物理-超声波-p教师简介

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，毕业于山东师范大学物理系教务账号：16077

：第三章 超声医学的物理基础第一节 声波第二节 效应第三节 超声波及其医学应用第三章超声物理学基础主要内容:1、了解声学的基本概念：声速、声压、声阻、声强等。2、理解声强级和响度级的定义和意义。效应、电致伸缩效应、压电效应3、了解的作用。4、掌握超声波的特性，了解超声波的医学应用。第一节

声波一、振动：是物体运动的一种形式。无论宏观还是微观世界都存在振动现象。广义的讲，所有物理量在某平衡点附近，随时间周期性的变化，都称为振动。如机械振动（速度、位移），电磁振动（电压、电流、场强、磁场）。最简单的振动称为简谐振动。1、简谐振动的位移方程：x

Acos(t

)2、简谐振动的特征量：①振幅:A②周期T、频率ν

、角频率ω③相位（ωt+φ）

、初相位φ第一节

声波产生波动简称波。产生二、波动：振动在弹性媒质中的振动的装置称为波源。波动依赖于媒质，因此机械波不能通过真空。电磁波的电场和磁场波动方向垂直，互为的媒质，可在真空中。1、波动的特点：波源的振动首先诱发媒质中 质点的振动，媒质中的分子或原子相互作用，诱发振动的质点可看做新波源，并再次引起 的质点的振动，使波源的振动状态在媒质中 开，波动只是

的振动状态，媒质中的质点只是在其平衡位置附近振动，并不随波动移动。2、波动分为：纵波（振动方向与

方向平行）和横波（振动方向与方向垂直）。第一节

声波1、声波：引起人们听觉的机械纵波。2、声波频率范围：20Hz～20000Hz，人能听到。3、次声波：低于20Hz，人听不见。波长长，距离远。常用于水中作声纳探测或导航。次声对 有害。4、超声波：高于20000Hz，人听不见，波长短，距离近。医学上用超声做腹腔和肝胆检查，对 无害。5、声波、次声波、超声波都是机械波，仅频率范围不同，其基本性质一样。声带振动也产生声波，声波经空气或骨骼引起人耳鼓膜并刺激听觉神经，产生听觉。听觉具有学习特性，听到的信息传输到大脑，与中特性比较，并对声源做出判断。第一节

声波一、声压和声强（一）声速声波在媒质中 时，会引起媒质（介质）中的分子或原子的纵向振动，并依此传递，将声波

到远处。显然媒质不同，相互作用存在差异，声波的

速度也不会相同。声波的

速度简称声速。声速u与媒质的性质（密度、弹性）有关，并受温度影响。在空气中(m/s)：u

331

0.6t第一节

声波(二)声压与声阻1、声压

P：声波是纵波，声波在媒质中 时，媒质中各部分时疏时密，各部分的压强相应变化。某一时刻，媒质中有声波 时的压强与无声波时的压强差称为声压。声压的大小周期性变化，其声压幅值Pm为：Pm

uA

Pm

um一、声压和声强声波能力的物理量。声波在不同媒质中 的速度不同，显然，媒质对声波的 能力不同，即阻碍程度不同。声阻抗（简称声阻）定义为：第一节

声波2、声阻抗Z：表征媒质

uA

uvm

AZ

Pm声阻抗与物质密度和波速有关，表示媒质的声学特性。一、声压和声强物质密度ρ（k·m-3）声速u(m·s-1)声阻抗Z(kg·s-1·m-2)空气(0℃)1.293314.27×102空气1.213434.15×102水988.214841.48×106钢7800505039.39×106脂肪97014001.36×106脑102015301.56×106肌肉104015681.63×106密质骨170036006.12×106第一节

声波（三）声强I单位时间内通过垂直于声波积的声波能量。方向的单位面m

m2

2

2

1

P2

/

ZI

1

u2

A2

1

Zv2国际单位：W

m2声强难以测量，但可通过测量声压和声阻计算。一、声压和声强例：测得某音响设备发出最强声波的声压幅值为8.3Pa，在20℃时该声波的强度多大？透过面积2m2的窗口的声功率是多少？若声波频率1000Hz，其振幅与质点振动速度幅值各多大？(8.3)2P2

8.3102

(W/

m2

)1

m2

Z

2

4.16102I

解：20℃时空气的声阻抗为：4.16102

(kg

m2

s1

)透过窗口的声功率即单位时间内通过窗口的声波能量：N

IS

8.3102

2

0.166(W

)声波的角频率与频率

的关系是

，2A

3.18106

(m)Pm

Pm

8.3u

2uZ

416

8.3

0.02(m

/

s)

