第四篇醫(yī)用物理

第四章聲波聲波 頻率在20Hz到20kHz的 能引起人耳對(duì)聲音感覺的機(jī)械波 次聲波 又稱亞聲波 頻率低于20Hz的機(jī)械波 超聲波 頻率高于20kHz的機(jī)械波 一 聲壓聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) 某一時(shí)刻介質(zhì)中點(diǎn)處的壓強(qiáng)與該點(diǎn)平衡態(tài)時(shí)壓強(qiáng) 的差值定義為該點(diǎn)的聲壓 單位 N m2 即 第一節(jié)聲波的基本性質(zhì) 聲幅 式中稱作聲壓幅值 簡(jiǎn)稱聲幅 有效聲壓與聲壓幅值的關(guān)系是 由 可得介質(zhì)中點(diǎn)的聲壓變化規(guī)律為 上式為簡(jiǎn)諧聲波的聲壓方程 二 聲特性阻抗在聲學(xué)中 聲介質(zhì)的力學(xué)特征是用聲壓和介質(zhì)振動(dòng)速度之比來表示 叫聲特性阻抗 其數(shù)學(xué)定義為 由 和 得 三 聲強(qiáng)聲波的平均強(qiáng)度簡(jiǎn)稱聲強(qiáng) 即聲波的能流密度 聲強(qiáng)的表達(dá)式為 由于聲強(qiáng)不能直接測(cè)量 而聲壓可以直接測(cè)量 因此常用聲壓表示聲強(qiáng)的大小 即 在聲波傳播過程中 當(dāng)遇到兩種聲特性阻抗不同的介質(zhì)界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射 且聲特性阻抗差值越大 反射聲波的強(qiáng)度越大 透射波強(qiáng)度越弱 當(dāng)聲波垂直入射介質(zhì)界面時(shí) 即反射系數(shù)ar和透射系數(shù)at分別為 第二節(jié)聲強(qiáng)級(jí)和響度級(jí)一 聲強(qiáng)級(jí) 聲強(qiáng)級(jí) 聲學(xué)中通常規(guī)定聲強(qiáng)作為聲強(qiáng)的基準(zhǔn)量 而聲強(qiáng)I與基準(zhǔn)量I0之比的常用對(duì)數(shù)稱聲強(qiáng)I的聲強(qiáng)級(jí) 單位為貝爾 記作B 即 由于貝爾單位太大 常采用貝爾的1 10為單位 即分貝dB 則聲強(qiáng)級(jí)為 例題4 11臺(tái)收音機(jī)打開時(shí) 在某點(diǎn)產(chǎn)生的聲強(qiáng)級(jí)為45dB 當(dāng)10臺(tái)收音機(jī)同時(shí)打開并發(fā)出同樣響的聲音時(shí) 在該處測(cè)得的聲強(qiáng)級(jí)是多少 再如測(cè)得某點(diǎn)1只蚊子嗡鳴的聲強(qiáng)級(jí)為0 1dB 同樣條件的10只蚊子嗡鳴的聲強(qiáng)級(jí)又是多少 解 已知1臺(tái)收音機(jī)的聲強(qiáng)級(jí)為dB 那么10臺(tái)收音機(jī)的聲強(qiáng)級(jí)為 聲強(qiáng)級(jí)的相對(duì)變化值約為1 5 同理可得10只蚊子的聲強(qiáng)級(jí)為 聲強(qiáng)級(jí)的相對(duì)變化值約為100 二 響度級(jí)響度 人耳主觀感覺到的聲音響亮程度 取決于聲音的強(qiáng)度和頻率 在人的聽覺區(qū)域內(nèi) 頻率相同時(shí) 感覺到的聲音響度將隨聲強(qiáng)的增加而增加 聲強(qiáng)相同波 響度又會(huì)隨聲波頻率而變化 為了定量比較聲音的響度 人們把響度也分成若干個(gè)等級(jí) 并稱這些等級(jí)為響度級(jí) 其單位為方 phon 并規(guī)定1000Hz純音的響度級(jí)在數(shù)值上等于它的聲強(qiáng)級(jí) 第三節(jié)多普勒效應(yīng) 下面以聲波為例討論多普勒效應(yīng) 首先考慮聲源和觀察者在兩者連線上運(yùn)動(dòng)的情況 設(shè)聲源相對(duì)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度為 觀察者相對(duì)介質(zhì)的速度為 介質(zhì)中的聲速為u 聲源的振動(dòng)頻率與觀察者所接收的頻率分別為和 多普勒效應(yīng) 由于聲源和觀察者相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)而使觀察者接收到的聲波頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱 這是奧地利物理學(xué)家多普勒 C Doppler 于1842年發(fā)現(xiàn)的 多普勒效應(yīng) 返回 1 聲源和觀察者相對(duì)于介質(zhì)靜止 