振动与波声波超声波.pptx

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1、 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: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.回复力:始终指向平衡位置的作用力.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第第2页页/共共46页页第1页/共46页描述简谐运动的物理量图图固有属性和 由初始条件确定。振幅圆频率初相相位简谐运动的三要素 第第3页页/共共46页页第2页/共46页简谐运动的速度和加速度速度振幅加速度振幅第第4页页/共共46页页第3页/共46页结论: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

2、旋转 旋转矢量 的模即为简谐运动的振幅.旋转矢量 的角速度即为振动的角频率.旋转矢量 与x轴的夹角(t+)，为简谐振动的相位.t=0 时，与x 轴的夹角 即为简谐振动的初相位.旋转矢量 旋转一周，P点完成一次全振动.简谐运动的旋转矢量表示法周期：第第5页页/共共46页页第4页/共46页x正向最大平衡位置负向最大平衡位置初相位讨论初相位讨论第第6页页/共共46页页第5页/共46页例题 3-1 一物体沿x轴作简谐运动，平衡位置在坐标原点.已知振幅为0.12m，周期2.0s.初始时，物体的位移为0.06m，且向x轴正方向运动.求：（1）此简谐运动的表达式.（2）0.5s时物体的位移、速度和加速度.（

3、3）物体从x=-0.06m向轴负方向运动，第一次回到平衡位置所需的时间.第第7页页/共共46页页第6页/共46页简谐运动的能量弹性力是保守力,作简谐运动的系统机械能守恒O x X第第8页页/共共46页页第7页/共46页例题 3-2 质量为0.10kg的物体以1.0cm的振幅作振动，最大加速度为4.0cms-2.求：（1）振动的周期；（2）振动系统的总能量；（3）物体在何处时，系统的动能和势能相等；（4）物体的位移等于振幅的一半时，动能与势能之比.第第9页页/共共46页页第8页/共46页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

4、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 受迫振动和共振受迫振动和共振受迫振动和共振阻尼振动 称为称为阻尼因子阻尼因子第第10页页/共共46页页第9页/共46页结论:阻尼较小时,振动为减幅振动,振幅随时间按指数规律迅速减少.阻尼越大,减幅越迅速.振动周期大于自由振动周期.欠阻尼情况欠阻尼情况:阻力很小阻力很小第第11页页/共共46页页第10页/共46页结论:阻尼较大时,振动从最大位移缓慢回到平衡位置,不作往复运动.过阻尼情况：阻力很大过阻尼情况：阻力很大第第12页页/共共46页页第11页/共46页 临界阻尼情况临界阻尼情况

5、:结论:“临界阻尼”是质点不作往复运动的一个极限.第第13页页/共共46页页第12页/共46页 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Cbatxo第第14页页/共共46页页第13页/共46页受迫振动:系统在周期性的外力(驱动力力)持续作用下所发生的振动.Oxx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

6、率叫到共振时的频率叫共振频率共振频率.第第15页页/共共46页页第14页/共46页 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.因关节滑液的润滑作用，关节的摩擦力很小.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.测量振幅减小的快慢程度可以获得关节的信息.链接受迫振动，共振 在实际应用中有许多振动属于受迫振动，例如声波引起耳膜的振动、机器运转时引起基座的振动等.链接大桥另种解释思考题3-3 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？第第16页页/共共46页页第15页/共46页3.4 机械波机械波的产生和传播产生条件：产生条件：1

7、）波源；）波源；2）弹性介质）弹性介质.振动方向 传播方向 波分为横波、纵波链接链接第第17页页/共共46页页第16页/共46页交替出现的波峰和波谷.交替出现的密部和疏部.第第18页页/共共46页页第17页/共46页球面波平面波波动的描述 波波线线:从从波波源源沿沿各各传传播播方方向向所所画画的的带带箭箭头头的的线线,用用以以表表示示波的传播路径和传播方向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.波线波面波阵面波线波面波阵面 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

8、.第第19页页/共共46页页第18页/共46页 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.第第20页页/共共46页页第19页/共46页 波速由弹性介质性质决定,频率(或周期)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

9、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.关于波速第第21页页/共共46页页第20页/共46页t=x/u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为为任任意意点点,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

10、面简谐波平面简谐波第第22页页/共共46页页第21页/共46页 例题 3-4 设有一个横波在弦上传播，其波函数为 ，试求其振幅、波长、频率、周期和波速.思考题3-5 波的传播伴随着能量的传播，其能量从何而来？波的能量波的能量第第23页页/共共46页页第22页/共46页例例题题 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求出波的表达式件求出波的表达式,并求并求A点的振动表达式点的振动表达式.(已知已知A=0.01m)y(cm)x(cm)12

