物理学第四章幻灯片.ppt
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1、物理学第四章第1页,共67页,编辑于2022年,星期一掌握掌握:概念:声波、声压、声特性阻抗、声强、概念:声波、声压、声特性阻抗、声强、声强级、响度级声强级、响度级 公式:多普勒效应及公式的应用公式:多普勒效应及公式的应用熟悉熟悉 听阈和听阈曲线听阈和听阈曲线 痛阈和痛阈曲线痛阈和痛阈曲线 听觉区域听觉区域了解了解 超声波的特性及其生物效应,脉冲超声波的超声波的特性及其生物效应,脉冲超声波的产生与探测;超声波成像的基本原理;超声在医学产生与探测;超声波成像的基本原理;超声在医学中的应用。中的应用。教教 学学 大大 纲纲第2页,共67页,编辑于2022年,星期一次声波次声波(Infrasonic
2、 wave):频率低于频率低于20z超声波超声波(Ultrasonic wave):频率高于频率高于20000z声波:声波:频率在频率在20z20000z之间之间 的机械波的机械波(纵波),能引起人的听觉。纵波),能引起人的听觉。第3页,共67页,编辑于2022年,星期一次声波次声波 如火山爆发、地震、大气湍流等都有次声波产生如火山爆发、地震、大气湍流等都有次声波产生.特点:频率低、能量损失少、穿透能力强。特点:频率低、能量损失少、穿透能力强。某些动物的信息交流也采用次声波某些动物的信息交流也采用次声波.军事上有次声弹军事上有次声弹.超声波在医学的治疗与诊断当中有重要的应用超声波在医学的治疗与
3、诊断当中有重要的应用.第4页,共67页,编辑于2022年,星期一一、声压一、声压声压:声压:在某一时刻,介质中某一点的压强与无声波通过时的在某一时刻,介质中某一点的压强与无声波通过时的压强之差压强之差:声压幅值:声压幅值:Px单位:单位:Nm-2有效声压:有效声压:(实际中测量值实际中测量值)简谐声波的声压表达式简谐声波的声压表达式:第5页,共67页,编辑于2022年,星期一声波在空气中以纵声波在空气中以纵波的形式传播波的形式传播:声压方程声压方程第6页,共67页,编辑于2022年,星期一二二.声特性阻抗声特性阻抗介质质点振动速度幅值:介质质点振动速度幅值:单位:单位:或或是表征是表征介介质声
4、学特性的一个物理量质声学特性的一个物理量。声特性阻抗声特性阻抗:声压幅值声压幅值Pm与速度幅值与速度幅值 之比。之比。或或 1瑞利瑞利第7页,共67页,编辑于2022年,星期一几种介质的声速和声阻抗几种介质的声速和声阻抗介质声速 u(m/s)密度(kg/m3)声阻抗u(kg/m2s)空气(0)3.321021.294.28102空气(20)3.441021.214.16102水(20)14.8102988.21.48106脂肪14.01029701.36106肌肉15.710210401.63106密质骨36.010217006.12106钢50.5102780039.4106人体组织可分为:
5、低人体组织可分为:低声阻抗、声阻抗、中等中等声阻抗、声阻抗、高高声阻抗声阻抗第8页,共67页,编辑于2022年,星期一三三.声强(声波的强度)声强(声波的强度)声强:声强:单位时间内通过垂直于声波传播方向的单单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量位面积的声波能量.单位:单位:Js-1 m-2=W m-2描写声场描写声场的物理量的物理量第9页,共67页,编辑于2022年,星期一听觉区域:听觉区域:引起人耳听觉的声波引起人耳听觉的声波:与与频率频率有关(声调)有关(声调)(20-20 kHz)与与声强声强有关(响度)有关(响度)(10-12-1 W/m2)听阈:听阈:能引起听觉的最低
6、声强(最低可闻声强)能引起听觉的最低声强(最低可闻声强).如:如:1000Hz的听阈为的听阈为10-12 W/m2痛阈:痛阈:人耳能忍受的最高声强人耳能忍受的最高声强.如:如:1000Hz的听阈为的听阈为1 W/m2第二节第二节 声强级与响度级声强级与响度级第10页,共67页,编辑于2022年,星期一听阈曲线和痛阈曲线听阈曲线和痛阈曲线痛阈痛阈听阈听阈听觉域听觉域1000HZ的听觉域:的听觉域:I=10-12 100 W/m2 声声强强声声强强级级(W/m2)(dB)频率频率(HZ)第11页,共67页,编辑于2022年,星期一一、声强级一、声强级标准参考声强:标准参考声强:I0=10-12W/
