振动与波声波超声波.ppt

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1、3.1简谐运动简谐运动3.3阻尼振动阻尼振动 受迫振动共振受迫振动共振3.4机械波机械波3.5平面简谐波平面简谐波3.8声波声波3.9超声波和超声诊断超声波和超声诊断第第3章章振动无处不在振动无处不在一物理量在某一定值附近往复变化一物理量在某一定值附近往复变化能感知的：一切发声体、心脏、眨眼睛、呼吸、能感知的：一切发声体、心脏、眨眼睛、呼吸、海浪起伏、地震、等等海浪起伏、地震、等等不能感知的：晶体中原子、交流电、电磁场等等不能感知的：晶体中原子、交流电、电磁场等等心房室压强心房室压强+-振荡电路振荡电路 简谐振动简谐振动是最基本、最简单的振动是最基本、最简单的振动.机机械械振振动动的的原原因因

2、:物物体体所所受受的的回回复复力力和和物体所具有的惯性物体所具有的惯性.回回复复力力:始始终终指指向向平平衡位置的作用力衡位置的作用力.3.1.1 弹簧振子简谐运动表达式：简谐运动表达式：3.1 3.1 3.1 简谐运动简谐运动简谐运动3.1.2 描述简谐运动的物理量描述简谐运动的物理量图图固有属性固有属性和和 由初始条件确定。由初始条件确定。振幅振幅圆频率圆频率初相初相相位相位简谐运动的三要素简谐运动的三要素 3.1.3 简谐运动的速度和加速度简谐运动的速度和加速度速度振幅速度振幅加速度振加速度振幅幅结论结论:投影点的运动为简谐运动投影点的运动为简谐运动.必须是逆时针方向旋转必须是逆时针方向

3、旋转 旋旋转转矢矢量量 的的模模即即为为简简谐谐运运动的动的振幅振幅.旋旋转转矢矢量量 的的角角速速度度 即即为为振动的振动的角频率角频率.旋旋转转矢矢量量 与与x轴轴的的夹夹角角(t+)，为简谐振动的，为简谐振动的相位相位.t=0 时时，与与x 轴轴的的夹夹角角 即为简谐振动的即为简谐振动的初相位初相位.旋旋转转矢矢量量 旋旋转转一一周周，P点点完完成一次全振动成一次全振动.3.1.4 3.1.4 简谐运动的旋转矢量表示法简谐运动的旋转矢量表示法周期：周期：x正向最大正向最大平衡位置平衡位置负向最大负向最大平衡位置平衡位置初相位讨论初相位讨论例题例题 3-1 一物体沿一物体沿x轴作简谐运动，

4、平衡位置在坐标原轴作简谐运动，平衡位置在坐标原点点.已知振幅为已知振幅为0.12m，周期，周期2.0s.初始时，物体的位移初始时，物体的位移为为0.06m，且向，且向x轴正方向运动轴正方向运动.求：（求：（1）此简谐运动）此简谐运动的表达式的表达式.（2）0.5s时物体的位移、速度和加速度时物体的位移、速度和加速度.（3）物体从）物体从x=-0.06m向轴负方向运动，第一次回到向轴负方向运动，第一次回到平衡位置所需的时间平衡位置所需的时间.3.1.5 简谐运动的能量简谐运动的能量弹性力是弹性力是保守力保守力,作作简谐简谐运动的系运动的系统统机械能守恒机械能守恒O x X例题例题 3-2 质量为

5、质量为0.10kg的物体以的物体以1.0cm的振幅作振动，的振幅作振动，最大加速度为最大加速度为4.0cms-2.求：（求：（1）振动的周期；）振动的周期；（2）振动系统的总能量；（）振动系统的总能量；（3）物体在何处时，系统）物体在何处时，系统的动能和势能相等；的动能和势能相等；（4）物体的位移等于振幅的一）物体的位移等于振幅的一半时，动能与势能之比半时，动能与势能之比.Oxx 定定义义:振振动动系系统统在在回回复复力力和和阻阻尼尼力力共共同同作作用用下下发发生生的的减减幅振动称为幅振动称为阻尼振动阻尼振动.在物体速度较小时在物体速度较小时,3.3 3.3 3.3 阻尼振动阻尼振动阻尼振动

