第3讲 振动及波 声波 超声波
超声波检测专题知识讲座培训课件
X
联合双探头 （分割探头）
FG
水浸探头
SJ
瑞利波（表面 波）探头
可变角探头
超声波检测专题知识讲座
BM
KB
39
超声波探头
▪ 探头与仪器的连接
▪ 为了消除外来电波对探头的激励脉冲及回波脉冲 产生影响，探头须用同轴高频电缆。注意事项如 下：
▪ 对于用石英、硫酸锂等压电晶片所制成的探头，不能 任意配用非规定的（长度、种类）电缆。
超声波检测专题知识讲座
10
超声波检测仪
A型显示超声仪
超声波检测专题知识讲座
11
CTS-22
仪器抗干扰能力强、分辨率高、操作简单
超声波检测专题知识讲座
12
CTS-9002
入门级数字探伤 仪，性能价格比 高、操作简单、 低温性能优越， 适合大多数无损 检测场合使用。
超声波检测专题知识讲座
13
CTS-9003
超声波检测专题知识讲座
26
超声波检测仪
发射部分 接收部分 时间轴部分
A超声仪基 本组成
示波管 电源部分 辅助电路
超声波检测专题知识讲座
27
超声波检测仪
发射部分
发射部分能产生约500V以上的高压电脉冲，这个电脉冲加到 （探头的）压电晶片上（使晶片产生振荡，其振荡频率超过 20KHz）能使晶片发出超声波。
• 横波斜探头主要用于探测与探测面成一定角度的平面型及立 方体型缺陷，应用广泛。
▪ 接触式聚焦探头：
• 接触式聚焦探头可分为三类：透镜式、反射式和曲面晶片式。
超声波检测专题知识讲座
37
超声波探头
探
基本频率： 用阿拉伯数字表示，单位为MHz
头
医用物理学第一章 波动及声波1.5 课件
声强级L：采用对数标度来表示声强。
L lg I I0
单位：贝尔( Bel )
I L 10 lg
I0
单 位 ： 分 贝( dB )
人耳对响度的主观感觉由声强级和频率共同决定
举例
• 老师讲课的声强级是60dB，问老师声音的强度是 多少？
L 10 lg
I I0
I 10 lg 10 12
波的频率（波源振动的频率）：单位时间内通过介
质中某固定点完整波的数目，用 表示。
单位：Hz（赫兹）
T 2 1
—角速度（角频率）
波长 波在一个周期内传播的距离称为波长，用“λ”表
示
Tu u
介质决定 波源决定
即：u=λν → c= λν
同一列波周期和频率不变，在不同媒质中波 长随波速的改变而改变；
同种媒质中波速不变，波长随频率的改变而 改变。
二、波动方程
平面简谐波的波动方程
一平面简谐波在理想介质中沿 x 轴正向传播， x 轴即为某一波线
设原点(波源）振动表达式： y0 A cos t
y 表示该处质点偏离平衡位置的位移
y
u
x
设 p 为 x 轴上的任一点，其坐标为 x
Ox
p
p 点的振动方程？
2、波的分类：横波和纵波 横波—— 振动方向与传播方向垂直的波动。
纵波——振动方向与传播方向相同的波动。
横波只能在固体中（或液体的表面）传播。
纵波能在固体、液体、气体中传播。
结论：机械波向外传播的是波源的振动状态和 能量。
3、平面波和球面波
平面波
波线
波线
球面波
波面
波面
波线
波线
超声波知识点
超声波知识点超声波是一种高频声波，其频率超过了人耳的听觉范围。
超声波在日常生活中有着广泛的应用，包括医学诊断、工业控制和科学研究等领域。
本文将介绍超声波的原理、特点和应用。
1.原理超声波是机械波的一种，由物体振动引起的横波或纵波在介质中传播形成。
超声波的频率通常在20kHz至1GHz之间，远远超过了人耳的听觉范围（20Hz至20kHz）。
超声波的产生通常通过将电能转换为机械能，利用压电效应或磁致伸缩效应。
2.特点与可听声音相比，超声波具有以下几个特点：•高频率：超声波频率高于20kHz，可以达到几百kHz甚至GHz级别。
•短波长：由于频率高，超声波的波长相对较短，有利于定位和探测。
•方向性强：超声波传播时会发生折射和反射，可以通过控制超声波的传播路径来实现定向传输和接收。
•能量强：超声波在介质中传播时会损失一部分能量，但其能量仍然足够强大以实现许多应用。
3.应用超声波在多个领域有着广泛的应用，以下是其中的几个代表应用：•医学诊断：超声波成像技术是医学中常用的非侵入性检查方法之一。
它通过发射超声波并记录其在人体内部组织中的反射，从而生成图像。
这种技术可以用于检查器官、血管和胎儿等。
•工业控制：超声波传感器可以用于测量距离、检测物体的位置和检测液体的水平。
超声波的特性使其在自动化工业生产中具有重要作用。
•清洁和清除：超声波振动可以在液体中产生强大的涡流和微小气泡，用于清洁和清除物体表面的污垢和杂质。
这种清洁方法被广泛应用于眼镜、首饰、电子元件等领域。
