大学物理声波超声波.ppt

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1、8.5 声波声波 超声波超声波一、声波一、声波声波是机械波的一种。声波是机械波的一种。在弹性介质中传播的纵波，其频率约在弹性介质中传播的纵波，其频率约在在20到到20000Hz范围内，能引起人的听觉，这种波叫作范围内，能引起人的听觉，这种波叫作声波声波。频率低于频率低于20Hz的叫的叫次声波次声波，高于，高于20000Hz的叫的叫超声波超声波。超超声波具有波动的一般特性，也能产生反射、折射、干涉和衍声波具有波动的一般特性，也能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。射等现象。气体中的声速气体中的声速为气体定压摩尔热容与定容摩尔热容之比为气体定压摩尔热容与定容摩尔热容之比，P P为气体的压强为气体的压

2、强,。为气体的密度为气体的密度如在标准状态下，空气中的声速为如在标准状态下，空气中的声速为例例 试求摩尔质量为试求摩尔质量为m、温度为、温度为T 的理想气体中的声速。的理想气体中的声速。解解可见在同一温度下，声波在液体和固体中的传播速度要比可见在同一温度下，声波在液体和固体中的传播速度要比在气体中大得多在气体中大得多声压声压介质中有声波传播时的压强与无声波时的静压强之间有一介质中有声波传播时的压强与无声波时的静压强之间有一差值，差值，这一压强差称为这一压强差称为声压声压。声压的成因很明显，由于声压的成因很明显，由于声波是疏密波，在声波是疏密波，在稀疏区域稀疏区域，实，实际压强小于原来静压强，在

3、际压强小于原来静压强，在稠密区域稠密区域，实际压强大于原来，实际压强大于原来静压强。静压强。显然，由于介质中各点声振动作周期性变化，显然，由于介质中各点声振动作周期性变化，声压也在作声压也在作周期性变化周期性变化。前者声压为负值，后者声压为正值前者声压为负值，后者声压为正值。对平面简谐波来说，可以证明声压振幅为对平面简谐波来说，可以证明声压振幅为声强声强 声强级声强级单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量，单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量，叫叫声波的能流密度声波的能流密度或或声强声强。可以证明，声强公式为可以证明，声强公式为超声波超声波的频率高，因而它的声强就

4、很大。的频率高，因而它的声强就很大。爆炸声爆炸声、炮声炮声等声波由于振幅大、声强也可以很大。等声波由于振幅大、声强也可以很大。即声强与频率的平方、振幅的平方成正比，其即声强与频率的平方、振幅的平方成正比，其单位是单位是 能够引起人听觉的声强范围大约为能够引起人听觉的声强范围大约为10-12Wm-21Wm-2。此范围很大。此范围很大。通常规定声强通常规定声强I I0 010-12Wm-2(即相当于频率为即相当于频率为1000Hz1000Hz的声的声波能够引起听觉的最弱的声强波能够引起听觉的最弱的声强)为测定声强的标准。为测定声强的标准。如果如果某某一声波的声强为一声波的声强为I，则比值，则比值I

5、/I0的对数，叫作的对数，叫作相应于声强相应于声强I 的的声强级声强级L 声强级声强级 L L的单位为贝耳的单位为贝耳(B)(B)。B B这一单位太大，实际应用时通常采用这一单位太大，实际应用时通常采用贝耳的贝耳的1/101/10，即，即分贝分贝(dB)(dB)为单位，为单位，在声学中常用声强级来描述声波在介质中各点的强弱。在声学中常用声强级来描述声波在介质中各点的强弱。声声源源声强（声强（W.m-2）声强级声强级/dB响度响度引起痛觉的声音引起痛觉的声音1120 震耳震耳钻岩机或铆钉机钻岩机或铆钉机10-2 100 震耳震耳交通繁忙的街道交通繁忙的街道10-570响响通常的谈话通常的谈话10

