听觉物理学

第三章 声波与听觉 (Sound wave),第一节: 声波的物理特性和量度第二节: 听觉的一般特性第三节：声波传导的物理过程第三节: 多普勒效应第四节: 超声波及其医学上的应用,第一节:声波的物理特性和量度,1. 波与声波: 物体振动后引起空气分子疏(部)密(部)相间地向四周特播的过程称为波能产生听觉的振动波称声波,一、声音的发生、频率、波长和声速,2. 频率、波长和声速：频率 -声源在一秒钟内振动的次数。单位为Hz。周期T -振动一次所经历的时间，单位为s 。波长 -沿声波传播方向，振动一个周期所传播的距离， 或在波形上相位相同的相邻两点间的距离，单位为m。,上述各量间的关系:,次声波 (Infrasonic wave)：频率低于20z,超声波 (Ultrasonic wave)：频率高于20000z,声波：频率在20z20000z之间,3. 人耳听觉与声波频率,1 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压强之差:,声压幅值：,P,x,单位：Nm-2,有效声压：,(实际中测量值),简谐声波的声压表达式:,二、声压、声强和声阻抗,2. 声特性阻抗 是表征介质声学特性的一个物理量,介质质点振动速度幅值：,声特性阻抗： 声压幅值Pm与速度幅值 之比。,几种介质的声速和声阻抗,人体组织可分为：低声阻抗、中等声阻抗、高声阻抗,几种介质的声速和声阻抗,人体组织可分为：低声阻抗、中等声阻抗、高声阻抗,3. 声强和声波级,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.,单位：Js-1 m-2 = W m-2,描写声场的物理量,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,例题1、某马达开动时产生的噪声声强为10-7 W/m2，求开动一台马达，其噪声声强级为多少dB？ 同时开动两台马达，其噪声声强级为多少dB？,强度反射系数：,Z1,Z2,Ii,Ir,It,设入射波强度：Ii,反射波强度：Ir,透射波强度：It,强度透射系数：,声波传播过程中，遇到声阻抗不同的介质界面会发生反射与折射:,讨论：（1）当Z1 Z2时，Ir 0; It Ii. 超声临床诊断：石腊油。,(2) 当Z1 Z2 时, Ir Ii ; It 0。,例、 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（Z=1.36106kg/m2s）传入，则进入声波的强度又是入射前强度的百分之几？,解： Z1= 0.0004106kg/m2, Z2= 1.63106kg/m2,(反射),(透射),解： Z1= 1.36106kg/m2, Z2= 1.63106kg/m2,(反射),(透射),人体,人体,油,空气,一、引起人耳听觉的声波（频率与声强）:,与频率有关（声调）（20-20000Hz）,与声强有关（响度）（10-12-1 W/m2）,第二节 听觉的一般特性,纯音：仅含一个频率的音叉振动后所发的声音。复音：由一个较强的基音(频率量低而振幅最大者)和数 个较弱的泛音(其它的频率成分)组合面成,物体振动所发出的声音，除极少数为单(纯)音外，绝大部分为复音,二、听觉区域,1 听阈、听阈（力）曲线 听觉是声音作用于听觉系统引起的感觉，声音必须达到一定强度才能产生听觉，刚能引起听觉的最小声强称听阈(hearing threshold)。人耳的听阈随着频率的不同而各异。将各个不同频率的听阈连接成一曲线称听力图(audiogram)或听力曲线。,听力零级 (audiometriczero)：为健康青年人正常耳听阈之声压级(SPL)的统计数值，它代表某个国家或地区的听力标准。临床上应用的听力计是将正常人各频率的平均听阈设定为零分贝。耳聋病人如对某一频率的声音在30分贝才能听见，表示他在该频率的听阈提高了30分贝，亦即该频率的听力损失为30分贝。,2 痛阈 痛阈曲线 在听阈以上，声音的响度随着刺激的增强而增大。当声压强度增加超过一定程度时，入耳会发生触觉、压觉及痛觉。这一刚能引起人耳感觉或痛觉的声音强度称感觉阈或痛阈(threshold of feeling or pain)。随着声音频率的不同，感觉阈亦因之而变化。