•测量和检测：超声波测距仪和超声波流量计等设备可以精确测量距离和流体流速。
这些设备在工程测量和流体控制中得到广泛应用。
总结：超声波是一种高频声波，具有高频率、短波长、方向性强和能量强的特点。
超声波在医学诊断、工业控制、清洁和清除以及测量和检测等领域有着广泛的应用。
随着科技的进步，超声波技术将继续发展并在更多领域发挥作用。
超声与次声波
• 2、超声波的产生 • 研究超声波的产生、传播 、接收，以及各种超声 研究超声波的产生、 接收， 效应和应用的声学分支叫超声学。 效应和应用的声学分支叫超声学。 • 产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气 产生超声波的装置有机械型超声发生器（ 汽笛和液哨等）、 ）、利用电磁感应和电磁作用 哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用 原理制成的电动超声发生器、 原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体 的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成 的电声换能器等。 的电声换能器等。
• 3、超声效应：当超声波在介质中传播时，由于超 超声效应：当超声波在介质中传播时， 声波与介质的相互作用， 声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化 学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、 学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电 磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应： 磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应： • ①机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳 机械效应。 凝胶的液化和固体的分散。 化、用。超声波作用于液体时可产生大量小 空化作用。 气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成 负压， 负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和 而从液体逸出，成为小气泡。 ，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大 的拉应力把液体“撕开” 成一空洞，称为空化。 的拉应力把液体“撕开” 成一空洞，称为空化。 空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体， 空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚 至可能是真空。 至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周 围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。 围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。
• 我们人类耳朵能听到的声波频率为20～ 我们人类耳朵能听到的声波频率为20～ 20 20000赫 当声波的振动频率大于20000 20000赫 兹。当声波的振动频率大于20000 赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。 赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。 20赫兹时 因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称 因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称 20000 超声波” 为“超声波”。 • 频率小于20Hz的声波叫做次声波。 频率小于20Hz的声波叫做次声波。 20Hz的声波叫做次声波
超声波物理医学宣教
在界面上法向速度连续，即质点的振动速度在垂直界面的分量相等。 在临床上检测的就是反射回声即反射波，它携带了体内脏器轮廓、包膜、大小、 壁厚、长度等信息。如B超的断面成像原理