Pmm第一节

声波（四）声波的反射与折射声波在过程中遇到声阻抗不同的媒质面时，会发生反射和折射现象。其规律如同光波的反射和折射规律。1、反射：声波遇到媒质界面一部分声波返回原媒质。2、折射：另一部分声波穿过界面进入另一媒质并改变 方向。一、声压和声强第一节

声波一、声压和声强3、声强反射系数βir：反射波强度与入射波强度之比。4、声强透射系数βit

：透射波强度与入射波强度之比

Ir

(

Z2

Z1

)21Ii

Z2

Zir垂直入射时：I

4Z2

Z1i

2

1tI

(Z

Z

)2it

（五）声波的衰减沿

方向，由于媒质的吸收，声波的强度逐渐减弱，其衰减规律按负指数规律衰减。I

I

e

x0第一节

声波（六）音乐的特性基音、泛音：声源振动产生单一频率的纯音，乐器振动将产生复杂，称为复音，包含多种频率成分，其中频率最低、振幅最大的纯音为基音，其它频率是基音的整数倍，称为倍频或泛音。音调、响度、音色：人对音乐的感觉。基音高低决定音调，声音的强度决定响度，泛音成分决定音色。噪音：引起人们感觉痛苦 。噪音影响人的心理和生理健康，甚至造成会造成病理损害。一、声压和声强第二节

声学在医学中的应用一、听觉（区）域听觉不仅与频率（20~20KHz）有关，还与声强有关。声音足够大时，人耳才能感受到，声音大到一定程度，有痛苦的感觉。1、听阈：引起听觉的最小声强称为听阈。表示听阈与频率关系的曲线叫听阈曲线，也叫 曲线。不同频率的声波，听阈值不同，甚至相差悬殊，人耳最敏感的频率为1KHz~5KHz，鼓膜的固有频率约为3KHz。如1KHz的声波听阈值为：1012W

m22、痛阈：人能承受的最大声强称为痛阈。也可以表达为引起痛觉的最小声强。不同频率的声波，痛阈值也不完全相同，但频率的影响不大，主要取决于声强。痛阈约为：1W

m23、听觉区域声强介于听阈(1012W

m2

)和痛阈(1W

m2

)之间的范围。二者相差为1万亿倍。但人耳分辨声音的级别并没有这么高。声音的客观增强与

感受不成正比关系。第二节

声学在医学中的应用第二节

声学在医学中的应用二、声强级和响度级（一）声强级实验证明：人感觉到增强与客观上声音强度增大倍数的对数成正比。物理学上采用对数标度声强等级称为声强级。L

lgI

0

I

0I

IL

10

lg单位为贝尔（B）单位为分贝（dB）显然听阈为0dB，痛阈为120dB，听觉分辨率为120个级别。常见声源的声强级和响度声源声强级dB响度声源声强级dB响度雷、

铆钉锤闹市

警笛

吵闹1201101009070震耳极响响谈话耳语

树叶微动6050403010正常轻极轻例：一台机器产生的噪音，声强级为50dB。再增加一台同样的机器，噪音的声强级增大到多少？解：根据得一台机器发生噪音的声强为I1=105I0

，两台机器发出噪音的声强为2

I1

，对应的声强级由于声强级是取对数标尺，两个声音叠加时，总声强级不等于两个声音声强级的和L

lg

I

(B)

10

lg

I

(dB)0II0

I010

lg

I1

50I0

I02I

2

105

IL

10

lg

1

10

lg

0

53(dB)感觉程（二）响度：人耳对客观声音强弱的度，响度不仅与声强有关，还与频率有关。（三）响度级：人耳对不同频率 敏感程度不同，同样的声强级，感觉

强弱不一定相同，甚至差异很大。为了描述这种差异，将声强级在同一频率下（1000Hz）的感觉分成等级就是响度级，单位为（方）。响度级也分为120个等级。（四）等响曲线：频率不同 ，引起同样的感觉就是同一个响度级。第二节

