voprosy_po_fizike (1)_copy_copy
.pdf
Вопрос 13 Механические волны. Уравнение плоской волны. Параметры колебаний и волн. Энергетические характеристики.
1) Механическая волна-это распространение механических колебаний в упругой среде.
2) Уравнение волны описывает зависимость смещения S частиц среды от координаты Х и времени t: S f(x,t)
Уравнение плоской волны:
A- амплитуда; ω - циклическая частота; t- время; X-координата; V- скорость волны; S- смещение
3) Параметры колебаний и волн:
Амплитуда А, м
Период Т, с- время одного полного колебания.
Частота ν , Гцчисло колебаний за единицу времени.
Длина волны,λ м- путь, пройденный волной за период.
Скорость волны v, м/с
Фаза, рад
Циклическая частота ω = 2πν
4) Энергетические характеристики
1.Энергия W , Дж
2.Поток энергии Ф, Вт - это физическая величина, равная отношению энергии, переносимой волной, ко времени.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
W |
|
|
Ф |
dW |
|
||
|
t |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
dt |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Плотность потока энергии= интенсивность волныэто физическая величина, равная потоку энергии волны через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны.
|
|
|
|
|
I |
Ф |
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
dW |
Вт |
|
||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
dt S м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Объемная плотность энергии волны- это энергия в единице объема.
или это средняя энергия колебательного движения, приходящегося на единицу объема среды.
5. Вектор Умова – это вектор плотности потока энергии волны, направленный в сторону переноса энергии волной.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
I |
|
2 |
A2 2 |
|
|
|
|
|
|
|
Вопрос 14. Эффект Доплера и его применение в медицине
Эффект Доплера заключается в изменении частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга.
набл vзв vнабл ист
vзв vист
Если приближается (объект, наблюдатель), то скорость берется со знаком
«+».
Если удаляется, то скорость берется со знаком «-»
Классический пример этого феномена: Звук свистка от движущегося поезда.
Эффект Доплера используется для определения скорости движения тела в среде, скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца =
доплеровская эхокардиография.
Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется. Происходит сдвиг частоты.
При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя.
Доплеровский сдвигэто разность между отраженной и переданной частотами ∆ ν.
2v0 ген
vуз
Доплерометрия
Благодаря аппарату Доплера гинеколог, ведущий беременность, делает вывод о том, есть ли угроза для развития ребенка, насколько хорошо его состояние, сильное сердце, нормальный ли кровоток к сердцу и каково состояние кровообращения в организме малыша, все ли хорошо с пуповиной
у мамы в системе мать-плод-плацента, нет ли у младенца пороков сердца, анемии или гипоксии.
Двухмерное цветовое доплеровское картирование при нарушении оттока из левого желудочка. Относительно низкая скорость выходного потока левого желудочка кодируется синим цветом. В области сужения скорость возрастает, возникает наложение спектров (aliasing), и кодировка сигнала потока меняется на красную. На участке обструкции регистрируется относительно узкий турбулентный поток.
Вопрос 15. Звук. Виды звуков. Спектр звука. Волновое сопротивление.
1) Звук –это механическая волна в упругой среде, воспринимаемая ухом человека. (16 Гц – 20 кГц)
Упругая среда –это среда между частицами которой существуют силы упругости, препятствующие ее деформации.
Инфразвук до 16 Гц
Слышимый звук 16 Гц-20 кГц
Ультразвук 20 кГц – 1 ГГц
2) Виды звуков:
Чистый тон
А
ν
Сложный тон
А
ν
Шум.
3)Спектр (линейчатый, сплошной) – это график зависимости амплитуды от частоты.
4)Волновое сопротивление – это произведение плотности среды на скорость звука в этой среде.
Z c
|
Па с |
|
|
м |
|
|
|
|
Z – акустический импеданс = волновое сопротивление характеризует свойство среды проводить акустическую энергию.
Вопрос 16. Объективные (физические) характеристики звука. Субъективные характеристики, их связь с объективными. Закон ВебераФехнера.
Физические = объективные, слухового ощущения = субъективные.
1.Частота
2.Скорость
3.Акустический
спектр
4.Звуковое
давление
5.Интенсивность
6.Уровень
интенсивности
1.Тембр
2.Высота
3.Громкость
1)Частота-νчисло колебаний в единицу времени.
