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第四章第四章 声波声波频率高于频率高于20000 Hz的波叫做的波叫做超声波超声波。20到到20000 Hz之间能引起听之间能引起听觉的称为觉的称为可闻声波可闻声波，简称声波。，简称声波。频率低于频率低于20 Hz的叫做的叫做次声波次声波声波声波20000 Hz20Hz一、声压一、声压 1.1.声波在空气中的传播声波在空气中的传播 第一节第一节 声波的基本性质声波的基本性质p=pi -p0在媒质中传播时，媒质密度在媒质中传播时，媒质密度作周期性变化。作周期性变化。P；PP作周期性变化作周期性变化纵波纵波定义：定义：有声波传播时的压强和没有声波传播时的有声波传播时的压强和没有声波传播时的压强差，称为该点的瞬时声压。压强差，称为该点的瞬时声压。声波的波动方程声波的波动方程:简谐声波的声压方程：简谐声波的声压方程：令：令：Pm=uA，称为声压幅值，简称声幅称为声压幅值，简称声幅 声波既可表示为声波既可表示为位移波位移波，也可表示为，也可表示为压强波压强波，两者之间存在两者之间存在/2/2的相位差的相位差。表表41 人体正常组织的密度、声速、声阻抗人体正常组织的密度、声速、声阻抗二、声特性阻抗二、声特性阻抗定义定义:注意：注意：空气的声阻抗较生物组织的声阻抗小得多。空气的声阻抗较生物组织的声阻抗小得多。软组织间有差别，但差别不大。软组织间有差别，但差别不大。骨骼比软组织的声阻抗大一些。骨骼比软组织的声阻抗大一些。三、声强三、声强(intensity of sound)声强就是声波的能流密度声强就是声波的能流密度，即单位时间内通过，即单位时间内通过垂直于波线的单位面积的声波平均能流。垂直于波线的单位面积的声波平均能流。声强表达式声强表达式声波声强与振幅的平方、频率的平方成正比。声波声强与振幅的平方、频率的平方成正比。反射波的强度与入射波的强度之比反射波的强度与入射波的强度之比 反射系数：反射系数：透射波的强度与入射波的强度之比透射波的强度与入射波的强度之比两种介质声阻抗相差较小，反射弱，透射强两种介质声阻抗相差较小，反射弱，透射强 透射系数：透射系数：两种介质声阻抗相差较大，反射强，透射弱两种介质声阻抗相差较大，反射强，透射弱回波回波四、反射和透射四、反射和透射超声诊断：超声诊断：人体内不同组织和脏器的声特性阻抗不同，人体内不同组织和脏器的声特性阻抗不同，超声波遇到界面会形成回波。超声波遇到界面会形成回波。当脏器发生形变或有异物时，回波的位置和当脏器发生形变或有异物时，回波的位置和强弱也发生相应改变。强弱也发生相应改变。根据回波形成的超声图像进行诊断。根据回波形成的超声图像进行诊断。问题：问题：超声检查时，医生需要超声检查时，医生需要在受检者的皮肤和超声探头之间涂在受检者的皮肤和超声探头之间涂抹一层偶合剂。为什么抹一层偶合剂。为什么？分析：分析：超声波经由空气传入人体，反射系数为超声波经由空气传入人体，反射系数为如果经蓖麻油传入人体如果经蓖麻油传入人体（蓖麻油声阻抗为（蓖麻油声阻抗为1.36106 kgm2 s1）排除探头与体表间的空气使超声波尽量透射入人体排除探头与体表间的空气使超声波尽量透射入人体3-8 对于不同的声波来说，它的听阈值（痛阈值）会随对于不同的声波来说，它的听阈值（痛阈值）会随着频率的变化而变化，曲线称为着频率的变化而变化，曲线称为听阈曲线（痛阈曲线）听阈曲线（痛阈曲线）听觉域：听觉域：由听阈曲线、痛域曲线，由听阈曲线、痛域曲线，20Hz20Hz，20000Hz20000Hz所所围成的区域。围成的区域。第二节第二节 声强级和响度级声强级和响度级一、听觉区域一、听觉区域引起人耳听觉引起人耳听觉频率范围频率范围:2020000Hz强度范围强度范围引起听觉的最小声强，听阈引起听觉的最小声强，听阈 人耳能忍受的最高声强，痛阈人耳能忍受的最高声强，痛阈 与频率有关。