6、受迫振动和共振受迫振动和共振受迫振动和共振3.3.1 阻尼振动 称为称为阻尼因子阻尼因子结结论论:阻阻尼尼较较小小时时,振振动动为为减减幅幅振振动动,振振幅幅随随时时间间按按指指数数规规律律迅迅速速减减少少.阻阻尼尼越越大大,减减幅幅越越迅迅速速.振振动动周周期期大大于于自自由振动周期由振动周期.欠阻尼情况欠阻尼情况:阻力很小阻力很小结结论论:阻阻尼尼较较大大时时,振振动动从从最最大大位位移移缓缓慢慢回回到到平平衡衡位位置置,不作往复运动不作往复运动.过阻尼情况：阻力很大过阻尼情况：阻力很大 临界阻尼情况临界阻尼情况:结论结论:“临界阻尼临界阻尼”是质点不作往复运动的一个极限是质点不作往复运动

7、的一个极限.b b）过阻尼）过阻尼 a a）欠阻尼）欠阻尼 c c）临界阻尼）临界阻尼 三种阻尼振动位移时间曲线三种阻尼振动位移时间曲线Cbatxo受受迫迫振振动动:系系统统在在周周期期性性的的外外力力(驱驱动动力力力力)持持续续作作用用下下所所发发生的振动生的振动.Oxx3.3.2 受迫振动 共振 振子在做受迫振动时，当振子在做受迫振动时，当周期性外力的频率与振子的固周期性外力的频率与振子的固有频率接近时，振子振幅显著有频率接近时，振子振幅显著增加增加,在某一频率时在某一频率时,振幅达到振幅达到最大最大 ,这一现象称为这一现象称为共振共振.达达到共振时的频率叫到共振时的频率叫共振频率共振频率

8、.阻尼振动理论为动物肢体关节中存在的摩擦力提供阻尼振动理论为动物肢体关节中存在的摩擦力提供了测量方法了测量方法.因关节滑液的润滑作用，关节的摩擦力很因关节滑液的润滑作用，关节的摩擦力很小小.试着坐着并使小腿绕膝关节自由摆动，如果肌力不试着坐着并使小腿绕膝关节自由摆动，如果肌力不对它施加作用力，那么小腿的摆动会趋于静止对它施加作用力，那么小腿的摆动会趋于静止.测量振测量振幅减小的快慢程度可以获得关节的信息幅减小的快慢程度可以获得关节的信息.链接链接受迫振动，共振受迫振动，共振 在实际应用中有许多振动属于受迫振动，例如声在实际应用中有许多振动属于受迫振动，例如声波引起耳膜的振动、机器运转时引起基座

9、的振动等波引起耳膜的振动、机器运转时引起基座的振动等.链接链接大桥另种解释大桥另种解释思考题思考题3-3 3-3 从利和弊两个方面列举生活的共振现象从利和弊两个方面列举生活的共振现象.怎样避免共振的发生？怎样避免共振的发生？3.4 机械波机械波3.4.1 机械波的产生和传播机械波的产生和传播产生条件：产生条件：1）波源；）波源；2）弹性介质）弹性介质.振动方向振动方向 传播方向传播方向 波分为波分为横波、纵波横波、纵波链接链接交替出现交替出现的波峰和的波峰和波谷波谷.交替出现交替出现的密部和的密部和疏部疏部.球面波球面波平面波平面波3.4.2 波动的描述 波波线线:从从波波源源沿沿各各传传播播

10、方方向向所所画画的的带带箭箭头头的的线线,用用以以表表示波的传播路径和传播方向示波的传播路径和传播方向.波阵面波阵面(波前波前):最前面的那个波面最前面的那个波面.波面波面:所有振动相位相同的点连成的面所有振动相位相同的点连成的面.波线波线波面波面波阵面波阵面波线波线波面波面波阵面波阵面 波在传播过程中波面有无穷多个波在传播过程中波面有无穷多个.在各向同性介质中波线和波面垂直在各向同性介质中波线和波面垂直.描述波动的物理量描述波动的物理量周期周期 T 波形移过一个波长所需的时间波形移过一个波长所需的时间.波长波长 l l 振动状态完全相同的相邻两质点之间的距离振动状态完全相同的相邻两质点之间的

11、距离.频率频率 n n 周期的倒数周期的倒数.波波速速 u 单单位位时时间间内内振振动动状状态态(振振动动相相位位)的的传传播播速速度度,又称相速又称相速.机械波速取决于弹性介质的物理性质机械波速取决于弹性介质的物理性质.波波速速由由弹弹性性介介质质性性质质决决定定,频频率率(或周期或周期)则由波源的振动特性决定则由波源的振动特性决定.1.波波速速是是振振动动能能量量或或振振动动形形式式的的传传播播,非质点的振动速度非质点的振动速度.2.影影响响波波速速的的因因素素:介介质质的的特特性性(弹弹性性模量模量,介质的密度等介质的密度等).3.波速与频率无关波速与频率无关.关于波速关于波速t=x/u

