医用物理学第四章--声波ppt.ppt

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1、第四章第四章 声波声波(Sound wave)次声波次声波(Infrasonic wave)：频率低于频率低于z的声波。的声波。超声波超声波(Ultrasonic wave)：频率高于频率高于0z的声波的声波。声波：声波：频率频率()在在0z0z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。2.次声波次声波 特点：频率低、能量损失少。特点：频率低、能量损失少。与地球、海洋及大气的大规模运动有关。如火山爆发、地震、与地球、海洋及大气的大规模运动有关。如火山爆发、地震、大气湍流等都有次声波产生大气湍流等都有次声波产生第四章第四章 声波声波一、声压与声强一、声压与声强声

2、波在空气中以纵波的形式传播声波在空气中以纵波的形式传播1.声压：在某一时刻，介质中某一点的压强与声压：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无声波通过时的压强之差声压幅值：声压幅值：Px单位：单位：Nm-22.声阻抗声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：kgm-2 s-1是表征介质声学特性的一个物理量是表征介质声学特性的一个物理量。声阻抗声阻抗：声压幅值声压幅值Pm与速度幅值与速度幅值Vm之比。之比。第四章第四章 声波声波几种介质的声速和声阻抗几种介质的声速和声阻抗介质介质声速声速 u(m/s)密度密度(kg/m3)声阻抗声阻抗u(kg/m2s)空气空气

3、(0)3.321021.294.28102空气空气(20)3.441021.214.16102水水(20)14.8102988.21.48106脂肪脂肪14.01029701.36106肌肉肌肉15.710210401.63106密质骨密质骨36.010217006.12106钢钢50.5102780039.4106声波可在气、液、固中传播声波可在气、液、固中传播。第四章第四章 声波声波3.声强声强声强：单位时间内通过垂直于声波传播声强：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方向的单位面积的声波能量单位：单位：Js-1 m-2=W m-2（声波的强度）（声波的强度）I 与与Pm2

4、成正比，成正比，I与与Z反比反比第四章第四章 声波声波强度反射系数：强度反射系数：Z1Z2IiIrIt设入射波强度：设入射波强度：Ii反射波强度：反射波强度：Ir透射波强度：透射波强度：It强度透射系数：强度透射系数：反射与折射反射与折射第四章第四章 声波声波例题例题如果超声波经由空气传入人体，问进入人体的声如果超声波经由空气传入人体，问进入人体的声波强度是入射前强度的百分之几？如果经由蓖麻油波强度是入射前强度的百分之几？如果经由蓖麻油（Z=1.36106kg/m2s）传入，则进入声波的强度又是）传入，则进入声波的强度又是入射前强度的百分之几？入射前强度的百分之几？解：解：Z1=0.00041

5、06kg/m2,Z2=1.63106kg/m2第四章第四章 声波声波例题例题如果超声波经由空气传入人体，问进入人体的声如果超声波经由空气传入人体，问进入人体的声波强度是入射前强度的百分之几？如果经由蓖麻油波强度是入射前强度的百分之几？如果经由蓖麻油（Z=1.36106kg/m2s）传入，则进入声波的强度又是）传入，则进入声波的强度又是入射前强度的百分之几？入射前强度的百分之几？解：解：Z1=1.36106kg/m2,Z2=1.63106kg/m2第四章第四章 声波声波讨论：讨论：（1）当Z1 Z2时，Ir 0;It Ii 超声临床诊断：石腊油。IiItZ1Z2IiZ1Z2(2)当Z1 Z2时,

6、Ir Ii;It 0。Ir一、听觉区域一、听觉区域引起人耳听觉的声波引起人耳听觉的声波与频率有关（声调）与频率有关（声调）（20-20 kHz）与声强有关（响度）与声强有关（响度）（10-12-1 W/m2）听阈：能引起听觉的最小声强剌激量（最低可闻声强）听阈：能引起听觉的最小声强剌激量（最低可闻声强）如：如：1000Hz的听阈为的听阈为10-12 W/m2痛阈：人耳可容忍的最大声强剌激量。痛阈：人耳可容忍的最大声强剌激量。如：如：1000Hz的听阈为的听阈为1 W/m2第二节、声强级与响度级第二节、声强级与响度级听阈曲线和痛阈曲线听阈曲线和痛阈曲线痛阈痛阈曲线曲线听阈听阈曲线曲线听觉区域听觉

