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第四章第四章 声波声波声波声波:频频率在率在20Hz20Hz到到20kHz20kHz的、能引起人耳的、能引起人耳对对声音感声音感 觉觉的机械波。的机械波。次声波：次声波：又称又称亚亚声波声波，频频率低于率低于20Hz20Hz的机械波。的机械波。超声波超声波：频频率高于率高于20kHz20kHz的机械波。的机械波。1 1-一、声一、声压压声波在介声波在介质质中中传传播播时时，某一，某一时时刻介刻介质质中点中点处处的的压压强强与与该该点平衡点平衡态时压态时压强强的差的差值值定定义为该义为该点的声点的声压压(单单位：位：N/m2)，即，即第一第一节节声波的基本性声波的基本性质质2 2-声幅声幅：式中称作：式中称作声声压压幅幅值值，简简称称声幅声幅。有效声有效声压压与声与声压压幅幅值值的关系是的关系是由由可得介可得介质质中点的声中点的声压变压变化化规规律律为为 上式上式为简谐为简谐声波的声声波的声压压方程方程。3 3-二、声特性阻抗二、声特性阻抗 在声学中，声介在声学中，声介质质的力学特征是用声的力学特征是用声压压和介和介质质振振动动速速度之比来表示，叫度之比来表示，叫声特性阻抗声特性阻抗。其数学定。其数学定义为义为由和得4 4-三、声三、声强强声波的平均声波的平均强强度度简简称称声声强强，即，即声波的能流密度声波的能流密度。声。声强强的表达式的表达式为为由于声由于声强强不能直接不能直接测测量，而声量，而声压压可以直接可以直接测测量，因此常量，因此常用声用声压压表示声表示声强强的大小，即的大小，即 5 5-在声波在声波传传播播过过程中，当遇到两种声特性阻抗不同的介程中，当遇到两种声特性阻抗不同的介质质界面界面时时会会发发生反射和折射，且声特性阻抗差生反射和折射，且声特性阻抗差值值越大，反越大，反射声波的射声波的强强度越大，透射波度越大，透射波强强度越弱。度越弱。当声波垂直入射介当声波垂直入射介质质界面界面时时，即反射系数，即反射系数ar和透射系数和透射系数at分分别为别为 6 6-第二第二节节 声声强强级级和响度和响度级级一、声一、声强强级级7 7-声声强强级级：声学中通常：声学中通常规规定声定声强强 作作为为声声强强的基准量，而声的基准量，而声强强I与基准量与基准量I0之比的常用之比的常用对对数称声数称声强强I的声的声强强级级，单单位位为为贝贝尔尔，记记作作B，即，即 由于由于贝贝尔尔单单位太大，常采用位太大，常采用贝贝尔尔的的1/10为单为单位，即分位，即分贝贝dB，则则声声强强级为级为 8 8-例例题题4-1 1台收音机打开台收音机打开时时，在某点，在某点产产生的声生的声强强级为级为45 dB，当，当10台收音机同台收音机同时时打开并打开并发发出同出同样样响的声音响的声音时时，在在该处测该处测得的声得的声强强级级是多少？再如是多少？再如测测得某点得某点1只蚊子只蚊子嗡嗡鸣鸣的声的声强强级为级为0.1 dB，同，同样样条件的条件的10只蚊子只蚊子嗡鸣嗡鸣的声的声强强级级又是多少？又是多少？解：已知解：已知1台收音机的声台收音机的声强强级为级为 dB，那么，那么10台收音机的声台收音机的声强强级为级为 声声强强级级的相的相对变对变化化值约为值约为1/5；同理可得同理可得10只蚊子的声只蚊子的声强强级为级为声声强强级级的相的相对变对变化化值约为值约为100 9 9-二、响度二、响度级级响度响度：人耳主：人耳主观观感感觉觉到的声音响亮程度，取决于声音的到的声音响亮程度，取决于声音的强强度和度和频频率率。在人的听在人的听觉觉区域内，区域内，频频率相同率相同时时，感，感觉觉到的声音响度将到的声音响度将随声随声强强的增加而增加；声的增加而增加；声强强相同波，响度又会随声波相同波，响度又会随声波频频率而率而变变化。化。为为了定量比了定量比较较声音的响度，人声音的响度，人们们把响度也分成若干个等把响度也分成若干个等级级，并称，并称这这些等些等级为级为响度响度级级，其，其单单位位为为方方(phon)，并，并规规定定1000 Hz纯纯音的响度音的响度级级在数在数值值上等于它的声上等于它的声强强级级。1010-第三第三节节多普勒效多普勒效应应下面以声波下面以声波为为例例讨论讨论多普勒效多普勒效应应。首先考。首先考虑虑声源和声源和观观察者在两者察者在两者连线连线上运上运动动的情况。的情况。设设声源相声源相对对介介质质的运的运动动速度速度为为，观观察者相察者相对对介介质质的速度的速度为为，介，介质质中的中的声速声速为为u，声源的振，声源的振动频动频率与率与观观察者所接收的察者所接收的频频率分率分别为别为 和。和。多普勒效多普勒效应应：由于声源和：由于声源和观观察者相察者相对对介介质质运运动动而使而使观观察者接收到的声波察者接收到的声波频频率率发发生生变变化的化的现现象称，象称，这这是奥地是奥地利物理学家多普勒（利物理学家多普勒（C.Doppler）于）于1842年年发现发现的。的。1111-多普勒效多普勒效应应返回返回1212-1 1声源和声源和观观察者相察者相对对于介于介质质静止静止观观察者所接收的察者所接收的频频率率应应等于等于单单位位时间时间内通内通过观过观察者的察者的完整波的数目（即在距离完整波的数目（即在距离u内包含的波内包含的波长长数）数）即即观观察者所接收的察者所接收的频频率等于声源的率等于声源的频频率率。1313-2、声源静止，、声源静止，观观察者以速度相察者以速度相对对介介质质运运动动 原来位于原来位于观观察者察者处处的波的波阵阵面面经过经过1秒后向前秒后向前传传播了播了u距距离的同离的同时时，观观察者又向着声源移察者又向着声源移动动了的距离。相当了的距离。相当于于单单位位时间时间内波以内波以u+的速度通的速度通过观过观察者。察者。