6、-660正常正常耳语耳语10-1020轻轻树叶沙沙声树叶沙沙声10-1110极轻极轻引起听觉的最弱引起听觉的最弱声音声音10-120 一些常遇到的声音的声强一些常遇到的声音的声强 声强级和响度声强级和响度二、二、超声波超声波一般在气体中使用的超声波频率可达一般在气体中使用的超声波频率可达106Hz，在固体和液体，在固体和液体中使用的超声波频率可达中使用的超声波频率可达109Hz，利用共振现象可以增大其利用共振现象可以增大其振幅，得到很强的功率。振幅，得到很强的功率。超声波的超声波的波长很短，一般为波长很短，一般为10-610-4m.波长越短，衍射现波长越短，衍射现象越不显著，所以超声波易于定向

7、；它在反射、折射及聚焦象越不显著，所以超声波易于定向；它在反射、折射及聚焦等方面与光波相似，从而可以得到等方面与光波相似，从而可以得到高能量、方向性良好的超高能量、方向性良好的超声波束。声波束。在空气中超声波阻尼很大，但在液体、固体中阻尼很小。在空气中超声波阻尼很大，但在液体、固体中阻尼很小。特特别在导体性溶液别在导体性溶液(如海水如海水)中，这些特性，在实践中得到广泛中，这些特性，在实践中得到广泛应用。应用。超声检测技术超声检测技术利用超声波的利用超声波的定向发射定向发射性质性质,可以探测水中的物体可以探测水中的物体,如探测如探测鱼群、潜艇等鱼群、潜艇等,也可以测量海水的深度也可以测量海水的

8、深度,研究海底的地形起研究海底的地形起伏伏,发现海礁和浅滩发现海礁和浅滩.在工业上在工业上,超声波可以探测工件内部的缺陷超声波可以探测工件内部的缺陷(如气泡、裂缝、如气泡、裂缝、砂眼等砂眼等)超声波与捕鱼超声波与捕鱼如试验研究发现，鱼在觅食时可发出一定的特征声谱。如试验研究发现，鱼在觅食时可发出一定的特征声谱。当当人工模仿或直接播放鱼在觅食时发出的特征声谱时，即使人工模仿或直接播放鱼在觅食时发出的特征声谱时，即使不投放诱饵也可引诱大量的鱼群，大大有利于捕捞。不投放诱饵也可引诱大量的鱼群，大大有利于捕捞。超声波在食品加工及医学上的应用超声波在食品加工及医学上的应用由于超声波的破坏作用，能由于超声

9、波的破坏作用，能使微生物和病毒死亡。使微生物和病毒死亡。因此，在因此，在制备水果罐头制备水果罐头牛奶、饮水、血清、培养苗、疫苗牛奶、饮水、血清、培养苗、疫苗等时，均可等时，均可使用超声波消毒使用超声波消毒。利用超声波的乳化、凝结和扩散作用可以将某些不溶于水的利用超声波的乳化、凝结和扩散作用可以将某些不溶于水的药物制成水溶液或针剂。药物制成水溶液或针剂。超声波扫描仪用于动物疾病的诊断，超声波扫描仪用于动物疾病的诊断，以及利用超声波的热效以及利用超声波的热效应治疗动物的一些疾病等。应治疗动物的一些疾病等。超声波超声波对肌肉的对肌肉的温热作用温热作用可解除张力，发生普遍的充血现可解除张力，发生普遍的

10、充血现象，软化疤痕及改善循环等效果。象，软化疤痕及改善循环等效果。超声波对植物的作用超声波对植物的作用用一定的强度和频率的超声波处理大麦，结果发现其发芽用一定的强度和频率的超声波处理大麦，结果发现其发芽的平均时间缩短，萌发的机能也增长了。的平均时间缩短，萌发的机能也增长了。用超声波处理种在某种程度上加快了种子的萌发，并且可用超声波处理种在某种程度上加快了种子的萌发，并且可以打破有些种子的休眠期，以打破有些种子的休眠期，在中草药种植方面效果尤为显著。在中草药种植方面效果尤为显著。这是因为种子由于超声这是因为种子由于超声波能量的影响，从而加强了种子细胞中的氧化过程。波能量的影响，从而加强了种子细胞中的氧化过程。