7、区域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）频率在频率在20-20,000Hz 以外的声波，无论声以外的声波，无论声强多少强多少,人耳都听不见人耳都听不见频率在频率在20-20000Hz以内以内的声波，只有声强适度的声波，只有声强适度,才能引起人耳听觉才能引起人耳听觉二、声强级二、声强级标准参考声强：标准参考声强：I0=10-12W/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的听觉域：的听觉域：L=0 12 BL=0 120 dB 声强每增加声强每增加

8、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)声源种类声源种类声强（W/m2）声强（dB）几乎不能察觉的声音几乎不能察觉的声音 10-12 0 树叶的沙沙声树叶的沙沙声 10-11 10 耳语耳语 10-10 20 医院医院 10-8 30 闹市闹市 10-6 10-5 6070 地铁或汽车地铁或汽车 10-3 90 喷气飞机喷气飞机 103 140 火箭发射场火箭发射场 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10-7 W/m2，求求开动一台

9、马达，其噪声声强级为多少开动一台马达，其噪声声强级为多少dB？同时同时开动两台马达，其噪声声强级为多少开动两台马达，其噪声声强级为多少dB？解：解：I1=I=10-7 W/m2，I0=10-12 W/m2 I2=2 I（dB）（dB）注意:p67声强具有可加性，而声强级不能直接相加三、响度级：三、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：旧单位：旧单位：新单位：方新单位：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频在听觉域中把不

10、同频率、不同声强率、不同声强,响度相响度相同的点连成一条曲线同的点连成一条曲线.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度级。听阈曲线听阈曲线痛阈曲线痛阈曲线0方方60方方120方方例题例题 面积为面积为1平方米的窗户开向街道，街中有频率平方米的窗户开向街道，街中有频率为为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，则每秒钟传入窗口声波的能量为（钟传入窗口声波的能量为（）J，若街中有频率为，若街中有频率为1000Hz的声源在窗口的声源在窗口 的声强级各为的声强级各为80 dB，则这两，则这两个声源同时传到窗口的响度个声源同时传到窗口的响度 级级

11、 为为（）方。）方。I0=10-12w/m2I=10-4w/m2E=I.t.s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*多普勒效应：因波源或观测者相对介质运多普勒效应：因波源或观测者相对介质运动，而使观测频率与波源频率不同的现象。动，而使观测频率与波源频率不同的现象。（Doppler effect)多普勒效应是由生在德国的奥地利物理学家多普勒（johann doppler 1802-1853）发现的 关于关于波速：与介质和波的类型有关而与波源无关波速：与介质和波的类型有关而与波源无关波一旦从振源发出就忘记了自己的来源，波一旦从振源发出就忘记了自己的来源，而以介质给定的

12、特定速度在介质中传播。而以介质给定的特定速度在介质中传播。或换言之：或换言之：波的频率：介质中某点单位时间内振动的次数。波的频率：介质中某点单位时间内振动的次数。波的频率是波源振动的频率，与介质无关波的频率是波源振动的频率，与介质无关波长：一个完整波在介质中沿波线展开的长度。波长：一个完整波在介质中沿波线展开的长度。是介质中某点三量的关系。是介质中某点三量的关系。关系式关系式波源的频率是波源在单位时间内振动的次数，波源的频率是波源在单位时间内振动的次数，或在单位时间内发出的或在单位时间内发出的“完整波完整波”的个数；的个数；观察者观察者接收到的频率是接收到的频率是观察者观察者在单位时间内接收在

13、单位时间内接收到的振动次数或完整波数；到的振动次数或完整波数；波的频率是介质质元在单位时间内振动的次数，波的频率是介质质元在单位时间内振动的次数，或通过介质中某点的或通过介质中某点的“完整波完整波”的个数。的个数。一、多普勒效应的定量研究一、多普勒效应的定量研究观察者观察者OS波源波源u波相对介质的速度为波相对介质的速度为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：参考系参考系:介质介质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