1、反射系数。超声在不同介质中反射能量的资料大仅供参小考,可不当之由处，反请联射系改系正。数来衡量。设声压反射系数为rp 由声压连续性可知：pi+pr=pt 其中，pi为入射声压，pr为反射声压，pt为透射声压。由声速、声压、声 阻抗的关系可知：
人体组织的声阻抗可分为三类：低声阻的气体或充气组织。如：肺部组织
中等声阻抗的液体和软组织。如：肌肉
高声阻抗的矿物组织。如骨骼。
声阻抗相差1%的组织都能得到回声波而被测量和诊断。 5、声强级和声压级 由于人耳对声音强度的感知范围巨大，比较两个不同声强的声波时就带来不便。 研究发现，人耳对声强的感知与声强的对数成一定的比例关系。所以在声学中常用声强比的对数来比较 两个声音的大小。以1000Hz的声音为标准，声强级定义为：LI=10lgI/I0(dB) ,其中I0为基准声强，取 I0=10-12W.m-2。声强级的单位是贝尔（B）或分贝（dB），1贝尔=10分贝。 声压级 声压级定义为：LP=20lgp/p0 因为声强正比于声压的平方所以，LI=Lp,二者在数值上相等。只是表现形式不同。 临床常常使用声强级来表示仪器探测的灵敏度。设仪器的灵敏度为H，则H=10lgI1/I2 其中，I1为探头发出的始波声音强度，I2为仪器可以探测的最小声音强度。H又可表达为： H=20lgU1/U2 或 H=20lgA1/A2 U1 U2分别表示输入、输出电压；A1 A2为相应的声压信号幅值。 H又称为仪器的增益。
八年级上册物理声现象知识点总结
八年级上册物理第三章声现象知识点总结1．声音是由于物体的振动而产生的，一切正在发声的物体都在振动，物体振动停止，发声停止。
我们把正在发声的物体叫做声源，固体、液体、气体发声都能成为声源。
2.一切发声的物体都在振动，只不过有些振动比较明显，有些物体的振动不明显或者不容易被观察到。
3.物理学中把传播声音的固体、液体、气体统一称为介质。
声音的传播需要介质，固体、液体、气体都可以作为介质传声，真空中不能传声。
离开介质声音一定无法传播。
声音可以在固体、液体、气体中传播，在固体中传声效果好。
气体、液体、固体都可以作为声源发出声音，也都可以充当传播声音的介质。
4.将要上钩的鱼被岸边的说话声吓跑，原因是液体也可以传声。
我们在生活中交谈时，声音是通过空气传入对方的耳朵中的。
大会堂、剧院的四壁和屋顶都做得凹凸不平或采用蜂窝状的材料，主要是为了减弱声波的反射，从而减小回声，使得听觉效果更好。
5..声音的传播速度除了跟介质的种类有关之外，还与介质的温度有关。
一般来说，介质温度高时声音的传播速度大。
6.吹口哨、吹笛子、吹口琴时发出的的声音是由空气柱振动发出的。
7．敲鼓时洒在鼓面上的绿豆会跳动，扬声器发声时纸盆上的纸屑会跳动，其中水花、绿豆、纸屑的作用是分别放大鼓面和纸盆的振动，这种研究方法叫做转化法，即对于一些看不见、摸不着的现象通常用一些非常直观的现象去认识。
8.声音在介质中以波的形式传播，我们把它叫做声波，声音具有能量，这种能量叫做声能。
9．声速：声音在介质中传播时，每秒钟传播的距离叫做声速。
通常情况下，空气中的声速为340m/s，在水中的传播速度是1500m/s；声音在钢铁中的传播速度是5200m/s。
10.声音在不同介质中传播的速度不同，一般情况下，声音在固体中传播得最快，液体中次之，气体中传播得最慢，即声音在不同介质中的传播速度不同，v 固大于v 液大于v 气。
11.将耳朵贴在长钢管的一端，让他人在另一端敲击一下，会听到两次敲击声，其中最先听到的声音是通过长钢管传来的，第二次声音是空气传来的。
人教版高中物理选修3-4第3讲：波的形成和传播 波的图像 (学生版)——公主坟陈亚光
波的形成和传播 波的图像__________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________1.理解波的图像及特性。
2.学会分析波的多解性及波的干涉和衍射。