觀察者所接收的頻率應(yīng)等于單位時(shí)間內(nèi)通過觀察者的完整波的數(shù)目 即在距離u內(nèi)包含的波長(zhǎng)數(shù) 即觀察者所接收的頻率等于聲源的頻率 2 聲源靜止 觀察者以速度相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng) 原來位于觀察者處的波陣面經(jīng)過1秒后向前傳播了u距離的同時(shí) 觀察者又向著聲源移動(dòng)了的距離 相當(dāng)于單位時(shí)間內(nèi)波以u(píng) 的速度通過觀察者 由于聲源相對(duì)介質(zhì)靜止 所以觀察者接收的頻率為 反之 若觀察者離開聲源運(yùn)動(dòng) 觀察者所接收到的頻率為 3 觀察者靜止 聲源以速度相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng) 波振面向前傳播的同時(shí)聲源也向前移動(dòng)使得以后依次發(fā)出的波振面都向右擠壓 導(dǎo)致介質(zhì)中相鄰波振面間的距離由縮短為 即 故觀察者所接收到的頻率為 若聲源以速度離開觀察者 相鄰波陣面之間的距離為即波長(zhǎng)被拉長(zhǎng)了 觀察者接收的頻率將減小為 4 聲源和觀察者分別以速度和同時(shí)相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng) 以上討論可以證明 觀察者所接收頻率的一般表達(dá)式為 求解問題時(shí) 取考察時(shí)刻觀察者與聲源之間靜止的介質(zhì)某點(diǎn)為參考點(diǎn) 若觀察者向著參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng) 取正值 反之為負(fù)值 若聲源向著參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng) 取負(fù)值 反之為正值 若聲源和觀察者的運(yùn)動(dòng)不是沿著它們的連線方向 則應(yīng)將其速度在連線方向上的投影值代入以上各式中進(jìn)行計(jì)算 例如 聲源的運(yùn)動(dòng)方向與連線成 觀察者的運(yùn)動(dòng)方向與連線成 則觀察者接收的頻率為 由多普勒效應(yīng)引起的接收頻率的變化稱為多普勒頻移 例題4 2以速度vo沿垂直于墻E方向運(yùn)動(dòng)的聲源B 位于靜止觀察者A與墻之間 聲源頻率Hz A所接收到的拍頻Hz 設(shè)空氣中聲速u 340 求聲源B的運(yùn)動(dòng)速度vo 解圖中觀察者A將接收到兩種不同頻率的聲波 一是從聲源直接發(fā)出的 另一是聲源傳至墻后 經(jīng)墻反射回來的 設(shè)A接收到前一種聲波頻率為 后一種聲波頻率為 由于聲源背向觀察者運(yùn)動(dòng) 故頻率為 是相當(dāng)于聲源向著墻運(yùn)動(dòng)時(shí) 墻所接收的聲波頻率 因?yàn)槁暡ū混o止的墻反射 其頻率不發(fā)生改變 故頻率為 觀察者A聽到這兩種聲波疊加所產(chǎn)生的拍頻為 一般情況下 vo u 所以有 第四節(jié)超聲波及其醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用超聲波頻率介于產(chǎn)生超聲波必要條件 高頻聲源和傳播介質(zhì)醫(yī)學(xué)超聲成像是借助超聲反射或散射回波運(yùn)載的生物信息產(chǎn)生圖像 超聲回波信息主要利用 1 大界面造成的反射波 2 小粒子引起的散射波 3 生物組織對(duì)聲能吸收導(dǎo)致的回波幅值衰減 一 超聲波的特性 1 超聲波的傳播特性 1 方向性好可以像光一樣沿直線傳播超聲波的聲束由近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)兩部分組成 近場(chǎng)范圍由近場(chǎng)長(zhǎng)度公式表示 即 在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū) 超聲波開始發(fā)散 其半擴(kuò)散角 大小可由遠(yuǎn)場(chǎng)角度公式表示 即超聲振動(dòng)頻率愈高 聲束半徑a愈大 則L越長(zhǎng) 角越小 超聲波直線性質(zhì)量越高 方向性越好 例題4 3焦點(diǎn)截面積的直徑為10mm的聲束 頻率為10MHz 求超聲束在水中的近場(chǎng)長(zhǎng)度和半擴(kuò)散角各為多少 u 1500m s 解 3 對(duì)液體和固體的穿透力強(qiáng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) 