醫(yī)用物理學(xué)第四章聲波

第四章聲波(Soundwave)次聲波(Infrasonicwave)：頻率低于２０Ｈz的聲波。超聲波(Ultrasonicwave)：頻率高于２００0０Ｈz的聲波。聲波：頻率()在２0Ｈz—２０００0Ｈz之間的機(jī)械波(縱波），能引起人的聽覺。2.次聲波特點(diǎn)：頻率低、能量損失少。與地球、海洋及大氣的大規(guī)模運(yùn)動(dòng)有關(guān)。如火山爆發(fā)、地震、大氣湍流等都有次聲波產(chǎn)生第四章聲波一、聲壓與聲強(qiáng)聲波在空氣中以縱波的形式傳播1.聲壓：在某一時(shí)刻，介質(zhì)中某一點(diǎn)的壓強(qiáng)與無聲波通過時(shí)的壓強(qiáng)之差聲壓幅值：Px單位：N·m-22.聲阻抗介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值：

單位：kg﹒m-2﹒s-1是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的一個(gè)物理量。聲阻抗：聲壓幅值Pm與速度幅值Vm之比。第四章聲波幾種介質(zhì)的聲速和聲阻抗介質(zhì)聲速u(m/s)密度ρ(kg/m3)聲阻抗ρu(kg/m2s)空氣(0℃)3.32×1021.294.28×102空氣(20℃)3.44×1021.214.16×102水(20℃)14.8×102988.21.48×106脂肪14.0×1029701.36×106肌肉15.7×10210401.63×106密質(zhì)骨36.0×10217006.12×106鋼50.5×102780039.4×106聲波可在氣、液、固中傳播。第四章聲波3.聲強(qiáng)聲強(qiáng)：單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量單位：J﹒s-1﹒m-2=W﹒m-2（聲波的強(qiáng)度）I

與Pm2成正比，I與Z反比第四章聲波強(qiáng)度反射系數(shù)：Z1Z2IiIrIt設(shè)入射波強(qiáng)度：Ii反射波強(qiáng)度：Ir透射波強(qiáng)度：It強(qiáng)度透射系數(shù)：反射與折射第四章聲波例題如果超聲波經(jīng)由空氣傳入人體，問進(jìn)入人體的聲波強(qiáng)度是入射前強(qiáng)度的百分之幾？如果經(jīng)由蓖麻油（Z=1.36×106kg/m2s）傳入，則進(jìn)入聲波的強(qiáng)度又是入射前強(qiáng)度的百分之幾？解：①

Z1=0.0004×106kg/m2,Z2=1.63×106kg/m2∵∴第四章聲波例題如果超聲波經(jīng)由空氣傳入人體，問進(jìn)入人體的聲波強(qiáng)度是入射前強(qiáng)度的百分之幾？如果經(jīng)由蓖麻油（Z=1.36×106kg/m2s）傳入，則進(jìn)入聲波的強(qiáng)度又是入射前強(qiáng)度的百分之幾？解：②Z1=1.36×106kg/m2,Z2=1.63×106kg/m2∵∴第四章聲波討論：（1）當(dāng)Z1≈Z2時(shí)，Ir0;ItIi

超聲臨床診斷：石臘油。IiItZ1Z2IiZ1Z2(2)當(dāng)Z1<<Z2或Z1>>Z2時(shí),IrIi;It0。Ir一、聽覺區(qū)域引起人耳聽覺的聲波與頻率有關(guān)（聲調(diào)）（20--20kHz）與聲強(qiáng)有關(guān)（響度）（10-12--1W/m2）聽閾：能引起聽覺的最小聲強(qiáng)剌激量（最低可聞聲強(qiáng)）如：1000Hz的聽閾為10-12W/m2痛閾：人耳可容忍的最大聲強(qiáng)剌激量。如：1000Hz的聽閾為1W/m2第二節(jié)、聲強(qiáng)級與響度級聽閾曲線和痛閾曲線痛閾曲線聽閾曲線聽覺區(qū)域1000HZ的聽覺域：I=10-12~100W/m2

聲強(qiáng)聲強(qiáng)級（W/m2）（dB）頻率（HZ）頻率在20--20,000Hz以外的聲波，無論聲強(qiáng)多少,人耳都聽不見頻率在20-20000Hz以內(nèi)的聲波，只有聲強(qiáng)適度,才能引起人耳聽覺二、聲強(qiáng)級標(biāo)準(zhǔn)參考聲強(qiáng)：I0=10-12W/m2聲強(qiáng)級：單位：貝爾（B）單位：分貝（dB）1B=10dB1000HZ的聽覺域：L=0

