課件共67頁，創作于2023年2月多普勒效應不僅僅適用于聲波,它也適用于所有類型的波,包括光波、電磁波?？茖W家哈勃EdwinHubble使用多普勒效應得出宇宙正在膨脹的結論。他發現遠離銀河系的天體發射的光線頻率變低,即移向光譜的紅端，稱為紅移，天體距離越遠紅移越大，這說明這些天體在遠離銀河系。反之，如果天體正移向銀河系,則光線會發生藍移。

第33頁，課件共67頁，創作于2023年2月波源觀測者αβ頻移多普勒頻移：由多普勒效應引起的接收頻率與發射頻率之差.如果

和

不在聲源和觀測者的連線上，應把

和

在連線上的分量代入上式：第34頁，課件共67頁，創作于2023年2月--------------應用多普勒效應測量物體運動速度u波源接收器運動物體V入射線反射線υ0υ``D超(超聲多普勒血流儀)超聲多普勒效應測血流速度第35頁，課件共67頁，創作于2023年2月運動物體B接收到的頻率為：R接收到的頻率為：對入射過程（發射超聲）：運動物體速度V在連線上的投影分量為

υcosα1,對反射過程（接收超聲）：運動物體速度V在連線上的投影分量為

υcos(π-α2),υoυ’’υ’第36頁，課件共67頁，創作于2023年2月頻移

當A與R合一時，1=2=物體運動速度：彩色多普勒儀用于檢測心腔及血管內血流。都具有B型、M型、連續波、脈沖波多普勒功能第37頁，課件共67頁，創作于2023年2月補充例題1、當一列火車以96km/h的速度由你身邊開過，同時用2kHZ的頻率鳴笛時，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，vs=96km/h=26.7m/s，②火車離你而去時，vs

=-96km/h=-26.7m/s，(HZ)(HZ)第38頁，課件共67頁，創作于2023年2月2、蝙蝠在飛行中是利用超聲脈沖導航的。假設蝙蝠發射超聲脈沖的頻率為39000Hz，在一次朝著豎直的墻壁飛行時，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第39頁，課件共67頁，創作于2023年2月（1）首先，聲源向墻面（靜止）運動，墻面接收到的頻率為：第40頁，課件共67頁，創作于2023年2月（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，向車上的觀察者發出新的聲波。車上的觀察者接收到的頻率為：第41頁，課件共67頁，創作于2023年2月1）測量天體相對地球的視線速度:遠處星體發光有紅移現象---宇宙大爆炸由紅移可得恒星的退行速度.四、多普勒效應的應用2）技術上，測量運動物體的視線速度:如飛機接近雷達的速度、汽車的行駛速度、人造衛星的跟蹤、流體的流速。第42頁，課件共67頁，創作于2023年2月例：利用多普勒效應監測汽車行駛的速度。一固定波源發出頻率為100kHz的超聲波，當汽車迎著波源駛來時，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，此時波源是靜止的，汽車作為觀察者迎著波源運動。2.波從汽車表面反射回來，此時汽車作為波源向著接收器運動，汽車發出的波的頻率即是它接收到的頻率。警察用多普勒測速儀測速第43頁，課件共67頁，創作于2023年2月一、超聲波的特性（波長越短，傳播的方向性越好）(3)穿透本領大（能量集中）(4)反射顯著第四節超聲波及其醫學應用(1)傳播的方向性好近場區遠場區(2)強度高（聲強大）1.超聲波的傳播特性第44頁，課件共67頁，創作于2023年2月2.超聲波與物質作用的特性(2)機械作用(3)空化作用(1)熱作用（乳化、霧化、碎石。）（局部加熱）Px第45頁，課件共67頁，創作于2023年2月二、超聲波的產生壓電式換能器FF壓電晶體:正壓電效應:逆壓電效應:高頻脈沖發生器探頭發射超聲波

接收超聲波

第46頁，課件共67頁，創作于2023年2月石英（SiO2)晶體壓電模型(a)不受力時；(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。第47頁，課件共67頁，創作于2023年2月三、超聲波成像的基本原理u超聲來回傳播時間tu超聲波測距原理:探頭物體超聲發生器超聲接收器L第48頁，課件共67頁，創作于2023年2月1.A型超聲診斷儀（A超）Amplitude探頭L屬一維超聲、回聲強度以振幅顯示、探頭由單晶片構成，主要用于腹部、頭顱、眼、胸腔等檢查，現多已淘汰。(振幅高度)代表回聲強度、X軸代表深度第49頁，課件共67頁，創作于2023年2月（1）機械掃描：由單個晶片擺動或三個晶片轉動掃描，探頭內晶片由微電機帶動，作扇形掃描、圖像呈扇面形。（2）電子掃描儀：探頭內有多數晶片構成。①線陣：由數百個小晶片、排列成線形。②凸陣：由數百小晶片排成弧形。③相控陣：由32-64個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代高分辯力、高靈敏度B超都具有實時（realtime）顯像，顯示動態圖像、動態聚集功能，橫向分辨力達2-3mm。采用數字掃描轉換器增加了很多附加功能。如圖像處理，圖像輪廓增強，探頭位置顯示、字符顯示、局部放大、停幀、拼幅、電子標尺，面積及心功能自動顯示。2.B型超聲診斷儀（B超）Brightness

第50頁，課件共67頁，創作于2023年2月

B型超聲診斷儀探頭熒光屏B型：以二維、光點顯示。第51頁，課件共67頁，創作于2023年2月3.M型超聲診斷儀（M超）Motion

探頭熒光屏t一維、光點顯示、光點的亮度代表回聲強弱、探頭為單晶片，用于心臟、胎心、血管檢查、顯示心臟、血管結構的活動規跡曲線圖又稱M型超聲心動圖。第52頁，課件共67頁，創作于2023年2月--------------應用多普勒效應測量物體運動速度u波源接收器運動物體V入射線反射線υ0υ``4.D超(超聲多普勒血流儀)超聲多普勒效應測血流速度第53頁，課件共67頁，創作于2023年2月運動物體B接收到的頻率為：R接收到的頻率為：對入射過程（發射超聲）：運動物體速度V在連線上的投影分量為

υcosα1,對反射過程（接收超聲）：運動物體速度V在連線上的投影分量為

υcos(π-α2),υoυ’’υ’第54頁，課件共67頁，創作于2023年2月頻移

當A與R合一時，1=2=物體運動速度：彩色多普勒儀用于檢測心腔及血管內血流。都具有B型、M型、連續波、脈沖波多普勒功能第55頁，課件共67頁，創作于2023年2月

超聲成像超聲成像具有實時性好、無損傷、無痛苦，以及低成本等獨特優點近年來，超聲成像在彩色血流測量技術、三維超聲等方面的發展特別引人注目彩色多普勒血流成像系統（通常稱為彩超）是一種能同時顯示B型圖像和多普勒血流數據（血流方向、流速、流速分布）的雙重超聲掃描系統，可以得到彩色多普勒血流圖（ColorFlowMapping,CFM）三維超聲圖像的重建