Механические волны. Звук и его характеристики

1. Механические волны. Звук и его характеристики

1. Волны в упругой среде. Уравнение волны.
Характеристики.
2. Физические основы биологической акустики
3. Звук и его характеристики.
4. Звуковые методы исследования в клинике
5. Ультразвуковые колебания. Воздействия
ультразвука на биологические ткани
6. Эффект Доплера и его применение в
медицине.

2. Механической волной называют механические возмущения, распространяющиеся в пространстве и несущие энергию.

Механические волны
Механической волной называют механические
возмущения, распространяющиеся в
пространстве и несущие энергию.
Различают два основных вида механических волн:
-упругие волны (распространение упругих
деформаций )
- волны на поверхности жидкости.
Схема распространения волны
S – смещение, x – координата, υ – скорость волны
Если s и x направлены вдоль одной прямой, то волна продольная,
если они взаимно перпендикулярны, то волна поперечная.

3. Характеристики волны

1.Поток энергии (Ф)
2.Объемная плотность энергии (Wp)
3.Интенсивность волны (плотность потока
энергии волны) (I)

4. Характеристики волны

Фазовая и групповая
скорости
Скорость распространения
фиксированной фазы
колебаний называют фазовой.
x
t const
Длина волны
Расстояние между двумя
точками, фазы которых в
один и тот же момент
времени отличаются на 2
называется длиной волны
Фазовая скорость равна
dx
dt
Групповая скорость описывает
реальную волну, представленную
суммой группы синусоидальных
волн
v
T
T
1

5. Характеристики волны

Поток энергии волн
Поток энергии волн
равен отношению
энергии, переносимой
волнами через
некоторую поверхность,
к времени, в течение
которого эта энергия
перенесена
dE
Ф
(Вт )
dt
Объемная плотность
энергии
Средняя энергия
колебательного движения,
приходящаяся на единицу
объема среды называется
объемной плотностью
энергии
E
E
E
V S l S t
E
S
A2 2
2

6. Плотность потока энергии (интенсивность)

Ф S
I
Ф
I
S

7. Дифференциальное уравнение волны

x
x
S A sin (t )
S A sin (t )
dS
x
A cos (t )
dt
2
d S
x
2
A sin (t )
2
dt
dS
x
A cos (t )
dx
d 2S
2
x
A 2 sin (t )
2
dx
2
2
d S
2 d S
2
2
dt
dx
2
2
d S
1 d S
2 2
2
dx
dt

8. Физические основы биологической акустики

Звук – это колебания частиц среды,
распространяющиеся в виде продольных
механических волн с частотой от 16 Гц до 20000 Гц
(20 кГц).
Энергетическая характеристика звука
Интенсивностью волны I называют величину, численно
равную средней по времени энергии Е, переносимой
волной в единицу времени через единицу площади
поверхности, расположенную перпендикулярно
направлению распространения волны
E
I
St

9. Звуковое или акустическое давление

Звуковым или акустическим давлением называют
добавочное давление (избыточное над средним
давлением окружающей среды, например над
атмосферным давлением), образующееся в участках
сгущения частиц в акустической волне
РA А
Связь интенсивности и акустического давления
р
I
2
2
А
I ( A
2
2
2
)

10. Виды звуков

Тон – это звук, являющийся периодическим процессом
Шум - это звук, отличающийся сложной не повторяющейся
временной зависимостью
Звуковой удар – кратковременное звуковое воздействие
Объективные характеристики звука
Частота
Интенсивность
Звуковое давление
Акустический или гармонический спектр
Акустические спектры

11. Звук как психофизическое явление

Субъективные характеристики звука:
высота – обусловленная частотой основного тона,
тембр – определяется спектральным составом звука,
громкость - уровень слухового ощущения определяется
интенсивностью и частотой звука.
Характеристики слухового (субъективного) ощущения

12. Уровень интенсивности

I
L lg
I0
I
L 10 lg
I0
р
LБ 2 lg
р0
р
LдБ 20 lg
р0
5
p0 2 10 Па

13. Закон Вебера – Фехнера (1858г)

Если интенсивность звука увеличивается в
геометрической прогрессии, то ощущение
громкости
этого
звука
возрастает
в
арифметической прогрессии
I
Е к lg
I0
k – коэффициент пропорциональности,
зависящий от частоты и интенсивности
звука

14. Единицы измерения громкости звука

Если положить k =1, то определяется
единица уровня громкости звука
1Бел.
Уровень громкости звука 1Бел (Б)
соответствует силе звука I = 10 I0
Чаще пользуются единицей в 10 раз
меньшей 1 Децибел (1дБ)
1дБ = 0,1 Б

15.