1. 机械波的产生（1）机械振动在介质中的传播形成机械波． （2）机械波的产生条件：必须要有波源和介质．2. 机械波的分类（1）横波：质点的振动方向与传播方向垂直，凸起的最高处叫波峰，凹下的最低处叫波谷． （2）纵波：质点的振动方向与传播方向在同一条直线上，质点分布最密的地方叫密部，质点分布最疏的地方叫疏部．3. 描述机械波的物理量（1）波长：两个相邻的、在振动过程中对平衡位置的位移总是相等的质点间的距离叫波长．在横波中，两个相邻波峰（或波谷）间的距离等于波长；在纵波中，两个相邻密部（或疏部）间的距离等于波长．（2）频率：波的频率由波源决定，无论在什么介质中传播，波的频率都不变． （3）波速：单位时间内振动向外传播的距离．波速的大小由介质决定． 波速与波长和频率的关系：v f Tλλ==．4. 特点（1）机械波在传播运动形式的同时，也将波源的能量传递出去．（2）机械波的传播过程中，质点在各自平衡位置附近振动，不随波迁移.（3）介质中各个质点的振动周期和频率与波源的振动周期和频率相同.（4）离波源近的质点带动离波源远的质点依次振动，各质点的起振方向相同.5. 波的现象（1）衍射①波绕过障碍物继续传播的现象叫做衍射．②产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸比波长小或与波长相差不多.（2）波的叠加：几列波相遇时，每列波都能够保持各自的状态继续传播而不互相干扰，只是在重叠的区域里，介质的质点同时参与这几列波引起的振动，质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和.（3）干涉①频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域相互间隔的现象．②产生稳定的干涉现象的必要条件：两列波的频率相同.③若两波源的振动步调一致，某点到两波源的距离之差为波长的整数倍，则该点为加强点；某点到两波源的距离之差为半波长的奇数倍，则该点为减弱点．这里的加强和减弱指的不是位移的增大或减小，而是振幅的增大和减小，即：加强的点只是振幅大了，并非任一时刻的位移都大；减弱的点只是振幅小了，也并非任一时刻的位移都小．（4）多普勒效应：由于波源和观察者之间的相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象，叫做多普勒效应．如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小．6. 波动图象（1）表示波的传播方向上，介质中的各个质点在同一时刻相对平衡位置的位移. 简谐波的图象为正弦或余弦曲线．（2）区分波动图象和振动图象①波动图象描述各个质点在某一时刻离开平衡位置的位移，振动图象描述一个质点在各个时刻离开平衡位置的位移.②波动图象的横轴是各个质点的平衡位置，振动图象的横轴是时间轴.③具体对比如下表：简谐振动的振动图像机械波的波动图像图像函数关系一个质点做简谐运动时，它的位移x随时间t变化的关系它在某一时刻某一直线上各个质点的位置所形成的图线（横波）坐标横轴一个质点振动的时间各质点的平衡位置（距离）纵轴一个质点不同时刻相对平衡位置位移同一时刻，各质点相对各自平衡位置的位移形状 正弦函数或余弦函数的图像由图像 可直观 得到的 数据 周期T 振幅A波长λ 振幅A 波峰及波谷的位置图像上 某一点 的意义 在某时刻（横轴坐标）做简谐运动的物体相对平衡位置的位移（纵轴坐标）在某时刻，距坐标原点的距离一定（横轴坐标）的该质点的位移（纵坐标）（3）横波的传播方向与质点振动方向的判断①微平移法：沿波的传播方向将波的图象做一个微小平移，然后由两条波形曲线来判断. 如图甲所示，虚线表示沿波的传播方向微平移波动图象后的图形，由图中可以看出，A 质点运动方向向上，B 质点运动方向向下.②上下坡法：沿波的传播方向看，上坡的点向下振动，下坡的点向上振动，即“上坡下、下坡上”. 如图乙所示，将波动曲线看作人行走的路径，波的传播方向看作人行走的方向，则在A 点处，人正在下坡，该处质点的振动方向向上；B 点处，人正在上坡，该处质点的振动方向向下.③同侧法：质点的振动方向与波的传播方向在波的图象的同一侧. 如图丙所示，在波动图象上的A 点沿水平方向作一个箭头表示波的传播方向，再在竖直方向作一个箭头表示质点振动方向，则这两个箭头总是在波动曲线的同一侧.（4）在波的图象上各质点振动方向的规律①质点的起振方向与波源开始振动的方向一定相同．②处于最大位移处（波峰或波谷）的质点一定将向平衡位置运动．③处于相邻的波峰和波谷之间的质点的振动方向一定相同；处于波峰（或波谷）两侧位移都为正值（或都为负值）的质点的振动方向一定相反．④对于横波在最大位移两侧，哪侧附近的质点正向最大位移运动，波就向哪侧方向运动．7. 多解性（1）波的时间、空间周期性,x n x t kT t λ=+=+ΔΔ，x n xv t kT tλ+==+ΔΔ（n k 、取自然数） 若x 与λ或t 与T 有约束关系，则解的个数有限． （2）波传播的双向性（3）题中所给条件如时间t Δ与周期T 关系不确定或传播距离x Δ与波长λ之间大小关系不确定 （4）介质中质点的振动方向未定8．