了解机械波的形成及传播规律

2020 2 27 1 第五章波动 1 了解机械波的形成及传播规律 2 掌握声学的基本概念及其物理意义 3 理解多普勒效应及其应用4 掌握超声波的特性及其医学应用 本章的基本要求 2020 2 27 2 振动 振动 任何一个物理量的周期变化机械振动 物体在一定位置附近所作的来回往复的运动简谐振动 simpleharmonicvibration 任何复杂的振动都可以看成是若干个简谐振动的合成 用时间的余弦 或正弦 函数来描述的运动 即为简谐振动 2020 2 27 3 振幅A 离开平衡位置的最大位移 决定振动的范围 相位wt j和初相位j 决定简谐振动状态的物理量 周期T s 和频率 Hz 角频率 rad s 决定振动的快慢 简谐振动特征量 三要素 2020 2 27 4 振动状态的传播就是波动 简称波 激发波动的振动系统称为波源 第一节机械波 一 机械波 mechanicalwave 1 机械波的产生波源处质点的振动通过弹性介质中的弹性力 将振动传播开去 从而形成机械波 2020 2 27 5 机械波 机械振动在弹性介质中的传播 产生条件 1 要有作机械振动的物体 亦即波源 2 要有能够传播这种振动的介质 2020 2 27 6 纵波 质点的振动方向和波的传播方向相互平行 可在固体 液体和气体中传播 2 横波 transversewave 与纵波 longitudinalwave 横波 质点的振动方向和波的传播方向相互垂直 仅在固体中传播 2020 2 27 9 三 描述波动的物理量 波长 沿波的传播方向 两个相邻的 相位差为的振动质点之间的距离 即一个完整波形的长度 2020 2 27 10 周期 波前进一个波长的距离所需要的时间 频率 周期的倒数 即单位时间内波动所传播的完整波的数目 波速 波动过程中 某一振动状态 即振动相位 单位时间内所传播的距离 相速 周期或频率只决定于波源的振动 波速只决定于介质的性质 2020 2 27 11 波速与介质的性质有关 为介质的密度 如 声音的传播速度 343m s空气 常温 4000m s左右 混凝土 横波 固体 纵波 液 气体 2020 2 27 12 1 波函数的建立 平面简谐波 波阵面为平面的简谐波 波动方程 给出波线上任意x处质点的位移y随时间t的变化规律 波函数y x t 第二节简谐波 同一波阵面上各点振动状态相同 简谐波 simpleharmonicwave 简谐振动的传播所形成的波 2020 2 27 13 振动从O点传播到P点需时 设t时刻O点即x 0处的振动方程 t时刻的位移等于O处质点在时刻的位移 则P处质点运动方程 2020 2 27 14 沿x轴负方向传播的平面简谐波的波函数 2 波函数的物理意义 体现波动在时间和空间上都具有周期性 当x为常数 此时位移y仅是时间t的函数 即表示平衡位置在x0处质元的振动方程 t为常数 此时位移y仅是x的函数 即表示介质中各质元离开它们平衡位置的位移分布 2020 2 27 15 第三节波的能量 一 波的能量 设波函数为 例 平面简谐波传播时介质元的能量 介质中坐标为x体积为dV的介质元的振动速度为 波动是能量的一种传递方式 因质点振动而具有动能 因形变而具有弹性势能 2020 2 27 16 介质元的振动动能为 介质元的弹性势能为 总的机械能为 2020 2 27 17 波的能量密度 energydensity 介质单位体积中的波的能量 平均能量密度 能量密度在一个周期内的平均值 波的平均能量密度与振幅的平方 频率的平方 介质的密度成正比 适用于纵波与横波 2020 2 27 18 二 波的强度 intensityofwave 波的强度 单位时间内通过垂直于波的传播方向单位面积平均能量 也称为平均能流密度 设平面S与波线垂直 则在一个周期T内通过S的能量即为体积SuT所含的能量 则波的强度为 2020 2 27 19 第五节声波 声波 20Hz 20KHz的机械纵波 可引起人类的听觉 次声波 infrasonicwave 频率低于20Hz的机械波 超声波 ultrasonicwave 频率高于20000Hz的机械波 一 声压和声强1 声压 sonicpressure 瞬时声压 介质中某点的压强与无声波传播时的压强之差 声压与空间和时间有关 u p p p 2020 2 27 20 声幅 声波为平面简谐波的声压方程 2 声阻抗Z acousticimpedance 2020 2 27 21 3 声强 intensityofsound 声强 声波的强度 单位时间内通过垂直于声波的传播方向的单位面积的声波的平均能量 公式 单位 W m2 2020 2 27 22 强度反射系数 强度透射系数 Z1 Z2相差较大时 反射强 透射弱Z1 Z2相差较小时 透射强 反射弱 2020 2 27 23 二 听觉域 thresholdofhearing 1 听阈 同一频率可引起听觉的最低声强 听阈线 听阈随频率而变化的曲线 2020 2 27 24 2 痛阈 