其強(qiáng)度衰減與聲特性阻抗呈負(fù)相關(guān) 與頻率呈正相關(guān) 所以超聲束在液體和固體中的衰減要比在氣體中小得多 4 遇到介質(zhì)分界面時(shí)有顯著反射波在傳播時(shí)遇到線度比其波長(zhǎng)大數(shù)倍的界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射 由于超聲波波長(zhǎng)短 所以較小的物體就能引起明顯的反射 這是獲取超聲圖像的重要途徑之一 2 強(qiáng)度高由于波的平均強(qiáng)度正比于頻率的平方 所以在相同振幅的條件下 超聲波比普通聲波具有大得多的能量 2 超聲波與物質(zhì)作用的特性 1 熱作用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) 一部分能量被介質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化成熱能 從而使介質(zhì)溫度升高的現(xiàn)象稱為熱作用或熱效應(yīng) 2 機(jī)械作用超聲波在人體中傳播時(shí)形成的高頻振動(dòng)和壓力將產(chǎn)生極大的剪切力 從而破壞組織和細(xì)胞的力學(xué)結(jié)構(gòu) 此作用被稱為超聲波的機(jī)械作用 3 超聲空化作用超聲波以縱波形式傳播時(shí) 其聲壓的周期變化將引起組織密度在很小空間內(nèi)大幅度的改變 相對(duì)于聲密介 聲疏區(qū)相當(dāng)于一個(gè)空洞 且在作高頻周期變化 充有氣體或水蒸汽的空腔在超聲場(chǎng)作用下發(fā)生振蕩的各種現(xiàn)象定義為聲空化 聲空化可分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化 超聲生物效應(yīng)十分復(fù)雜 它取決于如聲強(qiáng) 輻射時(shí)間 聲場(chǎng)時(shí)間和空間結(jié)構(gòu) 組織類型與生理狀態(tài)以及溫度 壓力等外部條件 按生物組織類型大體可影響 神經(jīng)組織和中樞神經(jīng)系統(tǒng) 骨骼系統(tǒng) 甲狀腺 肝 脾和腎 肌肉和其它軟組織 眼睛 組織再生 細(xì)胞和分子水平 有關(guān)DNA和遺傳變異等 二 超聲波的產(chǎn)生構(gòu)成 高頻電發(fā)生器和壓電換能器高頻電發(fā)生器 由電子線路產(chǎn)生超聲波頻段的電振蕩 其電振蕩方式有連續(xù)式和脈沖式壓電換能器 探頭 由具有壓電效應(yīng)的晶體材料制成 三 超聲波成像的基本原理超聲診斷學(xué)依據(jù) 脈沖回波檢測(cè)技術(shù) 其為檢測(cè)超聲波在傳播路線上遇到不同介質(zhì)界面的反射信號(hào) 并對(duì)其放大 處理和顯示 聲成像系統(tǒng)主要組成部分 信號(hào)源 換能器 信號(hào)處理部分 顯示和記錄部分 常用超聲診斷儀器 1 A型超聲最早出現(xiàn)的超聲診斷儀 它屬于幅度調(diào)制 即回波脈沖大小決定顯示器中脈沖的幅度 脈沖間的距離正比于反射界面間的距離 2 M型超聲在A型超聲基礎(chǔ)上發(fā)展起來的基于時(shí)間序列的A型超聲診斷儀 3 B型超聲臨床應(yīng)用較廣泛的超聲診斷儀 它能得到臟器或病變的二維斷層圖像 并進(jìn)行快捷的無損傷檢測(cè) 4 D型超聲超聲多普勒檢測(cè)儀 它是利用超聲多普勒效應(yīng)和超聲經(jīng)運(yùn)動(dòng)物體界面反射或散射特性 獲得心臟 血管等血流動(dòng)力學(xué)信息的一種技術(shù) 彩超彩色多普勒血流顯像儀在多普勒二維成像的基礎(chǔ)上 通過實(shí)時(shí)彩色編碼把反映血流動(dòng)態(tài)的多普勒信號(hào)用彩色實(shí)時(shí)地顯示出來 第五節(jié)次聲波及其軍事應(yīng)用次聲波 又稱亞聲波是頻率低于20Hz的機(jī)械縱波 次聲源分為 天然次聲源和人工次聲源兩大類 一 次聲波的特性本質(zhì)與可聞聲波和超聲波沒有區(qū)別 在空氣中的傳播速度和聲波相同 但由于次聲波頻率低 大氣對(duì)次聲波的吸收很小 次聲的聽覺閾比可聞聲波高 且隨頻率的降低而增加 二 次聲波的生物效應(yīng)與人體共振 人體個(gè)整體的固有頻率為7Hz 人體的這種固有頻率正好在次聲波的頻率范圍內(nèi) 則人體易發(fā)生強(qiáng)烈的人體共振 輕者頭痛 眩暈 心慌 注意力減退 較重者會(huì)惡心嘔吐 肌肉痙攣 呼吸困難 神經(jīng)錯(cuò)亂 喪失控制能力 嚴(yán)重者器官破壞 甚至死亡 生物效應(yīng)的主要作用機(jī)制是機(jī)械作用 如暈船病就是極低頻振