第四篇医用物理

第四章声波声波 频率在20Hz到20kHz的 能引起人耳对声音感觉的机械波 次声波 又称亚声波 频率低于20Hz的机械波 超声波 频率高于20kHz的机械波 一 声压声波在介质中传播时 某一时刻介质中点处的压强与该点平衡态时压强 的差值定义为该点的声压 单位 N m2 即 第一节声波的基本性质 声幅 式中称作声压幅值 简称声幅 有效声压与声压幅值的关系是 由 可得介质中点的声压变化规律为 上式为简谐声波的声压方程 二 声特性阻抗在声学中 声介质的力学特征是用声压和介质振动速度之比来表示 叫声特性阻抗 其数学定义为 由 和 得 三 声强声波的平均强度简称声强 即声波的能流密度 声强的表达式为 由于声强不能直接测量 而声压可以直接测量 因此常用声压表示声强的大小 即 在声波传播过程中 当遇到两种声特性阻抗不同的介质界面时会发生反射和折射 且声特性阻抗差值越大 反射声波的强度越大 透射波强度越弱 当声波垂直入射介质界面时 即反射系数ar和透射系数at分别为 第二节声强级和响度级一 声强级 声强级 声学中通常规定声强作为声强的基准量 而声强I与基准量I0之比的常用对数称声强I的声强级 单位为贝尔 记作B 即 由于贝尔单位太大 常采用贝尔的1 10为单位 即分贝dB 则声强级为 例题4 11台收音机打开时 在某点产生的声强级为45dB 当10台收音机同时打开并发出同样响的声音时 在该处测得的声强级是多少 再如测得某点1只蚊子嗡鸣的声强级为0 1dB 同样条件的10只蚊子嗡鸣的声强级又是多少 解 已知1台收音机的声强级为dB 那么10台收音机的声强级为 声强级的相对变化值约为1 5 同理可得10只蚊子的声强级为 声强级的相对变化值约为100 二 响度级响度 人耳主观感觉到的声音响亮程度 取决于声音的强度和频率 在人的听觉区域内 频率相同时 感觉到的声音响度将随声强的增加而增加 声强相同波 响度又会随声波频率而变化 为了定量比较声音的响度 人们把响度也分成若干个等级 并称这些等级为响度级 其单位为方 phon 并规定1000Hz纯音的响度级在数值上等于它的声强级 第三节多普勒效应 下面以声波为例讨论多普勒效应 首先考虑声源和观察者在两者连线上运动的情况 设声源相对介质的运动速度为 观察者相对介质的速度为 介质中的声速为u 声源的振动频率与观察者所接收的频率分别为和 多普勒效应 由于声源和观察者相对介质运动而使观察者接收到的声波频率发生变化的现象称 这是奥地利物理学家多普勒 C Doppler 于1842年发现的 多普勒效应 返回 1 声源和观察者相对于介质静止 观察者所接收的频率应等于单位时间内通过观察者的完整波的数目 即在距离u内包含的波长数 即观察者所接收的频率等于声源的频率 2 声源静止 观察者以速度相对介质运动 原来位于观察者处的波阵面经过1秒后向前传播了u距离的同时 观察者又向着声源移动了的距离 相当于单位时间内波以u 的速度通过观察者 由于声源相对介质静止 所以观察者接收的频率为 反之 若观察者离开声源运动 观察者所接收到的频率为 3 观察者静止 声源以速度相对介质运动 波振面向前传播的同时声源也向前移动使得以后依次发出的波振面都向右挤压 导致介质中相邻波振面间的距离由缩短为 即 故观察者所接收到的频率为 若声源以速度离开观察者 相邻波阵面之间的距离为即波长被拉长了 观察者接收的频率将减小为 4 声源和观察者分别以速度和同时相对介质运动 以上讨论可以证明 观察者所接收频率的一般表达式为 求解问题时 取考察时刻观察者与声源之间静止的介质某点为参考点 若观察者向着参考点运动 取正值 反之为负值 若声源向着参考点运动 取负值 反之为正值 若声源和观察者的运动不是沿着它们的连线方向 则应将其速度在连线方向上的投影值代入以上各式中进行计算 例如 声源的运动方向与连线成 观察者的运动方向与连线成 则观察者接收的频率为 由多普勒效应引起的接收频率的变化称为多普勒频移 例题4 2以速度vo沿垂直于墙E方向运动的声源B 位于静止观察者A与墙之间 声源频率Hz A所接收到的拍频Hz 设空气中声速u 340 求声源B的运动速度vo 解图中观察者A将接收到两种不同频率的声波 一是从声源直接发出的 另一是声源传至墙后 经墙反射回来的 设A接收到前一种声波频率为 