3 听觉区域 在听阈曲线与感觉阈曲线之间的区域属听觉感受区，在这个区域内，存在着可使听觉器官产生听觉的各种频率和不同强度的全部声音。,听阈：能引起听觉的最低声强（最低可闻声强）. 如：1000Hz的听阈为10-12 W/m2,痛阈：人耳能忍受的最高声强. 如：1000Hz的痛阈为1 W/m2,人耳能感觉到的最重要的范围在5002000Hz之间，称人的语音范围（speech tone range）以l0003000Hz的声波最敏感,三、声的物理量和主观听觉的关系,它包括客观的物理现象（声波）和主观感觉两个方面。但最后判别声的是人耳。所以确定声的物理量和主观听觉的关系十分重要。不过这种关系相当复杂，因为主观感觉牵涉到复杂的生理机构和心理因素。这类工作是用统计方法在实验基础上进行研究的。,标准参考声强：I0=10-12W/m2,声强级：,单位：贝尔（B）,单位：分贝（dB）,1B=10dB,1000HZ的听觉区域：,L = 0 - 12 B,L = 0 -120 dB,声强级（客观物理量）： (采用对数来表示声强的等级) 声强每增加10倍，人耳听觉才改变1倍左右。,定义P67,听域：,痛域:,几种声音的声强和声强级,声的叠加 -两个以上独立声源作用于某一点，产生声音的叠加,声能量是可以代数相加的，设两个声源的声功率分别为W1和W2，那么总声功率W总=W1+W2。而两个声源在某点的声强为I1和I2时，叠加后的总声强I总=I1+I2。但声强级不能直接相加。,2 响度级：,人耳主观感觉到的声音的响亮程度。,等响曲线：,响度级(单位：方）,1000HZ纯音响度级与声强级(dB)数值相同,同一等响曲线具有相同的响度级,在听觉域中把不同频率、不同声强，但响度相同的点连成一条曲线.,响度相同的声音具有相同的响度级。,20 100 1K 2K 5K 10K,声强（W/m2）,1,10-2,10-4,10-6,10-8,10-10,10-12,声强级,(dB),0,20,40,60,80,100,120,听阈,痛阈,0方,20方,40方,60方,80方,100方,120方,例题 面积为1平方米的窗户开向街道，街中有频率为1000Hz的声源在窗口 的声强级为80 dB，则每秒钟传入窗口声波的能量为（ ）J，若街中有两个频率为1000Hz的声源在窗口 的声强级各为80 dB，则这两个声源同时传到窗口的响度 级 为 （ ）方。,I0=10-12w/m2,I=10-4w/m2E=I. t .s,空气传导：声波自外界经空气传入内耳，主要途径：,第三节：声波传导的物理过程,途径声音传入内耳的径路有二：一是空气传导；另一是骨传导。,声波经颅骨传入内耳，有移动式和挤压式二种方式，二者协同可刺激螺旋器引起听觉。但其传音效能与正常的空气传导相比则微不足道。临床工作中用骨传导途径测量可鉴别传音性耳聋和神经性耳聋。声波颅骨骨迷路内耳淋巴液螺旋器听神经大脑皮层听觉中枢。,（2）骨传导,一、外耳耳廓：可以帮助收集外来的声波，人的耳廓较小，其集音功能不如其他动物，但对声源方向的判定有一定作用。外耳道：为一盲管，有共振功能，根据物理现象，当波长为其长度的四倍时能发生最好的共鸣。外耳道平均长度为2.5cm，则发生最好共鸣的波长应为10cm，根据实验结果，波长10cm时的频率为30004000Hz，使外耳道共振效应得到的增益约为10dB。,二、中耳,1. 鼓室传声装置-声波从空气中传入内耳淋巴液，仅有约0.1%的声能传入，其余99.9%的声能由于空气和水介质密度不同而被反射。相当丧失约30dB。因此，必须有一种特殊的传声变压装置，方能使声波有效地传入内耳淋巴液内。中耳的解剖结构就是这样一种传声的变压装置。,（1）鼓膜本身面积为85mm2，其有效面积为55mm2，而镫骨底板面积则为3.2mm2，故鼓膜的有效振动面积为镫骨底板面积的17倍。由此，声波从鼓膜传到镫骨底板时，其声压将被提高17倍。（2）锤骨柄长度比砧骨长突长1.3倍，听骨链的杠杆作用也随之可使振动力加强约1.3倍。因此。声波经过鼓膜、听骨链到达底板时其声压将提高1.317=22.1倍，相当于声强级27dB。,（3）前庭窗与蜗窗不在一平面，在鼓膜、听骨链正常情况下，声波压缩期的高峰先到达前庭窗，后至蜗窗，蜗窗起缓冲作用，此为位相差，位相差可减少声波同时到达两窗的抵消作用，使内淋巴液发生波动，引起螺旋器上基底膜的振动，刺激毛细胞而感音。