~12BL=0

~120

dB聲強(qiáng)每增加10倍，人耳聽覺才改變1倍左右；(采用對數(shù)來表示聲強(qiáng)的等級)

聲源種類聲強(qiáng)（W/m2）聲強(qiáng)（dB）幾乎不能察覺的聲音10-12

0樹葉的沙沙聲10-11

10耳語

10-10

20醫(yī)院10-8

30鬧市10-6~10-5

60~70地鐵或汽車10-3

90

噴氣飛機(jī)103

140火箭發(fā)射場106

170幾種聲音的聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級例題1、某馬達(dá)開動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲聲強(qiáng)為10-7W/m2，求①開動(dòng)一臺馬達(dá)，其噪聲聲強(qiáng)級為多少dB？②同時(shí)開動(dòng)兩臺馬達(dá)，其噪聲聲強(qiáng)級為多少dB？解：①∵I1=I=10-7W/m2，I0=10-12W/m2②∵I2=2I

∴∴（dB）（dB）注意:p67聲強(qiáng)具有可加性，而聲強(qiáng)級不能直接相加三、響度級：人耳主觀感覺到的聲音的響亮程度。等響曲線：響度級：舊單位：新單位：方①1000HZ純音響度級與聲強(qiáng)級(dB)數(shù)值相同②同一等響曲線具有相同的響度級在聽覺域中把不同頻率、不同聲強(qiáng),響度相同的點(diǎn)連成一條曲線.響度相同的聲音具有相同的響度級。聽閾曲線痛閾曲線0方60方120方例題面積為1平方米的窗戶開向街道，街中有頻率為1000Hz的聲源在窗口的聲強(qiáng)級為80dB，則每秒鐘傳入窗口聲波的能量為（）J，若街中有頻率為1000Hz的聲源在窗口的聲強(qiáng)級各為80dB，則這兩個(gè)聲源同時(shí)傳到窗口的響度級為（）方。I0=10-12w/m2I=10-4w/m2E=I.t.s第三節(jié)多普勒效應(yīng)*多普勒效應(yīng)：因波源或觀測者相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，而使觀測頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象。（Dopplereffect)多普勒效應(yīng)是由生在德國的奧地利物理學(xué)家多普勒（johann

doppler1802-1853）發(fā)現(xiàn)的．關(guān)于波速：與介質(zhì)和波的類型有關(guān)而與波源無關(guān)波一旦從振源發(fā)出就忘記了自己的來源，而以介質(zhì)給定的特定速度在介質(zhì)中傳播?；驌Q言之：波的頻率：介質(zhì)中某點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)。

波的頻率是波源振動(dòng)的頻率，與介質(zhì)無關(guān)波長：一個(gè)完整波在介質(zhì)中沿波線展開的長度。是介質(zhì)中某點(diǎn)三量的關(guān)系。關(guān)系式波源的頻率是波源在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)，或在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的“完整波”的個(gè)數(shù)；觀察者接收到的頻率是觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的振動(dòng)次數(shù)或完整波數(shù)；波的頻率是介質(zhì)質(zhì)元在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)，或通過介質(zhì)中某點(diǎn)的“完整波”的個(gè)數(shù)。一、多普勒效應(yīng)的定量研究觀察者OS波源u波相對介質(zhì)的速度為u(波速）波源的速度為：周期、頻率分別為觀察者速度：觀察者接受到的頻率為：參考系:介質(zhì)1波源與觀察者均相對媒質(zhì)靜止t時(shí)刻的波陣面t+1秒時(shí)刻的波陣面u觀察者接收的頻率就是接收者單位時(shí)間內(nèi)接收到的波的個(gè)數(shù)接收的頻率就是波源振動(dòng)的頻率啟示：2波源不動(dòng)，觀察者相對介質(zhì)以速度運(yùn)動(dòng)接收頻率提高！A）觀察者朝向波源運(yùn)動(dòng)ut+1秒時(shí)刻的波陣面t時(shí)刻的波陣面B）觀察者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)接收頻率降低了！t+1秒時(shí)刻的波陣面t時(shí)刻的波陣面u3觀察者不動(dòng)，波源相對介質(zhì)以速度運(yùn)動(dòng)波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，波的頻率不再等于波源的頻率。這是由于當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所發(fā)出的相鄰的兩個(gè)同相振動(dòng)狀態(tài)是在不同地點(diǎn)發(fā)出的，這兩個(gè)地點(diǎn)相隔的距離為VSTS，TS為波源的周期。yyA）波源朝向觀察者以速度運(yùn)動(dòng)ut時(shí)刻的波陣面t+1秒時(shí)刻的波陣面接收頻率增高了！yyt時(shí)刻的波陣面ut+1秒時(shí)刻的波陣面B）波源遠(yuǎn)離觀察者以速度運(yùn)動(dòng)接收頻率降低了！…….(4)yy4波源與觀察者同時(shí)相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)ut時(shí)刻的波陣面t+1秒時(shí)刻的波陣面接收頻率增高了！…….(5)A）波源與接收者相互靠近B）波源與接收者相互遠(yuǎn)離ut時(shí)刻的波陣面t+1秒時(shí)刻的波陣面接收頻率降低了！…….(6)其中：波源靜止觀察者靜止二者相互靠近二者相互遠(yuǎn)離取正值代入取負(fù)值代入。波源觀測者vs＞0vs＜0vo

