聲波及多普勒效應(yīng)

第四章機(jī)械波2（mechanicalwave）一、聲波(soundwaves)學(xué)習(xí)要求：掌握：1．聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)的計(jì)算。2．多普勒效應(yīng)原理及應(yīng)用。了解：1．等響曲線(xiàn)的物理意義。2．超聲波的特性及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用。重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)超聲檢查安全嗎???超聲的安全性取決于什么?1.聲強(qiáng)(soundintensity)：

單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于傳播方向的單位面積的能量。（聲強(qiáng)與聲壓）用聲強(qiáng)計(jì)測(cè)量噪聲決定人耳對(duì)聲波反應(yīng)的主要因素：Ｉ：強(qiáng)度＋10-12100（痛閾）（聽(tīng)閾）(W·m–2)10-6聽(tīng)覺(jué)強(qiáng)度范圍（

＝1000Hz）

:聲調(diào)2.聲強(qiáng)級(jí)（soundintensitylevel）10-12100（痛閾）（聽(tīng)閾）(W·m–2)10-6聽(tīng)覺(jué)強(qiáng)度范圍（

＝1000Hz）標(biāo)準(zhǔn)參考聲強(qiáng)：0120(dB

)60貝(B)或分貝(dB)聞閾10-120痛閾1120傷害人體10130正常呼吸10-1110悄悄話(huà)10-1020搖滾樂(lè)0.3115電動(dòng)切草機(jī)10-2100重型卡車(chē)10-390大聲喊叫10-480室內(nèi)正常談話(huà)3×10-665聲音

聲強(qiáng)(W·m–2)聲強(qiáng)級(jí)

(dB)幾種聲音的聲強(qiáng)及聲強(qiáng)級(jí)數(shù)LII0例1.

某種馬達(dá)開(kāi)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲聲強(qiáng)為10-7W/m2，求（1）開(kāi)動(dòng)一臺(tái)馬達(dá)，其噪聲聲強(qiáng)級(jí)為多少

dB？（2）同時(shí)開(kāi)動(dòng)兩臺(tái)馬達(dá)，其噪聲聲強(qiáng)級(jí)為多少dB？分析：（1）（2）聲強(qiáng)上的2倍相當(dāng)于聲強(qiáng)級(jí)的3分貝。聲強(qiáng)具有線(xiàn)性可加性I=I1+I2+I3+‥‥‥聲強(qiáng)級(jí)不具有線(xiàn)性可加性L≠L1+L2+L3+‥‥‥注意3、響度級(jí)（Loudnesslevel）

響度（loudness

）：人耳主觀感覺(jué)到的聲音的響亮程度。與聲音強(qiáng)度、頻率有關(guān)。響度級(jí)：響度相同的聲音具有相同的響度級(jí)。1000Hz純音的響度級(jí)在數(shù)值上等于其聲強(qiáng)級(jí)。單位：phon聲強(qiáng)級(jí)頻率等響曲線(xiàn)如何測(cè)量?二、多普勒效應(yīng)

（Dopplereffect）奧地利物理學(xué)家（J.C.Doppler）Question：如何測(cè)量血流速度？流速計(jì)？非牛頓流體植入式檢測(cè)一.多普勒效應(yīng)（Dopplereffect）常見(jiàn)生活現(xiàn)象發(fā)射頻率接收頻率只有波源與觀測(cè)者相對(duì)靜止時(shí)才相等！人耳聽(tīng)到的聲音頻率與聲源的頻率相同嗎？討論——多普勒效應(yīng)發(fā)射頻率接收頻率波源或觀測(cè)者相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)波的共同特征1觀測(cè)者不動(dòng)，波源運(yùn)動(dòng)3觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，波源運(yùn)動(dòng)2波源不動(dòng)，觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)二.多普勒效應(yīng)公式

（DopplerEffectExpressions）假設(shè)：運(yùn)動(dòng)沿觀測(cè)者與波源的連線(xiàn)！

波源不動(dòng)，觀測(cè)者相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)：1運(yùn)動(dòng)速度：觀測(cè)者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)速度：vo波的傳播速度：u觀測(cè)者與波的相對(duì)速度：u-vo觀測(cè)者接近波源運(yùn)動(dòng)：vo波的傳播速度：u觀測(cè)者與波的相對(duì)速度：u+

vo波源不動(dòng)，觀測(cè)者相對(duì)媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)：

vo的符號(hào)法則：觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)與波傳播方向同向，取正；觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)與波傳播方向反向，取負(fù)。觀測(cè)者接收的頻率

本質(zhì)：波速改變（觀測(cè)者）觀測(cè)者不動(dòng)，波源相對(duì)媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)：2運(yùn)動(dòng)速度：觀測(cè)者不動(dòng)，波源相對(duì)媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)：2運(yùn)動(dòng)速度：A觀測(cè)者靜止，波源相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)vs的符號(hào)法則：波源運(yùn)動(dòng)與波傳播方向（相對(duì)于觀察者）同向，取正；波源運(yùn)動(dòng)與波傳播方向反向，取負(fù)。觀測(cè)者接收的頻率

本質(zhì)：波長(zhǎng)改變波源與觀測(cè)者同時(shí)相對(duì)媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)3波源速度：觀測(cè)者速度：波源與觀測(cè)者同時(shí)相對(duì)媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)3