如鼓膜大穿孔，声波到达两窗的时间与位相基本一致，此抵消作用可使听力损失20dB。（4）鼓膜张肌收缩可使鼓膜向内拉紧，稍可增加鼓室内压力，镫骨肌收缩可将镫骨向外拉，这两肌肉的反射性收缩均可减少声波的振幅，以保护内耳免遭损伤。,咽鼓管,主要功能为调节鼓室内气压与外界平衡，此为声波正常传导的重要条件。因此咽鼓管功能是否正常是决定鼓室成形术的条件之一。咽鼓管的鼻咽端开口平时呈闭合状态，当吞咽、张口或呵欠等动作时，咽鼓管咽口开放，以维持鼓室内外气压的平衡,人耳不仅是要听取那些单调的声音，更重要的是听取并识别语言，而语言信息包含着极其复杂的内容，它的各种频率成分和强度，都随着时间而瞬息万变，非常不恒定，听觉系统的功能就是感受和辨别声音信息，并进行分析和综合。这意味着听觉生理活动涉及到对声音频率、强度、方位与时间过程等的分析过程。那么，人耳究竟是怎样完成这一分析过程的呢？直到今天，它还是一个没有彻底解决的问题。,三、耳蜗的感音,各频率在基底膜上的分布示意图（高频声引起最大共振部位靠近蜗底、低频声的最大共振部位靠近蜗顶）,1、共振学说（resonance theory）：又称钢琴学说或周围分析学说。根据耳蜗螺旋器的解剖构造Helmholtz于1863年首倡此说。主要内容耳蜗本身为一整体的共振器，每一个声频在基底膜上具有一定的共振部位。2、行波学说（travellign wave theory）：Bekesy于1928年创此说，与共振学说不同之处在于声波引起的淋巴液波从前庭窗向蜗孔方向传递，基底膜共振区因之呈波形振动，而不像共振学说呈“上下”振动。出现振幅最大的波峰部位取决于不同的频率，在波峰之后的波形逐渐消失,3、电话学说（telephone theory）又称扩音学说或中枢分析学说。Rutherford于1896年提倡此说。此说认为声音的分析在中枢，不在内耳由中枢神经组织对这些声音作出译码。视耳蜗具有电话机功能。4、排放学说（volley theory）：亦称电话部位或频率部位学说，为日前最有影响的学说。谓低频率音（400Hz以下）为电话样编码，而高频率音（4000Hz以上）为部位编码，中频率音（4004000Hz）系由听觉系统利用部位及电话样信息以辨别各频率。,当中耳传声装置把声波振动顺利地送入内耳后，从读毛细胞的电变化、化学介质释放、神经冲动的产生开始，便进入了生理性感音过程。,人耳对声音强度的分析问题，研究得比较少，也没有成套的学说，在一定频率范围内，随着声音强度增大，表现为主观感觉变响。一般认为听觉器官可以用以下三种形式来反映声音刺激的强度。第一种反映形式是毛细胞和听神经末梢发放神经冲动的频率，刺激越强，前庭蜗神经元群放电率增高，引起响度感觉越大。第二种反映形式是被兴奋的毛细胞和前庭蜗神经末梢的数量，刺激越强，参加反应的神经元数目越多，引起响度感觉越大。第三种反映形式表现在神经元群放电同步程度增强，也是使响度增加的因素。,第三节,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，而使观测频率与波源频率不同的现象。,频率-每秒波前进距离中完整波的数目,一、多普勒效应的定性研究,1. 波源与观察者均相对媒质静止:,频率-每秒波前进距离中完整波的数目,2 波源不动，观察者相对介质以速度 运动,3 观察者不动，波源相对介质以速度 运动,其中：,二者向对方靠近,二者远离对方,取 “+”值代入,取 “ - ” 值代入,波源,观测者,0,0,0,0,多普勒效应适用于所有类型的波,包括光波、电磁波。当光源远离接收器时，接收到的频率变小，因而波长变长，这种现象叫做“红移”。如来自星球与地面同一元素的光谱比较，发现几乎都发生红移。可推断星球背离地球“退行”,宇宙正在膨胀,这就是 “大爆炸”宇宙学理论的重要依据。反之，如果天体正移向银河系,则光线会发生蓝移。,发现自星球与地面同一元素的光谱比较，几乎都发生红移。可推断星球背离地球“退行”,这就是 “大爆炸”宇宙学理论的重要依据。