14、刻的波阵面u观察者观察者接接收收的的频频率率就就是是接接收收者者单单位位时时间间内内接接收到的波的个数收到的波的个数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启示：启示：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 运动运动接收频率接收频率提高！提高！A A）观察者朝向波源运动）观察者朝向波源运动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B B）观察者远离波源运动）观察者远离波源运动接收频率接收频率降低了！降低了！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 u3 观察者不动，波源相对介质以速度

15、观察者不动，波源相对介质以速度 运动运动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为波源的周期。为波源的周期。y yy yA 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面t+t+1 1秒时刻秒时刻的波阵面的波阵面接收频率接收频率增高了！增高了！y yy yt t时刻的波阵面时刻的波阵面u u

16、t+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 运动运动接收频率接收频率降低了！降低了！.(4).(4)y yy y4 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接收频率增高了！增高了！.(5).(5)A A）波源与接收者相互靠近）波源与接收者相互靠近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接收频率降低了！降低了！.(6).(6)其中：波源静止其中：波源静

17、止观察者静止观察者静止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vs0vs0vo 0vo0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。波源波源观测者观测者vsvo第四章第四章 第三节第三节 多普勒效应多普勒效应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 与发射频率之差补充例题补充例题1、当一列火车以、当一列火车以96km/h的速度由你身边开过，的速度由你身边开过，同时用同时用2kHZ的频率鸣笛时，问你听到的频率是多少的频率鸣笛时，问你听到的频率是多少？（空气中

18、的声速为？（空气中的声速为340m/s）解：已知解：已知 vo=0，=2000HZ，u=340m/s火车向你开来时，火车向你开来时，vs=96km/h=26.7m/s，火车离你而去时，火车离你而去时，vs=-96km/h=-26.7m/s，(HZ)(HZ)第四章第四章 第三节第三节 多普勒效应多普勒效应 2、蝙蝠在飞行中是利用超声脉冲导航的。假设蝙蝠蝙蝠在飞行中是利用超声脉冲导航的。假设蝙蝠发射超声脉冲的频率为发射超声脉冲的频率为39000Hz，在一次朝着竖直的墙，在一次朝着竖直的墙壁飞行时，它的飞行速度是超声脉冲速度的壁飞行时，它的飞行速度是超声脉冲速度的1/40。问它。问它接受到从墙壁反射

19、回来的超声脉冲的频率是多少？接受到从墙壁反射回来的超声脉冲的频率是多少？=40000Hz=41000Hz（1）首首先先，声声源源向向墙墙面面（静静止止）运运动动，墙墙面面接收到的频率为：接收到的频率为：（2）观察者听到的拍频：）观察者听到的拍频：再将墙面接收到的频率再将墙面接收到的频率vR作为新的声源，向作为新的声源，向车上的观察者发出新的声波。车上的观察者发出新的声波。车上的观察者接收到的频率为：车上的观察者接收到的频率为：多普勒效多普勒效应的的应用用科学家发现，当卫星在近地点时信号频率就增加，远地点时信号频率就降低。因为卫星轨道是已知的，所以接收卫星信号的接收机不论处于何方，它的位置都能被

20、测定。美国霍普金斯大学利用多普勒效应对苏联美国霍普金斯大学利用多普勒效应对苏联第一颗人造卫星进行了跟踪试验第一颗人造卫星进行了跟踪试验 利用多普勒效应利用多普勒效应测量运动物体的速度测量运动物体的速度.如：飞机接近雷达的速度、汽车的行驶速度、如：飞机接近雷达的速度、汽车的行驶速度、人造卫星的跟踪、流体的流速。人造卫星的跟踪、流体的流速。利用多普勒效应监测汽车行驶的速度利用多普勒效应监测汽车行驶的速度分析：分析：1.波向着汽车传播并被汽车接波向着汽车传播并被汽车接收，此时波源是静止的，汽车收，此时波源是静止的，汽车作为观察者迎着波源运动。作为观察者迎着波源运动。2.波从汽车表面反射回来，波从汽车