人耳能忍受的最高声强 痛阈线 痛阈随频率而变化的曲线 2020 2 27 25 3 听觉域 auditoryregion 由听阈线 痛阈线 20Hz和20KHZ线所围区域 2020 2 27 26 设 1贝尔 B 10分贝 dB 几种典型声音的声强级 聚焦超声波的声强级 210dB 炮声的声强级 110dB 细语 10dB 2020 2 27 27 2 响度 人耳对声音强弱的主观感觉 音量 响度级 人耳能听到的响度等级 单位 方等响曲线 频率不同 响度级相同的点组成的曲线 2020 2 27 28 2020 2 27 29 例题 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的百分之几 如果经由蓖麻油 Z 1 36 106kg m 2 s 1 传入人体 则进入声波的强度又是入射前强度的百分之几 解 经由空气进入时 进入人体的声波强度只为入射强度的0 001 即为0 1 2020 2 27 30 进入人体的强度占原来强度的99 2 经由蓖麻油进入时 说明为什么在利用超声波进行人体扫描或治疗时在探头表面谷体表之间要涂抹油类物质或液体耦合剂 2020 2 27 31 第六节多普勒效应 人耳听到的声音的频率与声源的频率相同吗 接收频率 单位时间内观测者接收到的振动次数或完整波数 只有波源与观察者相对静止时才相等 2020 2 27 32 一 多普勒效应 由于波源或观测者相对于介质运动 造成观测频率与波源频率不同的现象 称为多普勒效应 机械波的多普勒效应称为经典多普勒效应 由奥地利物理学家多普勒 J C Doppler 首先提出 假设波源和观测者的运动方向与波传播方向共线 波源和观测者相对于介质的速度分别为 波速为u 波源和观测者观测到的频率分别为 2020 2 27 33 1 波源静止 观测者运动 相对于介质 波源静止 观测者以速度向着波源运动 相对于介质 波源静止 观测者以速度远离波源运动 2020 2 27 34 2020 2 27 35 2 观测者静止 波源运动 2020 2 27 36 3 相对于介质 观测者和波源同时运动 观测者运动 波源运动 观测者向着波源运动V0 0 远离波源V0 0 波源向着观测者运动VS 0 远离观测者VS 0 2020 2 27 37 波线与观测者不共线 2020 2 27 38 例题 一列火车以速度96km h从观测者身边驶过 同时用2KHz的频率鸣笛 求观测到的频率是多少 空气u 340m s 已知 解 1 火车驶来时 2 火车驶离时 经过身边瞬间 2020 2 27 39 多普勒效应的应用 5 卫星跟踪系统等 1 交通上测量车速 2 医学上用于测量血流速度 3 天文学家利用电磁波红移说明大爆炸理论 4 用于贵重物品 机密室的防盗系统 2020 2 27 40 警察用多普勒测速仪测速 2020 2 27 41 二 冲击波 时 后发出的波面将超越先发出的波面形成锥形波阵面 冲击波 船舷波 2020 2 27 42 整个t时间内 波源发出的各个波前的切面就形成了一个圆锥面 一个新的波面 此锥面称为马赫锥 Machcone 其半顶角 满足关系 2020 2 27 43 飞机 炮弹等超音速飞行时产生冲击波 冲击波掠过的区域由于空气压强的突然变化 使物体遭到破坏 如玻璃破裂 这种现象称为声暴 对超音速飞机的最小飞行高度要有一定限制 应用 医学上可以用来击碎结石 科学上 可以用来测量粒子的运动速度 军事上利用超声波破坏物体 2020 2 27 44 超音速的子弹在空气中形成的激波 M 2 2020 2 27 45 飞机超音速飞行时产生的冲击波 2020 2 27 46 第七节超声波及其医学应用 一 超声波的特性 1 特性 1 方向性好 波长短 2 穿透本领强 频率高 3 反射明显 波长短 2 对物质的作用 1 机械作用 高频振动 切割 搅拌 清洗等 2 空化作用 声压幅大 压缩区和稀疏区压强差大 10w m2 P10大气压 空腔 高温 放电 3 热作用 物质吸收能量温度升高 2020 2 27 47 二 超声波的产生与探测 1 超声波发生器的组成 高频脉冲发生器 20000Hz脉冲信号 压电换能器 探头 发射 接收超声波 压电效应 形变 电荷 逆压电效应 电压 电场 形变 2020 2 27 48 三 超声波在医学中的应用 超声诊断 超声治疗 生物组织超声特性等1 A型超声诊断仪 声阻抗变化 反射 2020 2 27 49 2 B型超声诊断仪 2020 2 27 50 3 M型超声诊断仪 观察和记录脏器活动情况 4 超声多普勒血流仪 超声多普勒效应测血流速 2020 2 27 51 血液流动速度v 超声传播方向和血流方向夹角为 超声波频率为 血液中波速为u 随血液以同样速度流动的红细胞接收到的频率为 由红细胞反射回来的超声波被静止的探头接收 多普勒频移为 连续多普勒 CW 和脉冲多普勒 PW 血流仪和B超结合可以得到血液流速采样位置 2020 2 27 52 5 彩色多普勒血流成像仪 彩超 胎儿的超声波影象