已知某时刻的波形图和波速可以画出在时间t Δ前（或后）的波形图，具体方法是：（1）平移法：先算出经时间t Δ波传播的距离x v t Δ＝Δ，再把波形逆着（若顺着）波的传播方向平移x Δ即可，因为波动图像的重复性，若知波长λ，则波形平移n λ时波形不变，当x n x λ=+Δ时，可采取去整n λ留零x 的方法，只需平移x 即可．（2）特殊点法：（若知周期T 则更简单）在波形上找两个特殊点，如过平衡位置的点和它相邻的峰（谷）点，先确定这两点的振动方向，再看=t nT t +Δ，由于经nT 波形不变，所以可采取去整nT 留零t 的方法，分别作出两特殊点经t 后的位置，然后按正弦规律画出新波形．类型一：机械振动与机械波 单摆的周期例1．（2015 北京）周期为 2.0s 的简谐横波沿 x 轴传播，该波在某时刻的图像如图所示，此时质点 P 沿 y 轴负方向运动，则该波（ ）A ．沿 x 轴正方向传播，波速v = 20 m/sB ．沿 x 轴正方向传播，波速v =10 m/sC ．沿 x 轴负方向传播，波速v = 20m/sD ．沿 x 轴负方向传播，波速v =10 m/s解析：机械振动与机械波为每年必考题目，难度都不大。
超声波
第一部分专业知识1、机械振动⑴、振动-物体沿直线或曲线在某一平衡位臵附近作往复周期性运动称为机械振动。
⑵、振动的周期和频率T=1/f超声波是机械波 X射线属于电磁波。
⑶、波动是振动形式和振动能量的传播过程，波动过程中介质质点不发生迁移⑷、波长、频率和波速λ=C/f波长与频率成反比，与波速成正比。
超声探头发生的波是活塞波。
4、超声的的传播速度⑴、固体中的声速与介质的密度和弹性模量有关，还与波的类型的关。
①不同介质，声速不同；介质的弹性模量愈大，密度愈小，声速愈大。
②在同一固体介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同，并且有以下关系：CL>CS>CR⑶、板波的波速与频率和板厚有关，它是f·d 的函数。
波的绕射和障碍物尺寸D f及波长λ的相对大小有关。
当D f ＜＜λ时，波的绕射强，当D f＞＞λ时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。
⑵声阻抗Z超声场中任意一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗。
声阻抗的大小等于介质密度和声速的乘积。
Z=ρc⑶、声强I单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强。
Z P I 22=在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比。
8、超声波垂直入射到界面时的反射和透射 ⑴、声压反射率和声压透射率①声压反射率：1212Z Z Z Z r +-=②声压透射率：1222Z Z Z t +=③ T+R=1①超声波垂直入射到平界面时，声压或声强的分配比例与界面两侧介质的声阻抗有关。
②声阻抗差越大，声压反射率越大。
当Z 1＞＞Z 2或Z 2 ＞＞Z 1时，声波几乎全射，无透射。
③声阻抗差越小，声压反射率越小，声压透射率越大。
当Z 1≈Z 2时，声波几乎全透射，无反射。
在底面全反射的情况下，声压往复透射率：2221211)(4rZ Z Z Z T -=+=往与声强透射率数值相等。
若底面反射率为：2323'Z Z Z Z r +-=则声压往复透射率为：')1(2r r T ⋅-=往③波型转换：超声波斜入射至界面时，除产生同种波型的反射和折射波外，不产生不同类型的反射和折射波，这种现象称为波型转换。
第3章 声波和超声波
痛域曲线: 痛域曲线
1000HZ:
1 W.m-2
15.
听觉区域(auditory region): 由听阈曲线、痛阈曲线、20 由听阈曲线、痛阈曲线、 听觉区域 赫兹线、 赫兹线所围成的区域—称为听觉区域 赫兹线、20000赫兹线所围成的区域 称为听觉区域。 赫兹线所围成的区域 称为听觉区域。
16.
7.
一. 声波的基本概念
能够使听觉器官引起声音感觉的波称为声波。 能够使听觉器官引起声音感觉的波称为声波。 声波是机械振动在弹性媒质中产生的纵波。 声波是机械振动在弹性媒质中产生的纵波。 声波 频率范围 次声波 超声波 水 肌肉 密质骨 空气 20Hz ~ 20000Hz 低于20Hz 低于 高于 20000Hz 1480 m s-1 1570 m s-1 3600 m s-1 331 m s-1
4. 空化作用
pm = ρuA ω
34.