符號(hào)法則：波傳播方向?yàn)檎?，與之同向運(yùn)動(dòng)，vs、vo取正；

與之反向運(yùn)動(dòng)，vs

、vo取負(fù)。解法提要波源靜止，觀察者向著波源運(yùn)動(dòng)ffuu2+11.5觀察者靜止，波源向著觀察者運(yùn)動(dòng)()uvsuffvs2u當(dāng)時(shí)ffuu2u2可見(jiàn)，兩種情況的效果顯然不同。假設(shè)求例2若波源靜止，觀察者向著波源運(yùn)動(dòng)；若觀察者靜止，波源向著觀察者運(yùn)動(dòng)。波源或觀察者的運(yùn)動(dòng)速率為u的0.5倍波速上述兩種情況下觀察者測(cè)得的頻率是波源頻率的幾倍2u當(dāng)時(shí)vo-fuu()fvo2)波源與觀察者不沿二者連線(xiàn)運(yùn)動(dòng)：超聲多普勒血流儀超聲發(fā)生器超聲接收器超聲探頭血細(xì)胞波源觀測(cè)者超聲探頭血細(xì)胞觀測(cè)者超聲探頭血細(xì)胞波源波源觀測(cè)者超聲探頭血細(xì)胞1）觀測(cè)者超聲探頭血細(xì)胞波源2）多普勒頻移超聲接收器超聲發(fā)生器超聲探頭血細(xì)胞超聲多普勒血流儀超聲多普勒血流儀例3．當(dāng)一列火車(chē)以96km/h的速度由你身邊開(kāi)過(guò)，同時(shí)用2kHz的頻率鳴笛時(shí)，問(wèn)你聽(tīng)到的頻率是多少？（已知聲速u(mài)=340m/s)分析：

波源為火車(chē)汽笛，波源運(yùn)動(dòng)；觀察者是自己，觀察者靜止?；疖?chē)從身邊開(kāi)過(guò)，有兩種情況：

1）火車(chē)接近自己；

2）火車(chē)遠(yuǎn)離自己。解：(1)火車(chē)接近自己時(shí)，觀察者靜止，波源向著觀察者運(yùn)動(dòng)

∴vo=0，vs取正，即vs=96km/h=26.7m/s則

（2）當(dāng)火車(chē)離開(kāi)時(shí)，觀測(cè)者靜止，波源遠(yuǎn)離觀察者

∴

vo=0，vs

取負(fù)，即vs

=–96km/h=–26.7m/s則只有兩種頻率?例4.有A、B兩個(gè)汽笛，其頻率均為500Hz，A是靜止的，B以60m/s的速度向右方移動(dòng)（離開(kāi)A）。在兩汽笛之間的一位觀察者C以30m/s的速度向右方移動(dòng)。聲波在空氣中的速度為340m/s。問(wèn)：（1）觀察者C聽(tīng)到來(lái)自A的頻率是多少？（2）觀察者C聽(tīng)到來(lái)自B的頻率是多少？分析：作出A、B、C位置的簡(jiǎn)單示意圖汽笛A汽笛B觀察者CvB=60m/svC=30m/svA=0（2）（因?yàn)锽有遠(yuǎn)離C的趨勢(shì)，而C是在接近B）（1）汽笛A汽笛B觀察者CvB=60m/svC=30m/svA=0觀察者C聽(tīng)到來(lái)自A的頻率:觀察者C聽(tīng)到來(lái)自B的頻率:三、超聲波(UltrasonicWave)誰(shuí)更聰明？一、超聲波的特性1.方向性強(qiáng)。2.強(qiáng)度大、固體和液體穿透性強(qiáng)。3.兩種媒質(zhì)界面的反射特性顯著。強(qiáng)度反射系數(shù)：

強(qiáng)度透射系數(shù)：垂直入射時(shí)：二、超聲波的產(chǎn)生和接收機(jī)械能電能

超聲波的產(chǎn)生和接收是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。產(chǎn)生：逆壓電效應(yīng)電能機(jī)械能接收：壓電效應(yīng)三、超聲波在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用1.超聲成像1）導(dǎo)聲耦合劑原理使用石蠟油，使Z1≈Z2,αir≈0，界面反射少，增強(qiáng)透射。當(dāng)大時(shí)，反射波強(qiáng)度亦大，2）成像原理A超工作原理B超工作原理亮度調(diào)制輝度調(diào)制

M超工作原理2.超聲多普勒血流儀超聲接收器超聲發(fā)生器超聲探頭血細(xì)胞超聲發(fā)生器超聲接收器超聲探頭血細(xì)胞波源觀測(cè)者超聲探頭血細(xì)胞觀測(cè)者超聲探頭血細(xì)胞波源波源觀測(cè)者超聲探頭血細(xì)胞1）觀測(cè)者超聲探頭血細(xì)胞波源2）多普勒頻移超聲接收器超聲發(fā)生器超聲探頭血細(xì)胞頸動(dòng)脈血流圖1.分清哪個(gè)是波源，哪個(gè)是觀測(cè)者；2.正確判斷波源和觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀況；3.正確選取波源運(yùn)動(dòng)速度vs和觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)速度vo的符號(hào)。討論多普勒效