12、时时,P点点的的振振动动状状态态与与O点点t=0时时的的状状态态相相同同.P为为任任意点意点,所以波动表达式为所以波动表达式为:P点的振动表达式点的振动表达式:若波源若波源(x=0)的振动表达式为的振动表达式为:若波沿若波沿x轴的负向传播轴的负向传播,则则P点相位比点相位比O点相位超前点相位超前t=x/u,则则 3.5 3.5 3.5 平面简谐波平面简谐波平面简谐波 例题例题 3-4 设有一个横波在弦上传播，其波函数为设有一个横波在弦上传播，其波函数为 ，试求其振，试求其振幅、波长、频率、周期和波速幅、波长、频率、周期和波速.思考题思考题3-5 波的传播伴随着能量的传播，其能量波的传播伴随着能

13、量的传播，其能量从何而来？从何而来？波的能量波的能量例例题题 已已知知t=0时时的的波波形形曲曲线线为为I,波波沿沿x方方向向传传播播,经经 t=0.5s后后波波形形变变为为曲曲线线II.已已知知波波的的周周期期 T 1s,试试根根据据图图中中绘绘出出的的条条件件求求出出波波的的表表达达式式,并并求求A点点的的振振动动表表达达式式.(已已知知A=0.01m)y(cm)x(cm)123456IIIA3.5.3 3.5.3 波的能量波的能量 当机械波在媒质中传播时，媒质中各质点均在其平当机械波在媒质中传播时，媒质中各质点均在其平衡位置附近振动，因而具有振动衡位置附近振动，因而具有振动动能动能；介质

14、发生弹性形；介质发生弹性形变，因而具有弹性变，因而具有弹性势能势能.2 波动是波动是能量传递能量传递的一种方式的一种方式.单位体积内的单位体积内的平均能量平均能量圆周运动圆周运动的速度的速度 能流密度能流密度(波的强度波的强度)I:通过垂直于波传播通过垂直于波传播方向的单位面积的平均能流方向的单位面积的平均能流.声波的能流密度称为声波的能流密度称为声强声强.S 单位：单位：Wm-23.7 3.7 多普勒效应与超波速现象多普勒效应与超波速现象发射频率发射频率接收频率接收频率人耳听到的频率与声人耳听到的频率与声源的频率相同吗源的频率相同吗？运动吗？运动吗？只有波源与观察者相对静止时才相等只有波源与

15、观察者相对静止时才相等.3.7 3.7 多普勒效应多普勒效应 当一列火车鸣笛从远处驶向站台时，站台上的人当一列火车鸣笛从远处驶向站台时，站台上的人听到的汽笛声音越来越尖，说明频率变大了，而火车听到的汽笛声音越来越尖，说明频率变大了，而火车驶离时则会感到频率变小驶离时则会感到频率变小.这种频率随波源或观测者这种频率随波源或观测者运动而改变的现象称为运动而改变的现象称为多普勒效应多普勒效应多普勒效应多普勒效应链接链接1多普勒效应多普勒效应链接链接2多普勒效应多普勒效应链接链接43.7.2 3.7.2 冲击波冲击波链接链接1 1链接链接2 2链接链接3 3 波源在所有时刻发出的波将同时到达接收点，冲

16、波源在所有时刻发出的波将同时到达接收点，冲击波的强度达到极大，破坏力非常强击波的强度达到极大，破坏力非常强.冲击波技术进行冲击波技术进行体外碎石，它能将肾结石或尿结石无创伤地移除体外碎石，它能将肾结石或尿结石无创伤地移除.声声暴暴:当当波波源源的的运运动动速速率率刚刚好好等等于于波波速速时时,锥锥面面变变为为平平面面.波波源源在在各各时时刻刻发发射射的的波波,几几乎乎与与波波源源自自身身共共处处于于同同一一平平面面,这这时时冲冲击击波波的的能能量量非非常常集集中中,强强度度和和破破坏坏力极大力极大,这种现象称为声暴这种现象称为声暴.所有物体的振动所有物体的振动,传播出去都是声传播出去都是声,但