21、表面反射回来，此时汽此时汽 车作为波源向着接收器车作为波源向着接收器运动，汽车发出的波的频率即运动，汽车发出的波的频率即是它接收到的频率。是它接收到的频率。警察用多普勒测速仪测速警察用多普勒测速仪测速100kHz一、超声波的传播特性一、超声波的传播特性（波长越短，传播的方向性越好）（波长越短，传播的方向性越好）3、穿透本领大、穿透本领大（能量集中）（能量集中）4、反射显著、反射显著（对小物体而言）（对小物体而言）范围：产生条件：范围：产生条件：第四节第四节 超声波及其医学应用超声波及其医学应用1、传播的方向性好、传播的方向性好近场区远场区2、强度高、强度高（声强大）（声强大）二、超声波及其二、

22、超声波及其应用应用超声波特点：频率高、波长短、衍射不严重超声波特点：频率高、波长短、衍射不严重1、定向传播特性、定向传播特性探测水中物体、工件内部缺陷探测水中物体、工件内部缺陷 、B超超2、穿透本领大、穿透本领大 胎儿的超声波影象（假彩色胎儿的超声波影象（假彩色）超声多普勒效应测血流速度超声多普勒效应测血流速度超声波应用超声波应用超声波应用超声波应用超声波无损探伤超声波无损探伤探头探头探头探头工件工件工件工件TBTB探头探头探头探头工件工件工件工件TBTB缺陷缺陷缺陷缺陷超声波在水中传播距离很远。超声波在水中传播距离很远。超声波的特点是频率高、超声波的特点是频率高、波长短，衍射不严重，波长短，

23、衍射不严重，因而具有良好的定向传因而具有良好的定向传播特性。其穿透本领很播特性。其穿透本领很强。强。第四章第四章 第四节第四节 超声波及其医学应用超声波及其医学应用超声波对介质产生的特殊作用超声波对介质产生的特殊作用机械作用机械作用空化作用空化作用热作用热作用（乳化、雾化、碎石。）（乳化、雾化、碎石。）（局部加热）（局部加热）Px二、超声波的产生二、超声波的产生压电式换能器压电式换能器FF压电晶体压电晶体正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应高频脉冲高频脉冲发生器发生器探头探头第四章第四章 第四节第四节 超声波及其医学应用超声波及其医学应用发射超声波 接收超声波 石英（SiO2)晶体压电模型

24、(a)不受力时；(b)x轴方向受力；(c)y轴方向受力 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。三、超声波成像的基本原理三、超声波成像的基本原理u超声来回传播时间超声来回传播时间tu超声波测距原理超声波测距原理探头探头物体物体超声发生器超声发生器超声接收器超声接收器L第四章第四章 第四节第四节 超声波及其医学应用超声波及其医学应用1.A型超声诊断仪（型超声诊断仪（A超）超）Amplitude探探头头L第四章第四章 第四节第四节 超声波及其医学应用超声波及其医学应用属一维超声、回声强度以振幅显示、探头由单晶片构成，主属一维超声、回声强度以振幅显示、

25、探头由单晶片构成，主要用于腹部、头颅、眼、胸腔等检查，现多已淘汰。要用于腹部、头颅、眼、胸腔等检查，现多已淘汰。(振幅高度)代表回声强度、X轴代表深度（1）机械扫描：由单个晶片摆动或三个晶片转动扫描，探头内晶）机械扫描：由单个晶片摆动或三个晶片转动扫描，探头内晶片由微电机带动，作扇形扫描、图像呈扇面形。片由微电机带动，作扇形扫描、图像呈扇面形。（2）电子扫描仪：探头内有多数晶片构成。）电子扫描仪：探头内有多数晶片构成。线阵：由数百个小晶片、排列成线形。线阵：由数百个小晶片、排列成线形。凸阵：由数百小晶片排成弧形。凸阵：由数百小晶片排成弧形。相控阵：由相控阵：由32-64个晶片排成方形或矩形。图

26、像呈矩形或扇形个晶片排成方形或矩形。图像呈矩形或扇形 线阵与凸阵主要用于腹部，扇形主要用于心脏线阵与凸阵主要用于腹部，扇形主要用于心脏现代高分辩力、高灵敏度现代高分辩力、高灵敏度B超超都具有实时（都具有实时（real time）显像，显）显像，显示动态图像、动态聚集功能，横向分辨力达示动态图像、动态聚集功能，横向分辨力达2-3mm。采用数字扫。采用数字扫描转换器增加了很多附加功能。如图像处理，图像轮廓增强，探描转换器增加了很多附加功能。如图像处理，图像轮廓增强，探头位置显示、字符显示、局部放大、停帧、拼幅、电子标尺，面头位置显示、字符显示、局部放大、停帧、拼幅、电子标尺，面积及心功能自动显示。