16. Кривые равной громкости

Громкость звука
измеряется в
фонах
На частоте 1кГц
K=1
I
Е 10 * lg
I0

17. Звуковые методы в медицине

Аускультация (выслушивание) – с
помощью стетоскопа или
фонендоскопа
1 – полая капсула
2 – передающая звук мембрана
3 – резиновые трубки

18. Звуковые методы в медицине

Перкуссия – выслушивание
Звучания отдельных частей тела при их
простукивании
Фонокардиография (ФКГ)
графическая регистрация тонов и
шумов сердца

19. Диагностика органов слуха

Метод измерения остроты слуха
называется аудиометрией.
На специальном приборе
(аудиометре) определяют порог
слухового ощущения на разных
частотах.

20. Биофизика ультразвука

Ультразвуком
(УЗ)
называют
механические колебания и волны,
частоты которых более 20 кГц
Скорость УЗ и звука определяется
плотностью среды. Зависимость
прямая.

21. Получение ультразвуковых колебаний

Электромеханические излучатели:
1. Основанные на явлении обратного
пьезоэлектрического эффекта
(высокочастотный УЗ)
2. Основанные на явлении
магнитострикции (низкочастотный
УЗ)

22. Обратный пьезоэффект

Под действием электрического поля
происходит механическая
деформация пьезокристалла
УЗ
Источник
Электроды
Пьезокристалл
УЗ

23. Прямой пьезоэффект

Под действием механических
деформаций пьезокристалла
возникает электрическое
напряжение на гранях
Пьезокристалл
V

24. Особенности распространения УЗ

•Малая длина волны. Направленность.
(Применимы законы
геометрической оптики)
•Поглощение (ослабление
интенсивности при прохождении
через вещество)
I I 0e
d

25. Особенности распространения УЗ

• Преломление и отражение
Так как волновое сопротивление
биологических сред в 3000 раз
больше волнового сопротивления
воздуха, то отражение УЗ на
границе воздух-кожа составляет
99,99%.
• Деформация, кавитация (возникает
при интенсивностях, больших 0,8∙104
Вт/м2 )
• Выделение тепла
• Химические реакции

26. Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ

•микровибрация на клеточном и
субклеточном уровне,
•разрушение биомакромолекул,
•перестройка и повреждение
биологических мембран, изменение
проницаемости мембран,
•тепловое действие,
•разрушение клеток и
микроорганизмов

27. Эффект Доплера

Эффектом
Доплера
называют
изменение
частоты
волн,
воспринимаемых
наблюдателем
(приемником
волн),
вследствие
относительного движения источника
волн и наблюдателя.
н
v' ' '
v
и
н
v' ' '
v
и

28. Диагностика на основе эффекта Доплера

Излучатель УЗ
Генератор
электрических
колебаний
приемник
Устройство сравнения
частот
УЗ
волна
Отраженная
УЗ - волна
кровеносный
сосуд
Э
Э
Э
Сигнал доплеровского
сдвига
Э
Э
движущиеся эритроциты
v
Д
2 0
Г
υ0 – скорость движения эритроцитов
υ – скорость УЗ
νГ – частота генератора
νД – доплеровский сдвиг частот

29. Ультразвуковая диагностика – локационные методы

Эхоэнцефолография – определение
опухолей и отека головного мозга
Ультразвуковая кардиография –
измерение размеров сердца в
динамике
Ультразвуковая локация для
определения размеров глазных сред

30. Ультразвуковая диагностика

Ультразвуковой Доплер эффект –
изучают
характер
движения
сердечных клапанов; определяют
скорость кровотока
По
скорости
ультразвука
определяют место повреждения
кости
Ультразвуковая голография

31. Ультразвуковая физиотерапия

Терапевтическое
действие
ультразвука
обусловлено
механическим, тепловым и физикохимическим факторами
Фонофорез - введение с помощью
ультразвука в ткани через поры
кожи
некоторых
лекарственных
веществ
(гидрокортизона,
тетрациклина и др.).

32. Ультразвуковая хирургия

Ультразвуковой скальпель –
рассечение тканей
Ультразвуковой остеосинтез –
«сваривания» тканей
Удаление опухолей в мозговой
ткани без вскрытия черепной
коробки
Дробление почечных камней

33. Практическое применение УЗ

В фармацевтической
промышленности – создание
эмульсий, лекарств, аэрозолей
В хирургии - стерилизация
медицинских инструментов
Для ориентировки слепых в
пространстве