17、不是所有的声都但不是所有的声都能听到的能听到的.3.8 3.8 声波声波3.8.1 声波和声速声声波波 是是在在弹弹性性介介质质中中传传播播的的一一种种机机械械波波(纵纵波波).人人对对声声音音的的感感觉觉频频率率范范围围是是20Hz20kHz,称为称为声波声波.频率低于频率低于20Hz叫做叫做次声波次声波.频率高于频率高于20kHz的叫做的叫做超声波超声波.阻尼钢板阻尼钢板钢板钢板 声纹声纹 语语音音是是人人的的自自然然属属性性之之一一,由由于于不不同同的的人人有有不不同同的的发发音音方方式式和和习习惯惯,发发音音的的频频率率也也就就各各不不相相同同.因因此此,运运用用计计算算机机对对语语音

18、音作作分分析析、处处理理,利利用用这这种种声声纹纹图图中中的的特特性性差差异异,就就可可作为个人身份的识别作为个人身份的识别.同一人说话同一人说话不同人说话不同人说话 声速声速 声声波波在在介介质质中中传传播播的的速速度度.其其大大小小因因介介质质的的性质和状态而异性质和状态而异.声声速速的的数数值值在在固固体体中中比比在在液液体体中中大大,在在液液体体中中又又比比在在气气体体中中大大.它它的的大大小小还还随随大大气气温温度度的的变化而变化变化而变化.媒质温度 声速m s-1空气0331氢01270水201400冰05100黄铜203500玻璃05500花岗岩03950铝205100在干燥空气

19、中在干燥空气中,音速的经验公式是音速的经验公式是:u=331.3+(0.606c)m/s (c=摄氏气温摄氏气温)声源一般包括两个组成部分：振动体和共鸣器声源一般包括两个组成部分：振动体和共鸣器.如小提琴的弦是振动体，而琴身箱体能起共鸣如小提琴的弦是振动体，而琴身箱体能起共鸣作用把声波传到空气中去；人的声带是振动体，鼻作用把声波传到空气中去；人的声带是振动体，鼻腔和口腔等起到共鸣的作用。腔和口腔等起到共鸣的作用。声声压压 某某一一时时刻刻,在在介介质质中中的的某某处处,有有声声波波传传播播时时的的压压强强 与无声波传播时的压强之差与无声波传播时的压强之差.3.8.2 声压和声强 声压声压:声压

20、幅值声压幅值(声幅声幅):声强声强 声波的强度称为声波的强度称为声强声强.在在最最佳佳音音频频(约约10004000Hz)条条件件下下,人人对对声声强强感感受受范范围围:3.8.3 声强级声强级声强级L1 贝贝(B)=10 分贝分贝(dB)I0=10-12 W m-2 为规定的为规定的标准参考声强标准参考声强.例题例题3-6 某工厂车间有某工厂车间有10台机器，每台机器运转时产台机器，每台机器运转时产生的声强级为生的声强级为60dB。同时运转。同时运转10台机器，车间的声强台机器，车间的声强级为多少？再测得蚊子嗡鸣的声强级为级为多少？再测得蚊子嗡鸣的声强级为0.10 dB，那么，那么10只蚊子

21、同时嗡鸣时的声强级又是多少？只蚊子同时嗡鸣时的声强级又是多少？3.9 3.9 3.9 超声和超声诊断超声和超声诊断超声和超声诊断 超声的特性超声的特性 超超声声波波具具有有声声波波的的通通性性,由由于于频频率率高高(波波长长短短),因因而而还还具具备如下特点备如下特点:1.方向性好方向性好.2.强度高强度高.3.贯穿能力强贯穿能力强.4.在不同界面上产生显著反射在不同界面上产生显著反射.3.9.1 超声波及应用原理 声波的频率声波的频率高于高于20kHz，不，不被人耳所感觉被人耳所感觉（1）方向性好的应用）方向性好的应用 频率高，波长短，衍射不严重，因而具有良好频率高，波长短，衍射不严重，因而

22、具有良好的定向传播特性。利用超声波音箱在住宅区营造出可的定向传播特性。利用超声波音箱在住宅区营造出可以跳广场舞的不扰民空间。以跳广场舞的不扰民空间。（2）强度高的应用强度高的应用强度高，强度高，临床治临床治疗中的超声碎石疗中的超声碎石法去除结石法去除结石 2.超声波对人体组织产生的几种生物效应超声波对人体组织产生的几种生物效应（1）温热效应）温热效应 超声波在介质中传播时，一部分能量被介质吸收超声波在介质中传播时，一部分能量被介质吸收而转化为热量，导致介质的温度升高，这种现象称而转化为热量，导致介质的温度升高，这种现象称为温热效应（为温热效应（warm effect）或称温热作用）或称温热作用