与频率有关。人最敏感的频率约人最敏感的频率约10005000Hz图图4-2 4-2 听觉区域和等响曲线听觉区域和等响曲线(B)贝尔贝尔声强级声强级L：任一声波的声强任一声波的声强I与与I 0的比值的对数。的比值的对数。标准标准参考参考声强：声强：频率为频率为1000 Hz1000 Hz的声波能引起听觉的的声波能引起听觉的最低声强最低声强-I I0 0=10=10-12 -12 W/mW/m2 2 二二 、声强级声强级比较：比较：I（W/m2）：）：10-12 10-11 1 L（B）：）：0 1 12 L（dB）：）：0 10 120 分贝分贝三、响度三、响度 响度级响度级响度通常随着声强响度通常随着声强的的增加而增加增加而增加响度响度是人耳主观感觉到的声音的响亮程度是人耳主观感觉到的声音的响亮程度声强声强频率频率响度通常随着频率的变化而变化响度通常随着频率的变化而变化声强级越大的声音，听起来是否一定响呢？声强级越大的声音，听起来是否一定响呢？心理物理实验：心理物理实验：测响度、声强级、频率测响度、声强级、频率 的关系的关系给一标准声音给一标准声音 同理，给另一标准声音，作另一等响曲线。同理，给另一标准声音，作另一等响曲线。将频率不同、响度级相同的各对应点连成一将频率不同、响度级相同的各对应点连成一条线，构成条线，构成等响曲线等响曲线 f=1000HZ L=60dB主观感觉响度，记录位置主观感觉响度，记录位置 f=2000HZ L=？（58dB)f=100HZ L=？(72dB)响度级响度级（loudness level）：响度的数量等级响度的数量等级人为规定人为规定f=1000f=1000，L=60dBL=60dB，响度级响度级 6060方方 即：即：f=1000 f=1000 时，数量上：声强级时，数量上：声强级=响度级响度级 形状：开口向上，最低点形状：开口向上，最低点4000Hz4000Hz附近。附近。思考题：思考题：1 1、40dB40dB的声音一定比的声音一定比20 dB20 dB的声音响吗？的声音响吗？（不一定）（不一定）2 2、声强越大的声音声强级越大吗？、声强越大的声音声强级越大吗？（是）（是）3 3、f f 相同，声强级越大的声音，响度级一定越大吗？相同，声强级越大的声音，响度级一定越大吗？（是）（是）病房内有四个人，每一个人病房内有四个人，每一个人说话说话的声的声强强为为10-7-7Wm m-2-2，试问试问四个人同四个人同时说话时时说话时的声的声强强和声和声强强级级是多少？是多少？四个人同四个人同时说话时时说话时的声的声强强级级是一个人是一个人说话时说话时的声的声强强级级的多少倍？的多少倍？解：四个人同解：四个人同时说话时时说话时的声的声强强为为：四个人同四个人同时说话时时说话时的声的声强强级为级为：一个人一个人说话时说话时的声的声强强级为级为：3-9人的主观感觉和声强级对应而不是声强人的主观感觉和声强级对应而不是声强例题例题4-11台收音机打开时，在某点产生的声强级为台收音机打开时，在某点产生的声强级为45dB,当当10台收音机同时打开并发出同样的声音时，声强台收音机同时打开并发出同样的声音时，声强级时多少？再如测得一只蚊子嗡鸣的声强级为级时多少？再如测得一只蚊子嗡鸣的声强级为0.1dB，10只蚊子嗡鸣的声强级是多少？只蚊子嗡鸣的声强级是多少？L=55dB 声强级的相对变化约声强级的相对变化约1/5L=10.1dB 声强级的相对变化约声强级的相对变化约100强信号的声强级的相对变化小，弱信号的声强级的强信号的声强级的相对变化小，弱信号的声强级的相对变化大。相对变化大。