＞0vo＜0公式歸納：波源和觀測者運(yùn)動(dòng)方向與波傳播方向共線。波源觀測者vsvoαβ第四章第三節(jié)多普勒效應(yīng)頻移多普勒頻移：由多普勒效應(yīng)引起的接收頻率與發(fā)射頻率之差補(bǔ)充例題1、當(dāng)一列火車以96km/h的速度由你身邊開過，同時(shí)用2kHZ的頻率鳴笛時(shí)，問你聽到的頻率是多少？（空氣中的聲速為340m/s）解：已知vo=0，υ

=2000HZ，u=340m/s①火車向你開來時(shí)，vs=96km/h=26.7m/s，②火車離你而去時(shí)，vs

=-96km/h=-26.7m/s，(HZ)(HZ)第四章第三節(jié)多普勒效應(yīng)

2、蝙蝠在飛行中是利用超聲脈沖導(dǎo)航的。假設(shè)蝙蝠發(fā)射超聲脈沖的頻率為39000Hz，在一次朝著豎直的墻壁飛行時(shí)，它的飛行速度是超聲脈沖速度的1/40。問它接受到從墻壁反射回來的超聲脈沖的頻率是多少？=40000Hz=41000Hz（1）首先，聲源向墻面（靜止）運(yùn)動(dòng)，墻面接收到的頻率為：（2）觀察者聽到的拍頻：再將墻面接收到的頻率v′R作為新的聲源，向車上的觀察者發(fā)出新的聲波。車上的觀察者接收到的頻率為：多普勒效應(yīng)的應(yīng)用科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星在近地點(diǎn)時(shí)信號頻率就增加，遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)信號頻率就降低。因?yàn)樾l(wèi)星軌道是已知的，所以接收衛(wèi)星信號的接收機(jī)不論處于何方，它的位置都能被測定。美國霍普金斯大學(xué)利用多普勒效應(yīng)對蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)利用多普勒效應(yīng)測量運(yùn)動(dòng)物體的速度.如：飛機(jī)接近雷達(dá)的速度、汽車的行駛速度、人造衛(wèi)星的跟蹤、流體的流速。利用多普勒效應(yīng)監(jiān)測汽車行駛的速度分析：1.

波向著汽車傳播并被汽車接收，此時(shí)波源是靜止的，汽車作為觀察者迎著波源運(yùn)動(dòng)。2.

波從汽車表面反射回來，此時(shí)汽車作為波源向著接收器運(yùn)動(dòng)，汽車發(fā)出的波的頻率即是它接收到的頻率。警察用多普勒測速儀測速100kHz一、超聲波的傳播特性（波長越短，傳播的方向性越好）3、穿透本領(lǐng)大（能量集中）4、反射顯著（對小物體而言）范圍：產(chǎn)生條件：第四節(jié)超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用1、傳播的方向性好近場區(qū)遠(yuǎn)場區(qū)2、強(qiáng)度高（聲強(qiáng)大）二、超聲波及其應(yīng)用超聲波特點(diǎn)：頻率高、波長短、衍射不嚴(yán)重1、定向傳播特性探測水中物體、工件內(nèi)部缺陷、B超2、穿透本領(lǐng)大