23、.点焊机点焊机泡脚盆泡脚盆利用超声波可以把普通水利用超声波可以把普通水利用超声波可以把普通水利用超声波可以把普通水“打碎打碎打碎打碎”成直径仅为几微成直径仅为几微成直径仅为几微成直径仅为几微米的小水珠，变成雾气喷米的小水珠，变成雾气喷米的小水珠，变成雾气喷米的小水珠，变成雾气喷散到房间的空气中，增大散到房间的空气中，增大散到房间的空气中，增大散到房间的空气中，增大房间中空气的湿度房间中空气的湿度房间中空气的湿度房间中空气的湿度超超超超声加湿器基本原理声加湿器基本原理声加湿器基本原理声加湿器基本原理（2）机械作用）机械作用 超声波在生物体中传播时，振动和压力会对细胞和超声波在生物体中传播时，振动

24、和压力会对细胞和组织结构产生直接的效果组织结构产生直接的效果.如细胞可能会被超声波产生如细胞可能会被超声波产生的剪切力所断裂或粉碎，超声手术刀和超声碎石等都的剪切力所断裂或粉碎，超声手术刀和超声碎石等都应用了这一效应。应用了这一效应。超声波切割链接超声波切割链接（3）空化作用）空化作用 空化作用是指在超声波的作空化作用是指在超声波的作用下，当声压达到一定值时发用下，当声压达到一定值时发生空泡的形成、长大和剧烈的生空泡的形成、长大和剧烈的崩溃的动力学过程崩溃的动力学过程.这些空泡这些空泡在超声波纵向传播形成的负压在超声波纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，区生长，而在正压区迅速闭合，从

25、而在交替正负压强下受到压从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸缩和拉伸.在空泡被压缩直至在空泡被压缩直至崩溃的一瞬间，会产生巨大的崩溃的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可高达几十兆瞬时压力，一般可高达几十兆帕至上百兆帕帕至上百兆帕.链接链接（4）触变效应）触变效应 超声波的作用还会引起生物组织分离状态的改变，超声波的作用还会引起生物组织分离状态的改变，如导致血液黏度降低、血浆变稀和血球沉淀等，这些如导致血液黏度降低、血浆变稀和血球沉淀等，这些称为触变效应称为触变效应.（5）弥散效应）弥散效应 超声波能促进半透明膜的浸透作用，可使药物更易超声波能促进半透明膜的浸透作用，可使药物更易进入细菌体内进入

26、细菌体内.研究证明，将消毒药物与超声兼并运用，研究证明，将消毒药物与超声兼并运用，可提升细菌对药的敏感性，加强药物的杀菌作用可提升细菌对药的敏感性，加强药物的杀菌作用.3.9.2 超声医学诊断 A超超(amplitude mode):是是以以回回波波振振幅幅的的大大小小和和回回波波的的疏疏密密来来显显示示人人体体组组织织的的特特征征.图图示示的的是是A型型超超声声诊诊断断仪仪的的原原理理示示意意图图.纵纵坐坐标标表表示示回回波波信信号号的的强强弱弱,横横坐坐横横表表示示回回波波的的时时间间(或或距距离离).超超声声回回波波以以脉脉冲冲形形式式按按时时间间先先后后在在荧荧光屏上显示出来光屏上显示

27、出来.B超超(brightness mode):是是以以回回波波亮亮度度的的强强弱弱来来显显示示人人体体内内部部组组织织结结构构的的图图像像.当当探探头头按按次次序序移移动动扫扫描描时时,屏屏幕幕上上的的点点状状回回波波与与其其同同步步移移动动.由由于于扫扫描描形形成成与与超超声声波波方方向向一一致致的的切切面面回回波波,所所形形成成的的图图像像属属于于二二维维图图象象,具具有有真真实实性强、直观性好、容易掌握和诊断方便等优点性强、直观性好、容易掌握和诊断方便等优点.正常胎儿脊柱正常胎儿脊柱B型超声型超声 M超超(motion mode):是是用用于于观观察察活活动动界界面面按按时时间间变变化化的的一一种种方方法法.最最适适用用于于检检查查心心脏脏的的活活动动情情况况,其其曲曲线线的的动动态态改改变变称称为为超超声声心心动动图图.它它可可将将心心脏脏各各层层结结构构的的反反射射信信号号以以点状回波显示在屏幕上点状回波显示在屏幕上.D超超(Doppler mode):是是利利用用多多普普勒勒效效应应检检测测血血液液流流动动和和器官活动的一种超声诊断方法器官活动的一种超声诊断方法.超声多普勒效应测血流速超声多普勒效应测血流速彩色编码多普勒系彩色编码多普勒系统，简称彩超统，简称彩超.