27、积及心功能自动显示。2.B型超声诊断仪（型超声诊断仪（B超）超）Brightness B型超声诊断仪型超声诊断仪探头探头荧光屏荧光屏第四章第四章 第四节第四节 超声波及其医学应用超声波及其医学应用B型：以二维、光点显示。型：以二维、光点显示。3.M型超声诊断仪（型超声诊断仪（M超）超）Motion 探头探头荧光屏荧光屏t一维、光点显示、光点的亮度代表回声强弱、探头为单晶片，用一维、光点显示、光点的亮度代表回声强弱、探头为单晶片，用于心脏、胎心、血管检查、显示心脏、血管结构的活动规迹曲线于心脏、胎心、血管检查、显示心脏、血管结构的活动规迹曲线图又称图又称M型超声心动图。型超声心动图。第四章第四章

28、 第四节第四节 超声波及其医学应用超声波及其医学应用-应用多普勒效应测量物体运动速度 u波源接收器运动物体V入射线反射线0 4.D超超(超声多普勒血流仪超声多普勒血流仪)运动物体B接收到的频率为：R接收到的频率为：对入射过程（发射超声）：对入射过程（发射超声）：运动物体速度V在连线上的投影分量为 cos1,对反射过程（接收超声）：对反射过程（接收超声）：运动物体速度V在连线上的投影分量为 cos(-2),o 频移频移 =-0当A与R合一时，1=2=物体运动速度：彩色多普勒仪用于检测心腔及血管内血流。都具有彩色多普勒仪用于检测心腔及血管内血流。都具有B型、型、M型、连续波、脉冲波多普勒功能型、连

29、续波、脉冲波多普勒功能 v 超声成像超声成像具有实时性好、无损伤、无痛苦，以及低成本等独特优点近年来，超声成像在彩色血流测量技术、三维超声等方面的发展特别引人注目彩色多普勒血流成像系统（通常称为彩超）是一种能同时显示B型图像和多普勒血流数据（血流方向、流速、流速分布）的双重超声扫描系统，可以得到彩色多普勒血流图（Color Flow Mapping,CFM）三维超声图像的重建及实时显示是最近几年超声图像处理方面的热点，已成为超声成像技术的一个发展趋势超声成像的发展超声成像仪超声成像仪 Medison SONOACE 9900 Medison SONOACE 8000 1、声波的频率范围、声波的

30、频率范围2、声压幅值：、声压幅值：3、声阻抗、声阻抗：4.声强声强强度反射系数：强度反射系数：强度透射系数：强度透射系数：5、听觉区域、听觉区域复习：1000o2020000I(W/m2)I上上=1I下下=10-12(Hz)20 20000 Hz.I下下 I I上上声强级：声强级：其中：波源静止其中：波源静止观察者静止观察者静止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vs0vs0vo 0vo06 6、多普勒效应、多普勒效应7、物体运动速度：、物体运动速度：0（波长越短，传播的方向性越好）（波长越短，传播的方向性越好）3、穿透本

31、领大、穿透本领大（能量集中）（能量集中）4、反射显著、反射显著（对小物体而言）（对小物体而言）一、范围；产生条件；一、范围；产生条件；8 8、超声波及其医学应用、超声波及其医学应用1、传播的方向性好、传播的方向性好近场区近场区远场区远场区2、强度高、强度高（声强大）（声强大）传播特性传播特性机械作用机械作用空化作用空化作用热作用热作用二、超声波对物质产生的特殊作用二、超声波对物质产生的特殊作用1.在在病病房房中中,若若每每个个病病人人单单独独说说话话时时的的声声强强级级为为20 20 dBdB，则则1010个病人同时说话的声强级为个病人同时说话的声强级为dBdB。2、当一列火车以当一列火车以26m/s的速度向你开来，用的速度向你开来，用2kHz的的 频率鸣笛时，你听到的频率是多少？频率鸣笛时，你听到的频率是多少？（设声速为（设声速为340m/s）巩固练习巩固练习