由于声源相由于声源相对对介介质质静止，所以静止，所以观观察者接收的察者接收的频频率率为为 反之，若反之，若观观察者离开声源运察者离开声源运动动，观观察者所接收到的察者所接收到的频频率率为为 1414-3、观观察者静止，声源以速度相察者静止，声源以速度相对对介介质质运运动动 波振面向前波振面向前传传播的同播的同时时声源也向前移声源也向前移动动使得以后依次使得以后依次发发出的波振面都向右出的波振面都向右挤压挤压，导导致介致介质质中相中相邻邻波振面波振面间间的距的距离由离由缩缩短短为为，即，即 故故观观察者所接收到的察者所接收到的频频率率为为：1515-若声源以速度离开若声源以速度离开观观察者，相察者，相邻邻波波阵阵面之面之间间的距离的距离为为即波即波长长被拉被拉长长了，了，观观察者接收的察者接收的频频率将减小率将减小为为：4、声源和、声源和观观察者分察者分别别以速度和同以速度和同时时相相对对介介质质运运动动 以上以上讨论讨论可以可以证证明，明，观观察者所接收察者所接收频频率的一般表达式率的一般表达式为为：1616-、求解、求解问题时问题时，取考察，取考察时时刻刻观观察者与声源之察者与声源之间间静止的静止的介介质质某点某点为为参考点参考点。若。若观观察者向着参考点运察者向着参考点运动动，取正，取正值值，反之，反之为负值为负值；若声源向着参考点运；若声源向着参考点运动动，取，取负值负值，反之反之为为正正值值。、若声源和、若声源和观观察者的运察者的运动动不是沿着它不是沿着它们们的的连线连线方向，方向，则应则应将其速度在将其速度在连线连线方向上的投影方向上的投影值值代入以上各式中代入以上各式中进进行行计计算。例如，声源的运算。例如，声源的运动动方向与方向与连线连线成，成，观观察者的察者的运运动动方向与方向与连线连线成成，则观则观察者接收的察者接收的频频率率为为：由多普勒效由多普勒效应应引起的接收引起的接收频频率的率的变变化化 称称为为多多普勒普勒频频移。移。1717-例例题题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 1818-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1919-第四第四节节 超声波及其医学上的超声波及其医学上的应应用用超声波频率介于产生超声波必要条件：高高频频声源和声源和传传播介播介质质医学超声成像是借助超声反射反射或散射回波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。2020-一、超声波的特性一、超声波的特性1、超声波的传播特性（1）方向性好方向性好 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 2121-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。例例题题4-3焦点截面积的直径为10 mm的声束，频率为10 MHz，求超声束在水中的近场长度和半扩散角各为多少？（u=1 500 m/s。）解解2222-（3）对对液体和固体的穿透力液体和固体的穿透力强强 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）遇到介遇到介质质分界面分界面时时有有显显著反射著反射 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）强强度高度高 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 2323-2、超声波与物质作用的特性（1）热热作用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热作用作用或热热效效应应。（2）机械作用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机械作用。2424-（3）超声空化作用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。声空化可分为稳态稳态空化空化和瞬瞬态态空化空化。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。2525-二、超声波的二、超声波的产产生生构成：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连续式式和脉冲式脉冲式压电换能器（探头）：由具有压电效应的晶体材料制成。2626-三、超声波成像的基本原理三、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。2727-2、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。2828-第五第五节节 次声波及其次声波及其军军事事应应用用次声波：又称亚声波是频率低于20 Hz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。2929-二、次声波的生物效二、次声波的生物效应应与人体共振，人体个整体的固有频率为7 Hz，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动引起的。此外，次声生物效应还取决于次声频率、声压级、作用时间和作用方式。3030-三、次声武器三、次声武器次声武器是利用频率低于20 Hz的次声波与人体发生共振，使共振器官和部位发生位移和变形而造成人体损伤以致死亡的一种武器。分类：、“神经型”次声武器：主要产生与人类神经器官固有频率相同的次声，使人的神经功能产生障碍。、“器官型”次声武器：主要产生与人体内脏器官固有频率相同的次声，以对人的肌体造成直接损伤。3131-