2)Скорость звука
В воздухе 331,5 м/с 340 м/с (20 º С); Вода 1500 м/с; Кровь 1540; м/с
Кость ≈ 4000 м/с
3)Акустический спектр
4)Звуковое давление
P c
ρ - плотность среды
V – скорость колебательного движения частиц среды
С – скорость звука
5) Интенсивность звука
|
|
|
|
|
I |
Ф |
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
p |
2 |
|
|
|
|
||
|
2 c |
|
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Вт |
||
|
м |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
W |
|
|
t S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Порог слышимости на 1 кГц |
I0 = 10 |
-12 |
2 |
|
Вт/м |
||
|
|
|
6) Уровень интенсивности
Для сравнения интенсивностей звуков используют логарифмическую шкалу.
|
|
|
|
|
|
|
L lg |
I |
[Б] |
|
|
|
I |
|
|
||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Бел
|
|
|
|
|
|
|
L 10lg |
I |
[дБ] |
|
|
|
I |
|
|
||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
децибел
1 Б- это уровень интенсивности, при котором интенсивности сравниваемых волн отличаются в 10 раз.
2) Субъективные характеристики, их связь с объективными.
1. Высота звука –это качество звука, определяемое человеком субъективно, на слух, и зависящее от частоты.
С увеличением частоты высота увеличивается.
2. Тембр определяется спектральным составом звука.
3. Громкость звука – это уровень слухового ощущения, вызываемого этим звуком. Громкость зависит от интенсивности, частоты и формы колебаний.
Если надо выразить различие в восприятии человеком звуков разной
интенсивности, то используют уровень громкости Е. |
[фон] |
|
3) Закон Вебера - Фехнера- логарифмический закон, отражающий свойство адаптации уха.
|
|
|
|
|
|
E k lg |
I |
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E 10lg |
I |
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фехнер сформулировал основной психофизический закон: ощущение
раздражения пропорционально логарифму силы раздражения.
Если раздражение (I) увеличивать в геометрической прогрессии (то есть
водинаковое число раз), то ощущение (E) этого раздражения возрастает
варифметической прогрессии (то есть на одинаковую величину).
Вопрос 17. Ультразвук, физические основы применения в медицине
УЗ – это механические продольные колебания и волны, частота которых превышает 20 кГц.
Ультразвуковая волна – это последовательность сгущений и разрежений. Ультразвук 20 кГц – 1 ГГц Гиперзвук ˃ 1 ГГц
Источники УЗ:
1.Магнитострикция
2. Обратный пьезоэффект . Заключается в механической деформации тел под действием электрического поля
Приемники УЗ:
Прямой пьезоэффект. Под действием УЗ происходит деформация кварца, которая приводит к генерации переменного электрического поля.
Особенности распространения УЗ волн:
Лучевой характер, легко фокусировать, возможность получения больших интенсивностей, подчиняется законам отражения и преломления, отражается от объектов, небольших размеров, малая λ λУЗ=2÷0,6 мм
Действие УЗ на вещество, на клетки и ткани организма
Действие УЗ:
Механическое + тепловое + Физико-химическое
Механическое действие связано с деформацией микроструктуры вещества, вследствие периодического сближения и отдаления микрочастиц вещества. Например, в жидкости УЗ волна вызывает разрыв ее целостности с образованием полостей.
Это кавитация. Это энергетически невыгодное состояние жидкостей,
поэтому полости быстро закрываются с выделением большого количества энергии.
Кавитация - разрыв сплошности жидкости (cavltas - пустота, пузырьки). Возникновение в жидкости, облучаемой УЗ, пульсирующих и захлопывающихся пузырьков.
Применение в медицине
Диагностика:
1. Эхолокационные методы: отражение УЗ.
I = 50 мВт/см2.
ν от 1 до 30 МГц Чаще всего 2,25-5 МГц.
Метод А, Метод В, Метод М
2. Эффект Доплера
Лечение:
1. УЗ низких интенсивностей:
Физиотерапия ν =880 кГц
I=1 Вт/см2.
Глубина проникновения 3-5 см. УЗ-ингаляция. Фонофорез.
2. УЗ высоких интенсивностей:
УЗ хирургия. I=103 Вт/см2
Цель: вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях.
Два метода:
Разрушение тканей УЗ ν =4 МГц
Снижение усилия при резании ν =50 кГц
Применение УЗ в диагностике основано на отражении УЗ волн на границе сред с разными акустическими сопротивлениями.
99,9% времени эхозонд работает как воспринимающее устройство.
Гель используется для исключения воздушной прослойки, для выравнивания акустических сопротивлений.