胎兒的超聲波影象（假彩色）超聲多普勒效應(yīng)測血流速度超聲波應(yīng)用超聲波無損探傷探頭工件TBTB探頭工件TBTB缺陷超聲波在水中傳播距離很遠(yuǎn)。超聲波的特點(diǎn)是頻率高、波長短，衍射不嚴(yán)重，因而具有良好的定向傳播特性。其穿透本領(lǐng)很強(qiáng)。第四章第四節(jié)超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用超聲波對介質(zhì)產(chǎn)生的特殊作用⑴機(jī)械作用⑵空化作用⑶熱作用（乳化、霧化、碎石。）（局部加熱）Px二、超聲波的產(chǎn)生壓電式換能器FF壓電晶體正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)高頻脈沖發(fā)生器探頭第四章第四節(jié)超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用發(fā)射超聲波

接收超聲波

石英（SiO2)晶體壓電模型(a)不受力時(shí)；(b)x軸方向受力；(c)y軸方向受力壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。三、超聲波成像的基本原理u超聲來回傳播時(shí)間tu超聲波測距原理探頭物體超聲發(fā)生器超聲接收器L第四章第四節(jié)超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用1.A型超聲診斷儀（A超）Amplitude探頭L第四章第四節(jié)超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用屬一維超聲、回聲強(qiáng)度以振幅顯示、探頭由單晶片構(gòu)成，主要用于腹部、頭顱、眼、胸腔等檢查，現(xiàn)多已淘汰。(振幅高度)代表回聲強(qiáng)度、X軸代表深度（1）機(jī)械掃描：由單個(gè)晶片擺動(dòng)或三個(gè)晶片轉(zhuǎn)動(dòng)掃描，探頭內(nèi)晶片由微電機(jī)帶動(dòng)，作扇形掃描、圖像呈扇面形。（2）電子掃描儀：探頭內(nèi)有多數(shù)晶片構(gòu)成。①線陣：由數(shù)百個(gè)小晶片、排列成線形。②凸陣：由數(shù)百小晶片排成弧形。③相控陣：由32-64個(gè)晶片排成方形或矩形。圖像呈矩形或扇形線陣與凸陣主要用于腹部，扇形主要用于心臟現(xiàn)代高分辯力、高靈敏度B超都具有實(shí)時(shí)（realtime）顯像，顯示動(dòng)態(tài)圖像、動(dòng)態(tài)聚集功能，橫向分辨力達(dá)2-3mm。采用數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器增加了很多附加功能。如圖像處理，圖像輪廓增強(qiáng)，探頭位置顯示、字符顯示、局部放大、停幀、拼幅、電子標(biāo)尺，面積及心功能自動(dòng)顯示。2.B型超聲診斷儀（B超）Brightness

B型超聲診斷儀探頭熒光屏第四章第四節(jié)超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用B型：以二維、光點(diǎn)顯示。3.M型超聲診斷儀（M超）Motion

探頭熒光屏t一維、光點(diǎn)顯示、光點(diǎn)的亮度代表回聲強(qiáng)弱、探頭為單晶片，用于心臟、胎心、血管檢查、顯示心臟、血管結(jié)構(gòu)的活動(dòng)規(guī)跡曲線圖又稱M型超聲心動(dòng)圖。第四章第四節(jié)超聲波及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用--------------應(yīng)用多普勒效應(yīng)測量物體運(yùn)動(dòng)速度u波源接收器運(yùn)動(dòng)物體V入射線反射線υ0υ``4.D超(超聲多普勒血流儀)運(yùn)動(dòng)物體B接收到的頻率為：R接收到的頻率為：對入射過程（發(fā)射超聲）：運(yùn)動(dòng)物體速度V在連線上的投影分量為υcosα1,對反射過程（接收超聲）：運(yùn)動(dòng)物體速度V在連線上的投影分量為υcos(π-α2),υoυ``υ`頻移

Δυ=υ″-υ0當(dāng)A與R合一時(shí)，1=2=物體運(yùn)動(dòng)速度：彩色多普勒儀用于檢測心腔及血管內(nèi)血流。都具有B型、M型、連續(xù)波、脈沖波多普勒功能

超聲成像超聲成像具有實(shí)時(shí)性好、無損傷、無痛苦，以及低成本等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)近年來，超聲成像在彩色血流測量技術(shù)、三維超聲等方面的發(fā)展特別引人注目彩色多普勒血流成像系統(tǒng)（通常稱為彩超）是一種能同時(shí)顯示B