第三第三 节节 多普勒效应多普勒效应（Doppler effect）一、多普勒效应：一、多普勒效应：原因：原因：声源、观测者声源、观测者 相对运动相对运动 设：设：波源波源 速度速度vs （source）频率频率 观察者观察者 速度速度vo（observer）频率频率波速波速 u 下面分几种情况分别进行讨论下面分几种情况分别进行讨论 波源、观测者都静止波源、观测者都静止vs=0 vo=0，：单位时间通过观察者的波数：单位时间通过观察者的波数 =u /=0多普勒.swf 波源静止、观测者运动波源静止、观测者运动Vs=0 VO 0（向波源运动）（向波源运动）观测者离开波源运动观测者离开波源运动 u=u-VOu=u+VO结论：结论：观测者运动，频观测者运动，频率的改变是由于率的改变是由于观测者观测到的观测者观测到的波数增加或减少波数增加或减少造成的。造成的。观测者静止，波源运动观测者静止，波源运动vo=0 vs0 波源离开观测者运动波源离开观测者运动，波长变大，波长变大 =+v s T=（u+v s）T 结论：结论：波源运动情况下，频率的改变是由于波长的波源运动情况下，频率的改变是由于波长的缩短或伸长所致。缩短或伸长所致。波源和观测者同时相对于介质运动波源和观测者同时相对于介质运动vo 0 vs0 Towards observerAway from observerTowards sourceAway from the source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 称称为为多普勒多普勒频频移移解解:(1)观察者观察者O直接听到从汽笛传来的声音的频率直接听到从汽笛传来的声音的频率?(2)固定物接受到的频率固定物接受到的频率(1)观察者直接听到从汽笛传来的声音的频率是多少观察者直接听到从汽笛传来的声音的频率是多少?(2)观察者直接听到从固定物反射回来的声音的频率是多少观察者直接听到从固定物反射回来的声音的频率是多少?观察者听到反射声音的频率观察者听到反射声音的频率 例例:一一汽笛汽笛A以速度以速度vs=10m/s远离观察者远离观察者O，向一固定，向一固定物物B运动，设汽笛频率均为运动，设汽笛频率均为1000Hz，声音在空气中的速度，声音在空气中的速度为为 330m/s,求求例题例题4-2 以速度以速度v沿垂直于墙沿垂直于墙E方向运动的声源方向运动的声源B，位于静止观察，位于静止观察者者A与墙之间（图与墙之间（图4-4），声源频率为），声源频率为 观察者观察者A所接收到的拍频所接收到的拍频设空气中的声速为设空气中的声速为u=340m/s,求声源求声源B的运动速度的运动速度=？解：声源离开观察者运动解：声源离开观察者运动 墙所接收的声波频率墙所接收的声波频率 观察者观察者A听到的拍频为听到的拍频为用多普勒效应来测量心脏壁运动时，用多普勒效应来测量心脏壁运动时，以以5MHz的超声波垂直入射心脏壁（即入射角为的超声波垂直入射心脏壁（即入射角为0度），度），测出接收与发出的波频率差为测出接收与发出的波频率差为500Hz。已知声波在软组织中的速度为已知声波在软组织中的速度为1500m/s，求此时心壁的运动速度，求此时心壁的运动速度 解：解：设设某某时时刻心刻心脏脏向着探向着探头头运运动动,速度速度为为v，探探头发头发射超声波的射超声波的频频率率为为v0，心脏接收到的频率为心脏接收到的频率为v探头接收反射超声波的频率为探头接收反射超声波的频率为v”根据多普勒效根据多普勒效应应可得：可得：（1 1）（2 2）（3 3）第四节第四节 超声波在医学上的应用超声波在医学上的应用超声波的产生超声波的产生高频电发生器和压电换能器组成高频电发生器和压电换能器组成压电换能器压电换能器逆压电效应逆压电效应(发生发生)正压电效应正压电效应(接收接收)在交变电场的作在交变电场的作用导致厚度的交替改用导致厚度的交替改变从而产生声振动，变从而产生声振动，即由电能转变为声能。即由电能转变为声能。-。+。-。