后一种声波频率为 由于声源背向观察者运动 故频率为 是相当于声源向着墙运动时 墙所接收的声波频率 因为声波被静止的墙反射 其频率不发生改变 故频率为 观察者A听到这两种声波叠加所产生的拍频为 一般情况下 vo u 所以有 第四节超声波及其医学上的应用超声波频率介于产生超声波必要条件 高频声源和传播介质医学超声成像是借助超声反射或散射回波运载的生物信息产生图像 超声回波信息主要利用 1 大界面造成的反射波 2 小粒子引起的散射波 3 生物组织对声能吸收导致的回波幅值衰减 一 超声波的特性 1 超声波的传播特性 1 方向性好可以像光一样沿直线传播超声波的声束由近场和远场两部分组成 近场范围由近场长度公式表示 即 在远场区 超声波开始发散 其半扩散角 大小可由远场角度公式表示 即超声振动频率愈高 声束半径a愈大 则L越长 角越小 超声波直线性质量越高 方向性越好 例题4 3焦点截面积的直径为10mm的声束 频率为10MHz 求超声束在水中的近场长度和半扩散角各为多少 u 1500m s 解 3 对液体和固体的穿透力强超声波在介质中传播时 其强度衰减与声特性阻抗呈负相关 与频率呈正相关 所以超声束在液体和固体中的衰减要比在气体中小得多 4 遇到介质分界面时有显著反射波在传播时遇到线度比其波长大数倍的界面时会发生反射 由于超声波波长短 所以较小的物体就能引起明显的反射 这是获取超声图像的重要途径之一 2 强度高由于波的平均强度正比于频率的平方 所以在相同振幅的条件下 超声波比普通声波具有大得多的能量 2 超声波与物质作用的特性 1 热作用超声波在介质中传播时 一部分能量被介质吸收转化成热能 从而使介质温度升高的现象称为热作用或热效应 2 机械作用超声波在人体中传播时形成的高频振动和压力将产生极大的剪切力 从而破坏组织和细胞的力学结构 此作用被称为超声波的机械作用 3 超声空化作用超声波以纵波形式传播时 其声压的周期变化将引起组织密度在很小空间内大幅度的改变 相对于声密介 声疏区相当于一个空洞 且在作高频周期变化 充有气体或水蒸汽的空腔在超声场作用下发生振荡的各种现象定义为声空化 声空化可分为稳态空化和瞬态空化 超声生物效应十分复杂 它取决于如声强 辐射时间 声场时间和空间结构 组织类型与生理状态以及温度 压力等外部条件 按生物组织类型大体可影响 神经组织和中枢神经系统 骨骼系统 甲状腺 肝 脾和肾 肌肉和其它软组织 眼睛 组织再生 细胞和分子水平 有关DNA和遗传变异等 二 超声波的产生构成 高频电发生器和压电换能器高频电发生器 由电子线路产生超声波频段的电振荡 其电振荡方式有连续式和脉冲式压电换能器 探头 由具有压电效应的晶体材料制成 三 超声波成像的基本原理超声诊断学依据 脉冲回波检测技术 其为检测超声波在传播路线上遇到不同介质界面的反射信号 并对其放大 处理和显示 声成像系统主要组成部分 信号源 换能器 信号处理部分 显示和记录部分 常用超声诊断仪器 1 A型超声最早出现的超声诊断仪 它属于幅度调制 即回波脉冲大小决定显示器中脉冲的幅度 脉冲间的距离正比于反射界面间的距离 2 M型超声在A型超声基础上发展起来的基于时间序列的A型超声诊断仪 3 B型超声临床应用较广泛的超声诊断仪 它能得到脏器或病变的二维断层图像 并进行快捷的无损伤检测 4 D型超声超声多普勒检测仪 它是利用超声多普勒效应和超声经运动物体界面反射或散射特性 获得心脏 血管等血流动力学信息的一种技术 彩超彩色多普勒血流显像仪在多普勒二维成像的基础上 通过实时彩色编码把反映血流动态的多普勒信号用彩色实时地显示出来 第五节次声波及其军事应用次声波 又称亚声波是频率低于20Hz的机械纵波 次声源分为 天然次声源和人工次声源两大类 一 次声波的特性本质与可闻声波和超声波没有区别 在空气中的传播速度和声波相同 但由于次声波频率低 大气对次声波的吸收很小 次声的听觉阈比可闻声波高 且随频率的降低而增加 二 次声波的生物效应与人体共振 人体个整体的固有频率为7Hz 人体的这种固有频率正好在次声波的频率范围内 则人体易发生强烈的人体共振 轻者头痛 眩晕 心慌 注意力减退 较重者会恶心呕吐 肌肉痉挛 呼吸困难 神经错乱 丧失控制能力 严重者器官破坏 甚至死亡 生物效应的主要作用机制是机械作用 如晕船病就是极低频振