11、3456IIIA第第24页页/共共46页页第23页/共46页波的能量波的能量 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.单位体积内的平均能量圆周运动的速度第第25页页/共共46页页第24页/共46页 能流密度能流密度(波的强度波的强度)I:通过垂直于波传播方通过垂直于波传播方向的单位面积的平均能流向的单位面积的平均能流.声波的能流密度称为声强.S 单位：Wm-

12、2第第26页页/共共46页页第25页/共46页3.7 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？只有波源与观察者相对静止时才相等只有波源与观察者相对静止时才相等.3.7 多普勒效应第第27页页/共共46页页第26页/共46页 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，而火车驶离时则会感到频率变小.这种频率随波源或观测者运动而改变的现象称为多普勒效应多普勒效应链接1多普勒效应链接2多普勒效应链接4第第28页页/共共46页页第27页/共46页冲

13、击波链接1链接2链接3 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.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.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力极大极大,这种现象称为声暴这种现象称为声暴.第第29页页/共共46页页第28页/共46页 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,但不是所有的声都能但

14、不是所有的声都能听到的听到的.3.8 3.8 声波声波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第第30页页/共共46页页第29页/共46页 声纹 语音是人的自然属性之一,由于不同的人有不同的发音方式和习惯,发音的频率也就各不相同.因此,运用计算机对语音作分析、处理,利用这种声纹图中的特性差异,就可作为个人身份的识别.同一人说话同一人说话

15、不同人说话不同人说话第第31页页/共共46页页第30页/共46页 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性质和状态而异质和状态而异.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变化化而变化而变化.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

16、温摄氏气温)第第32页页/共共46页页第31页/共46页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。第第33页页/共共46页页第32页/共46页 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.声压和声强 声压:声压幅值(声幅):声强 声波的强度称为声波的强度称为声强声强.第第34页页/共共46页页第33页/共46页 在最佳音频在最佳音频(约约10004000Hz)条件下条件下,人对声强感受

17、范围人对声强感受范围:声强级声强级声强级L1 贝(B)=10 分贝(dB)I0=10-12 Wm-2 为规定的标准参考声强.第第35页页/共共46页页第34页/共46页例题3-6 某工厂车间有10台机器，每台机器运转时产生的声强级为60dB。同时运转10台机器，车间的声强级为多少？再测得蚊子嗡鸣的声强级为0.10 dB，那么10只蚊子同时嗡鸣时的声强级又是多少？第第36页页/共共46页页第35页/共46页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

18、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.超声波及应用原理 声波的频率高于20kHz，不被人耳所感觉第第37页页/共共46页页第36页/共46页（1）方向性好的应用 频率高，波长短，衍射不严重，因而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以跳广场舞的不扰民空间。（2）强度高的应用强度高，临床治疗中的超声碎石法去除结石第第38页页/共共46页页第37页/共46页 2.超声波对人体组织产生的几种生物效应（1）温热效应 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

19、，这种现象称为温热效应（warm effect）或称温热作用.点焊机点焊机泡脚盆第第39页页/共共46页页第38页/共46页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”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超超声加湿器基本原理声加湿器基本原理（2）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组织结构产生直接的效果.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应用了这一效应。超声波切割链接超声波切割链接第第40页页/共共46页页第39页/共

20、46页（3）空化作用 空化作用是指在超声波的作用下，当声压达到一定值时发生空泡的形成、长大和剧烈的崩溃的动力学过程.这些空泡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，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸.在空泡被压缩直至崩溃的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可高达几十兆帕至上百兆帕.链接链接第第41页页/共共46页页第40页/共46页（4）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，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.（5）弥散效应 超声波能促进半透明膜的浸透作用，可使药物更易进入细菌体内.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

21、，加强药物的杀菌作用.第第42页页/共共46页页第41页/共46页超声医学诊断 A超(amplitude mode):是以回波振幅的大小和回波的疏密来显示人体组织的特征.图示的是A型超声诊断仪的原理示意图.纵坐标表示回波信号的强弱,横坐横表示回波的时间(或距离).超声回波以脉冲形式按时间先后在荧光屏上显示出来.第第43页页/共共46页页第42页/共46页 B超(brightness mode):是以回波亮度的强弱来显示人体内部组织结构的图像.当探头按次序移动扫描时,屏幕上的点状回波与其同步移动.由于扫描形成与超声波方向一致的切面回波,所形成的图像属于二维图象,具有真实性强、直观性好、容易掌握和诊断方便等优点.正常胎儿脊柱B型超声第第44页页/共共46页页第43页/共46页 M超(motion mode):是用于观察活动界面按时间变化的一种方法.最适用于检查心脏的活动情况,其曲线的动态改变称为超声心动图.它可将心脏各层结构的反射信号以点状回波显示在屏幕上.第第45页页/共共46页页第44页/共46页 D超(Doppler mode):是利用多普勒效应检测血液流动和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统，简称彩超.第第46页页/共共46页页第45页/共46页感谢您的观看！第46页/共46页