+由声波的压力变化使由声波的压力变化使压电晶体两端的电极随声压电晶体两端的电极随声波的压缩波的压缩(正压正压)与弛张与弛张(负负压压)发生负电位交替变化。发生负电位交替变化。超超 声声 的的 发发 生生 在交变电场的作用导致厚度的交在交变电场的作用导致厚度的交替改变从而产生声振动，即由电能转替改变从而产生声振动，即由电能转变为声能变为声能逆压电效应逆压电效应(Inverse Piezoelectric effect)(Inverse Piezoelectric effect)由声波的压力变化使压电晶由声波的压力变化使压电晶体两端的电极随声波的压缩体两端的电极随声波的压缩(正压正压)与弛张与弛张(负压负压)发生负电位交替变发生负电位交替变化化正压电效应正压电效应(Piezoelectric effect(Piezoelectric effect)利用逆压电效应将利用逆压电效应将电能转换成超声能发电能转换成超声能发射超声，利用正压电射超声，利用正压电效应将超声能量转换效应将超声能量转换成电能接收超声成电能接收超声。压电效应压电效应压电效应压电效应：压力场与电场之间相互转换的效应：压力场与电场之间相互转换的效应 正压电效应：压力正压电效应：压力 电电 超声波超声波 电信号电信号 机械能机械能 电能电能 逆压电效应：电逆压电效应：电 压力压力 电信号电信号 超声波超声波 电能电能 机械能机械能接收探头：正压电效应接收探头：正压电效应发射探头：逆压电效应发射探头：逆压电效应超声成像技术超声成像技术基于回波扫描技术基于回波扫描技术基于多普勒原理基于多普勒原理A型超声原理示意图型超声原理示意图 幅度调制幅度调制 回波脉冲大小回波脉冲大小决定显示器中脉冲的幅度；决定显示器中脉冲的幅度；脉冲间距离正比于脉冲间距离正比于反射界面间的距离反射界面间的距离A超应用于脑中线及脑肿物的诊断和眼科超应用于脑中线及脑肿物的诊断和眼科疾病方面的检查中疾病方面的检查中在病灶深度、大小、脏器厚薄以及病灶的在病灶深度、大小、脏器厚薄以及病灶的物理性质等检查比较方便准确，但物理性质等检查比较方便准确，但A超的回波超的回波图只能体现局部组织信息，无法反映解剖图只能体现局部组织信息，无法反映解剖形态，现已被形态，现已被M超和超和B超取代。超取代。B B超图像由不同亮度超图像由不同亮度的像素构成，像素亮度的像素构成，像素亮度由反射回声的强弱所决由反射回声的强弱所决定。定。黑色：没有反射黑色：没有反射灰色：中等反射灰色：中等反射白色：反射较强白色：反射较强 像素在屏幕上形成不像素在屏幕上形成不同亮度的层次，既为灰同亮度的层次，既为灰阶阶。灰阶（灰阶（Gray scaleGray scale）M M型超声原理示意图型超声原理示意图不同界面反射回来的回波的光点随时间展开。（扫描）不同界面反射回来的回波的光点随时间展开。（扫描）由于多用于观察和记录脏器的活动情况由于多用于观察和记录脏器的活动情况特别适用于检查心脏功能。特别适用于检查心脏功能。称为超声心动仪。称为超声心动仪。二尖瓣前叶血流曲线二尖瓣前叶血流曲线超声心动图超声心动图 心脏模型断面心脏模型断面B型超声图像型超声图像 A超、超、M超与超与B超比较超比较ABM探头探头单阵元单阵元多元线阵多元线阵单阵元单阵元调制方式调制方式幅度幅度辉度辉度辉度辉度适用对象适用对象脑部、眼脑部、眼科科软组织软组织心脏心脏显示方式显示方式脉冲波形脉冲波形一维图像一维图像断面断面二维图像二维图像动态曲线动态曲线一维图像一维图像多普勒频移的数学表示多普勒频移的数学表示体表体表血管血管发射发射接收接收 mode mode 型型Doppler modeDoppler mode频谱显示频谱显示超声射向流动的红细胞，超声射向流动的红细胞，接收到红细胞散射回声，接收到红细胞散射回声，提取提取Doppler shift Doppler shift （多普勒频移）多普勒频移）,经经处理，形成频谱显处理，形成频谱显示。