7、m2声强级:声强级:单位:贝尔(单位:贝尔(B)单位:分贝(单位:分贝(dB)1B=10dB1000HZ的听觉区域:的听觉区域:L=0 12 BL=0 120 dB 声强每增加声强每增加10倍,人耳听觉才改变倍,人耳听觉才改变1倍左右;倍左右;(采用对数来表示声强的等级采用对数来表示声强的等级)定义定义P67第12页,共67页,编辑于2022年,星期一听域:听域:痛域痛域:第13页,共67页,编辑于2022年,星期一 声源种类声强(W/m2)声强(dB)几乎不能察觉的声音 10-12 0 树叶的沙沙声 10-11 10 耳语 10-10 20 医院 10-8 30 闹市 10-6 10-5 6
8、070 地铁或汽车 10-3 90 喷气飞机 103 140 火箭发射场 106 170几种声音的声强和声强级几种声音的声强和声强级第14页,共67页,编辑于2022年,星期一解:解:I1=I=10-7 W/m2,I0=10-12 W/m2 I2=2 I(dB)(dB)声强具有可加性,而声强级不能直接相加声强具有可加性,而声强级不能直接相加例题例题1、某马达开动时产生的噪声声强为、某马达开动时产生的噪声声强为107 W/m2,求,求开开动一台马达,其噪声声强级为多少动一台马达,其噪声声强级为多少dB?同时开同时开动两台马达,其噪声声强级为多少动两台马达,其噪声声强级为多少dB?第15页,共67
9、页,编辑于2022年,星期一同声强级但人耳的听觉不同同声强级但人耳的听觉不同,为此引入一个新概念为此引入一个新概念第16页,共67页,编辑于2022年,星期一二、响度级:二、响度级:人耳主观感觉到的声音的响亮程度人耳主观感觉到的声音的响亮程度。等响曲线:等响曲线:响度级响度级(单位:方)单位:方)1000HZ纯音响度级与声强级纯音响度级与声强级(dB)数值相同数值相同同一等响曲线具有相同的响度级同一等响曲线具有相同的响度级在听觉域中把不同在听觉域中把不同频率、不同声强,频率、不同声强,但但响度相同响度相同的点连成的点连成一条曲线一条曲线.响度相同的声音具有相同的响度级响度相同的声音具有相同的响
10、度级。20 100 1K 2K 5K 10K声强声强(W/m2)110-210-410-610-810-1010-12声声强强级级(dB)020406080100120听阈听阈痛阈痛阈0方方20方方40方方60方方80方方100方方120方方第17页,共67页,编辑于2022年,星期一例题例题 面积为面积为1平方米的窗户开向街道,街中有频率为平方米的窗户开向街道,街中有频率为1000Hz的声源在窗口的声源在窗口 的声强级为的声强级为80 dB,则每秒钟传入,则每秒钟传入窗口声波的能量为(窗口声波的能量为()J,若街中有两个频率为,若街中有两个频率为1000Hz的声源在窗口的声源在窗口 的声强级
11、各为的声强级各为80 dB,则这两个声,则这两个声源同时传到窗口的响度源同时传到窗口的响度 级级 为为()方。)方。I0=10-12w/m2I=10-4w/m2E=I.t.s第18页,共67页,编辑于2022年,星期一总结总结:主要内容主要内容波动方程及其物理意义波动方程及其物理意义,声波声波,声压声压,声阻抗声阻抗,声强声强,声强级声强级,响度级响度级.第19页,共67页,编辑于2022年,星期一第三节第三节第三节第三节 多普勒效应多普勒效应多普勒效应多普勒效应(Doppler effect)*多普勒效应:因波源或观测者相对介质运动,多普勒效应:因波源或观测者相对介质运动,而使观测频率与波源