,波源,观测者,如果 和 不在声源和观测者的连线上，应把 和 在连线上的分量代入上式：,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.,-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,D超 (超声多普勒血流仪)（P86）,超声多普勒效应测血流速度,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）：,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）：,运动物体速度v在连线上的投影分量为 cos(-2 ),频移,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B型、M型、连续波、脉冲波多普勒功能,补充例题,1、当一列火车以96km/h的速度由你身边开过，同时用2kHZ的频率鸣笛时，问你听到的频率是多少？（空气中的声速为340m/s）,解：已知 vo=0， =2000HZ ，u= 340m/s,火车向你开来时，vs=96km/h=26.7m/s，,火车离你而去时， vs =-96km/h=-26.7m/s，,(HZ ),(HZ ),2 、 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39000Hz，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1/40。问它接受到从墙壁反射回来的超声脉冲的频率是多少？,=40000Hz,=41000Hz,墙接收的频率：,蝙蝠接收的频率：,（1）首先，声源向墙面（静止）运动，墙面接收到的频率为：,（2）观察者接收到的拍频：,再将墙面接收到的频率vR作为新的声源，向车上的观察者发出新的声波。,车上的观察者接收到的频率为：,1）测量天体相对地球的视线速度: 远处星体发光有红移现象- 宇宙大爆炸 由红移可得恒星的退行速度.,四、多普勒效应的应用,2）技术上，测量运动物体的视线速度: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。,例：利用多普勒效应监测汽车行驶的速度。一固定波源发出频率为100kHz的超声波，当汽车迎着波源驶来时，与波源安装在一起的接收器接收到从汽车反射回来的超声波的频率为110kHz，已知空气中声速为330m/s，求汽车行驶的速度。,分析：1. 波向着汽车传播并 被汽车接收，此时波源是静止的，汽车作为观察者迎着波源运动。2. 波从汽车表面反射回来，此时汽 车作为波源向着接收器运动，汽车发出的波的频率即是它接收到的频率。,警察用多普勒测速仪测速,胎儿的超声波影象（假彩色）,第四节 超声波及其医学应用,肾脏,心脏,30周胎儿的脸,胎儿的手指,心脏动态血流图,三维动态超声图像,一、超声波的特性,（波长越短，传播的方向性越好）,(4)反射显著 (超声诊断准确率高）,1.超声波的传播特性,超声波及其医学应用,2.超声波与物质作用的特性,(2)机械作用,(3)空化作用,(1)热作用,（乳化、雾化、碎石。）,（局部加热）,P,x,二、超声波的产生,压电式换能器,F,F,压电晶体:,正压电效应:,逆压电效应:,高频脉冲发生器,探头,发射超声波,接收超声波,石英（SiO2)晶体压电模型(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。 ,三、超声波成像的基本原理,u,超声来回传播时间t,u,超声波测距原理:,探头,物体,超声发生器,超声接收器,L,1. A型超声诊断仪（ A超）Amplitude,探头,L,属一维超声、回声强度以振幅显示、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。,(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。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。相控阵：由32-64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，扇形主要用于心脏现代高分辩力、高灵敏度B超都具有实时（real time）显像，显示动态图像、动态聚集功能，横向分辨力达2-3mm。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。,2.B型超声诊断仪（B超）Brightness,B型超声诊断仪,