第2讲超声物理学基础汇编.ppt

第二讲 超声物理学基础(a) 医学工程系 卢广文 目录 　机械波的产生和传播 　一维简谐波的表达式 　波动方程和波速 　波的能量 　惠更斯原理 　波的叠加 第二讲 超声物理学基础(b) 医学工程系 卢广文 声压（Sound Pressure） 在平衡态时(P0，V0，ρ0，) 组成媒质的分子等微粒虽然不断地运动着，但就任一个体积元来讲，在时间 t 内流入的质量等于流出的质量，因此体积元内的质量是不随时间变化的。 声波作用时 在组成媒质的微粒的杂乱运动中附加了一个有规律的运动，使得体积元内有时流入的质量多于流出的质量，有时又反过来，即体积元内的媒质一会儿稠密，一会儿又稀疏。 所以声波的传播实际上也就是媒质内稠密和稀疏的交替过程。显然这样的变化过程可以用体积元内压强、密度、温度以及质点速度等的变化量来描述。 人耳对1kHz声音的可听阈（即刚刚能觉察到它存在时的声压）约2×10-5Pa； 微风轻轻吹动树叶的声音约2×10-4Pa； 在房间中的高声谈话声（相距1 m处）约0.05 - 0.1Pa； 交响乐演奏声（相距5m－10m处）约0.3Pa； 飞机的强力发动机发出的声音(相距5m处)约200 Pa。 声波动方程 理想流体介质中的三个基本方程 根据声波过程的物理性质，建立声压随空间位置的变化和随时间的变化两者之间的联系，这种联系的数学表示就是声波动方程。 声振动作为一个宏观的物理现象，必然要满足三个基本的物理定律，即牛顿第二定律、质量守恒定律及描述压强、温度与体积等状态参数关系的物态方程。 理想流体介质中假设 媒质为理想流体，即媒质中不存在粘滞性，声波在这种理想媒质中传播时没有能量的耗损。 没有声扰动时，媒质在宏观上是静止的，即初速度为零。同时媒质是均匀的，因此媒质中静态压强 P0 ，静态密度 ?0 都是常数。 声波传播时，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的，即媒质与毗邻部分不会由于声过程引起的温度差而产生热交换。也就是说，我们讨论的绝热过程。 媒质中传播的是小振幅声波，各声学参量都是一级微量 声压p甚小于媒质中静态压强P0，即 质点速度 v 甚小于声速c0，即 质点位移 ? 甚小于声波波长 ?，即 媒质密度增量甚小于静态密度；或密度的相对增量小于1。 现在先考虑一维情形，即声场在空间的两个方向上是均匀的，只需考虑在一个方向，例如，在x方向上的运动。 设想在声场中取一足够小的体积元如图所示，其体积为Sdx (S为体积元的垂直于x轴的侧面的面积)由于声压p随位置x而异，因此作用于体积元左侧面与右侧面上的力是不相等的，其合力就导致这个体积元里的质点沿x方向的运动。 运动方程 连续性方程 物态方程 综合三个方程 平面波声压表达式和解 声波波动方程解的分析 第二讲 超声物理学基础 (c) 医学工程系 卢广文 主要内容 常用声学参量的定义 声波的反射、透射和折射 声波的吸收和衰减 超声波的生物效应 常用声学参量的定义 声压 声阻抗率、声特性阻抗 声速 周期、频率、波长 声能量、声功率、声强 声压级、声强级 生物组织的声学特性 部分生物组织声学参量的典型值 声压级、声强级 现在讨论声压和声强的度量问题。因为声振动的能量范围极其广阔，人们通常讲话的声功率约只有10-5W，而强力火箭的噪声声功率可高达109W，。显然对如此广阔范围的能量如使用对数标度要比绝对标度方便些； 另一方面从声音的接收来讲，人的耳朵有一个很“奇怪”的特点、当耳朵接收到声振动以后，主观上产生的“响度感觉”并不是正比于强度的绝对值，而是更近于与强度的对数成正比。 基于这两方面的原因，在声学中普遍使用对数标度来度量声压和声强，称为声压级和声强级。其单位常用dB(分贝)表示 人耳对频率为1kHz声音的可听闻为 0dB； 微风轻轻吹动树叶的声音约 14dB； 在房间中高声谈话声(1m处)约 68dB～74dB； 交响乐队演奏声(相距5m处)约 64dB； 飞机强力发动机的声音(相距5m处)约 140dB； 一声音比另一声音声压大一倍时大 6dB； 人耳对声音强弱的分辨能力约为 0.5dB 声波的反射、透射和折射 声反射 Acoustic Reflection 声透射 Acoustic Transmission 声折射 Acoustic Refraction 边界条件 声波的反射、折射及透射都是在两种媒质的分界面处发生的，因而首先必须讨论在分界面存在些什么声学特性和规律，即声学边界条件是什么? 边界条件：不同介质 Z1 和 Z2 的交界面 Z1 = ? 1c1， Z2 = ? 2c2 1. 声压在分界处是连续的； P1= P2 2. 质点运动的速度是连续的； V1= V2 平面波垂直入射时的反射与透射 人体组织间声