12、频率不同的现象。而使观测频率与波源频率不同的现象。第20页,共67页,编辑于2022年,星期一一、多普勒效应一、多普勒效应的定量研究的定量研究观察者观察者OS波源波源u波相对于介质的速度为波相对于介质的速度为u(波速)波速)波源的速度为:波源的速度为:周期、频率分别为周期、频率分别为观察者速度:观察者速度:观察者接受到的频率为:观察者接受到的频率为:第21页,共67页,编辑于2022年,星期一1.1.波源与观察者均相对媒质静止波源与观察者均相对媒质静止:t时刻的波阵面时刻的波阵面t+1秒时刻的波阵面秒时刻的波阵面u接收的频率就是波接收的频率就是波源振动的频率源振动的频率.第22页,共67页,编
13、辑于2022年,星期一2 波源不动,观察者相对介质以速度波源不动,观察者相对介质以速度 运动运动第23页,共67页,编辑于2022年,星期一接收频率提高!接收频率提高!A A)观察者朝向波源运动)观察者朝向波源运动(频率频率-每秒波前进每秒波前进距离中完整波的数目距离中完整波的数目)u ut+t+1 1秒时刻秒时刻的波阵面的波阵面t t时刻的波阵面时刻的波阵面第24页,共67页,编辑于2022年,星期一B B)观察者远离波源运动)观察者远离波源运动接收频率降低!接收频率降低!t+t+1 1秒时刻秒时刻的波阵面的波阵面t t时刻的波阵面时刻的波阵面u u第25页,共67页,编辑于2022年,星期
14、一3 观察者不动,波源相对介质以速度观察者不动,波源相对介质以速度 运动运动第26页,共67页,编辑于2022年,星期一波波源源运运动动时时,波波的的频频率率不不再再等等于于波波源源的的频频率率。这这是是由由于于当当波波源源运运动动时时,它它所所发发出出的的相相邻邻的的两两个个同同相相振振动动状状态态是是在在不不同同地地点点发发出出的的,这这两两个个地地点点相相隔隔的的距距离离为为V VS ST TS S,T TS S为为波波源源的周期。的周期。y yy y第27页,共67页,编辑于2022年,星期一A A)波源朝向观察者以速度)波源朝向观察者以速度 运动运动u ut t时刻的波阵面时刻的波阵
15、面t+t+1 1秒时刻秒时刻的波阵面的波阵面接收频增高!接收频增高!y yy y第28页,共67页,编辑于2022年,星期一t t时刻的波阵面时刻的波阵面u ut+t+1 1秒时刻秒时刻的波阵面的波阵面B B)波源远离观察者以速度)波源远离观察者以速度 运动运动接收频率降低!接收频率降低!y yy y第29页,共67页,编辑于2022年,星期一4 波源与观察者同时相对介质运动波源与观察者同时相对介质运动u ut t时刻的波阵面时刻的波阵面t+t+1 1秒时刻秒时刻的波阵面的波阵面接收频率增高!接收频率增高!A A)波源与接收者相互靠近)波源与接收者相互靠近第30页,共67页,编辑于2022年,
16、星期一B B)波源与接收者相互远离)波源与接收者相互远离u ut t时刻的波阵面时刻的波阵面t+t+1 1秒时刻秒时刻的波阵面的波阵面接收频率降低!接收频率降低!第31页,共67页,编辑于2022年,星期一其中:其中:二者相互靠近二者相互靠近二者相互远离二者相互远离取正值代入取正值代入取负值代入取负值代入波源波源观测者观测者0000公式归纳:公式归纳:波源和观测者运动方向与波传播方向共线。波源和观测者运动方向与波传播方向共线。第32页,共67页,编辑于2022年,星期一多普勒效应多普勒效应不仅仅适用于声波不仅仅适用于声波,它也适用于所它也适用于所有类型的波有类型的波,包括包括光波、电磁波光波、
17、电磁波。科学家。科学家哈勃哈勃Edwin HubbleEdwin Hubble使用多普勒效应得出使用多普勒效应得出宇宙正在膨宇宙正在膨胀的结论胀的结论。他发现远离银河系的天体发射的光。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低线频率变低,即移向光谱的红端,称为即移向光谱的红端,称为红移红移,天,天体距离越远红移越大,这说明这些天体在远离银体距离越远红移越大,这说明这些天体在远离银河系。反之,如果天体正移向银河系河系。反之,如果天体正移向银河系,则光线会发则光线会发生生蓝移蓝移。第33页,共67页,编辑于2022年,星期一波源波源观测者观测者频移频移多普勒频移多普勒频移:由多普勒效应引起的接收频率
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