声学在医学中的应用效应效应：由于波源或观测者的运动，造成观测频率与波源频率不同的现象1842年，奥地利物理学家

带着女儿在铁道旁散步时就注意到了类似的现象，他经过认真的研究，发现波源和观察者互相靠近或者互相远离时，观察到的波的频率都会发生变化，并且做出了解释方向共线理论推导假设波源和观测者的运动方向与波波源相对于介质的速度为vs观测者相对于介质的速度为v0波在介质中的 速度为u波源和观测者观测到的频率分别为v和v’波源 观测者运动相互靠近时相当于波以速度u’=u+v0通过观测者，单位时间内通过观测者的完整波数即观测到的频率为

u

u

v0

u

v0

相互远离时

u

/u

u

v0u频率的改变是由于观测者观测到的波数增加或减少造成的观测者 波源运动相互靠近时当波源以速度vs向着观测者运动时，由于一个周期T内波源已近观测者vsT的距离所以观察到的波长缩短为观测者实际测得的频率为相互远离时在波源运动情况下，观测频率的改变是由于波长缩短或伸长所致

vsT

(u

vs

)T

u

u

vsu

vs

Tuu

1

u

vsu波源和观测者同时相对于介质运动观测者实际测得的频率为符号法则：观测者向着波源运动，分子取加号观测者远离波源运动，分子取减号波源向着观测者运动，分母取减号波源远离观测者运动，分母取加号简单

：向着结果变大，背离结果变小

u

u

v0

u

vsu

vs

u

u

v0

效应的应用交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度。基于反射波、人造效应的原理，

系统已广泛地应用于车辆、等运动目标的监测u

vs

'

u

vo

1）330

'

330-30

500Hz

454.5

Hz解u

330

m/s,

vsA

0,

vsB

60

m/s例1

A、B为两个汽笛，其频率皆为500Hz，A静止，B以60m/s的速率向右运动.在两个汽笛之间有一观察者O，以30m/s的速度也向右运动.已知空气中的声速为330m/s，求：A

OBvOvsB观察者听到来自A

的频率观察者听到来自B

的频率观察者听到的拍频330

602）

330

30

500Hz

461.5

Hz3）

观察者听到的拍频

7

HzA

O

BvOvsB例1

A、B为两个汽笛，其频率皆为500Hz，A静止，B以60m/s的速率向右运动.在两个汽笛之间有一观察者O，以30m/s

的速度也向右运动.

已知空气中的声速为330m/s，求：观察者听到来自B

的频率观察者听到的拍频解求车速.例2

利用

效应监测车速，固定波源发出频率为

100kHz

的超声波，当汽车向波源行驶时，与波源安装在一起的

接收到从汽车反射回来的波的频率为

"

110kHz

.

已知空气中的声速为

u

330ms1，v0解1）车为u

'

u

v0

2）车为波源

"u

vsu

'

v0

u

u

vs车速1v0

vs

u

56.8

km

h

"

"第三节

超声波超声波：频率大于20000Hz的机械纵波，是人耳听不见的声波，目前已经能产生频率大于1万亿Hz的高频超声和功率到几千瓦的高功率超声。超声波在医学上的应用主要有：超声和超声治疗。血流1、 应用：B超脏器检查、产前检查、测量等。2、治疗应用：超声碎石，牙齿清污、药物雾化、理疗等。超声波除具有声波的一般性质外，还具有其特性。超声波在液体 距离远，固体中次之，在空气中衰减很快。第三节

超声波一、超声波的特性和与物质的作用（一）超声波的特性1、方向性好：超声波频率高，波长短，象光线一样，沿直线

，能聚焦。2、强度大、声压大， 本领强。3、超声波遇到不同介质分界面时产生显著反射。Zp22

2I

1

u

2

A2

1

m

第三节

超声波（二）超声波与物质的作用1、热作用：介质分子剧烈振动，分子间相互作用转化为介质内能，温度升高——理疗原理。2、机械作用：超声波频率高，强度大，声压大。超声波作用于介质，压力发生剧烈变化——超声碎石原理。3、空化作用：液体受超声巨大的声压作用，产生湮灭的细微空腔的现象——超声雾化原理。第三节

超声波二、超声波的产生和探测（一）电致伸缩效应：非对称晶体在交变电场的作用下，按电场变化的频率产生伸长与缩短的现象（机械振动）。利用该效应可产生超声波。（二）压电效应：压电晶体受到压力或拉伸作用时，在晶体的两个表面上产生正负电荷的现象。压电效应是电致伸缩效应的逆效应，是机械能转化为电能。利用压电效应可探测超声波。（三）压电晶体既可发射超声波，也可接收超声波。第三节 超声波三、超声波的医学应用1、超声 的优点：超声波主要用于软组织和脏器的检查，能分辨组织声阻抗发生细微的变化，灵敏度高，对 无损害，属无

检查，安全无痛苦。2、超声 仪原理仪器构造：高频信号发生器、探头、显示器、电源。3、超