频谱在示。频谱在 base linebase line以上者为迎向探头的血以上者为迎向探头的血流，流，base linebase line以下者以下者为离开探头的血流。为离开探头的血流。base line彩彩 色色 多多 普普 勒勒 血血 流流 显显 示示Color Doppler Flow Imaging CDFIColor Doppler Flow Imaging CDFI 用自相关处理提取到的多普勒信息用自相关处理提取到的多普勒信息,再用伪彩色编码再用伪彩色编码,形成彩形成彩色血流图像色血流图像,叠加到二维声像图上叠加到二维声像图上,形成彩色多普勒血流图。形成彩色多普勒血流图。声波声波声压声压声幅声幅 P m=u A声阻抗声阻抗声强声强反射和透射反射和透射两种介质声阻抗相差较大时，反射强，透射弱两种介质声阻抗相差较大时，反射强，透射弱两种介质声阻抗相差较小时，反射弱，透射强两种介质声阻抗相差较小时，反射弱，透射强 声强级声强级响度、响度级响度、响度级 (图图4-2 听觉域和等响曲线）听觉域和等响曲线）多普勒效应多普勒效应观测者运动，频率的改变是由于观测者观测到的波数增加观测者运动，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。或减少造成的。波源运动情况下，频率的改变是由于波长的缩短或伸长所致。波源运动情况下，频率的改变是由于波长的缩短或伸长所致。图所示为某平面简谐波在图所示为某平面简谐波在t=0 时刻的波形曲线。求：时刻的波形曲线。求：(1)波长、周期、频率波长、周期、频率(2)a、b两点的运动方向；两点的运动方向；(3)该波的波动方程该波的波动方程(4)P点振动方程，并画出振动曲线。点振动方程，并画出振动曲线。(5)t=1.25s 时刻的波形方程，并画出该波形曲线。时刻的波形方程，并画出该波形曲线。（2）由于波沿由于波沿x轴正方向传播，故将轴正方向传播，故将 t=0 时刻的波形向右移动时刻的波形向右移动如图所示如图所示 a 点沿点沿 y 轴负方向运动，轴负方向运动，b 点沿点沿y 轴正方向运动。轴正方向运动。设设波波动动方程方程为为 将已知量代入，得将已知量代入，得 由由图图可可见见，t=0 t=0 时时刻，刻，x=0 x=0 处质处质点：点：y=0y=0，v0,v0,由此可确定由此可确定初相位初相位=/2=/2。因此，波因此，波动动方程方程为为：P点：代入波代入波动动方程，得方程，得P P点的振点的振动动方程：方程：把把t=1.25st=1.25s代入波函数：得代入波函数：得t=1.25s t=1.25s 时时刻的波刻的波动动方程：方程：波形曲波形曲线线如如图图所示。所示。图 3-6图3-73-18 设设A、B为两个相干波源，其振动方程为为两个相干波源，其振动方程为y1=0.4cos4t，y2=0.4cos(4t-)，如图，如图3-2所示，它们到达所示，它们到达P处相遇并产生叠加。已知波速为处相遇并产生叠加。已知波速为20cm/s，AP为为40cm，BP为为50cm，试求：两波传到，试求：两波传到P处时的位相差以及合振处时的位相差以及合振动的振幅。动的振幅。图3-2解：解：A、B两波源在两波源在P点引起的的振动方程分别为：点引起的的振动方程分别为：则两波传到则两波传到P P点时的位相差为点时的位相差为P P点的合振幅点的合振幅图3-5 例：为了保持波源的振动不变，需要消耗例：为了保持波源的振动不变，需要消耗4W的功率。如的功率。如果波源发出的是球面波，求距波源果波源发出的是球面波，求距波源0.5m和和1m处的波的强处的波的强度（设介质不吸收波的能量）。度（设介质不吸收波的能量）。解：以解：以N表示功率，对于球面波有表示功率，对于球面波有 当当r1=0.5m时时有有 当当r r2 2=1m=1m时有时有