在强大的声压下， 在强大的声压下，液体被拉断而出现微小空腔
二. 超声波的产生
电致伸缩 压电晶体 把压电晶体放在高频电场中， 把压电晶体放在高频电场中，利用其压电伸缩的性 在媒质中产生超声波---逆压电效应 电能—机械能 逆压电效应： 质，在媒质中产生超声波 逆压电效应：电能 机械能
四. 声强级和响度级
人耳能感觉到的声音的声强变化范围很大， 人耳能感觉到的声音的声强变化范围很大， 数量级相差有10 数量级相差有 12倍 人耳对声音的主观感觉到的强弱更接近于和 声强的对数成正比。 声强的对数成正比。
声 波
1、声强级 、
I L = lg I0
单位:贝尔(B) 单位:贝尔(B)
通常取1000 声音的听阈值 通常取1000 Hz 声音的听阈值I0=10-12W•m-2 m 作为标准参考声强
第3节 超声波在介质中的传播特性
气泡的振动也会产生相应的谐波，且这种谐波比组 织谐波强的多。
32
3. 反射增强 声波在传播过程中会出现反射增强现象。由
于衰减，要对不同深度的回波信号进行不同的放 大，目的是使同种均匀介质在不同深度回波信号 的强度基本相同。图7-11。
状态。
rp
Z2 Z2
Z1 Z1
8
2.
声强反射系数rI
定义：反射声强与入射声强之比：rI
因为
p2 I
Z c
Ir Ii
Z
所以
I
pr2 Z1
pi2
pr pi
2
2 p
Z1
9
3. 全反射 超声波的折射定律与光波的折射定律相同：
sini c1 sint c2
体软组织中，蛋白质成分的张驰过程是造成驰豫吸收的主要 因素。
吸收与声波的频率关系甚大，介质对声波的吸收有 影响。
24
2. 介质吸收衰减规律
强度的减少量-dI，根据实验： I0
dI
I
dI Idx
x0
x
dI Idx
dI I
dx
ln I x
I0 I ex I0
但在不同介质传播时，声波在液体介质中衰减 较小，而在软组织中衰减较大，而每一束声波放 大处理相同。当使软组织反射信号均匀一致，则 液体介质中传播的声波回波信号强度比入射波信 号强度还大，从而形成反射增强。
33
五、声束通过介质薄层的特征
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k 令: , 2 m m
பைடு நூலகம்2 0
d2 x kx v m 2 dt
称为阻尼因子
O
x
F kx Fr
x
欠阻尼情况: 阻力很小
< 0
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.
第 3章
3.1 3.3 3.4 3.8 3.9
简谐运动 阻尼振动 受迫振动共振 机械波3.5 平面简谐波 声波 超声波和超声诊断
振动无处不在——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、 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
振荡电路 + +
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
不同人说话
声速
声波在介质中传播的 速度. 其大小因介质的性 质和状态而异. 声速的数值在固体中 比在液体中大, 在液体中 又比在气体中大. 它的大 小还随大气温度的变化 而变化.
关于波速 1. 波速是振动能量或振动形式的传播, 非质点的振动速度. 2. 影响波速的因素: 介质的特性(弹性 模量,介质的密度等). 3. 波速与频率无关.
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.
3.5 平面简谐波
若波源(x=0)的振动表达式为:
y0 A cos t
x X
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4.0cm· s-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.
3.3 阻尼振动 受迫振动和共振
3.3.1 阻尼振动 定义: 振动系统在回复力和阻尼力共同作用下发生的减 幅振动称为阻尼振动. 在物体速度较小时, F v 为阻尼系数
x A cos( t )
必须是逆时针方向旋转
周期： T
2π
初相位讨论
x0 0
π 平衡位置 2
x0 0 v0 0
π 0 2
π π 2
v0 0
π
负向最大
x
0
正向最大
x0 0
3π π 2
3π 平衡位置 2
3π 2π 2
y(cm) I A 1 2
II
3 4 5 6 x(cm)
0.01 π yA 0.01cos[ π ( t ) ] 0.01cos πt (m) 0.02 2
3.5.3
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 衡位置附近振动，因而具有振动动能；介质发生弹性形 变，因而具有弹性势能.
p 1 2 2 I uA 2 2 u
2 m
强度高，临床治
疗中的超声碎石 法去除结石
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，这种现象称 为温热效应（warm effect）或称温热作用.
Fs F
O
x
Fr x
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
链接——大桥另种解释
pm uA
声波的强度称为声强.
1 2 2 I u A 2
3.8.3 声强级
在最佳音频(约1000~4000Hz)条件下, 人对声强感受范围:
声强级L
I I L lg B 10 lg dB 1 贝(B) =10 分贝(dB) I0 I0
I0=10-12 Wm-2 为规定的标准参考声强.
只有波源与观察者相对静止时才相等.
运动吗？
发射频率 n
人耳听到的频率与声 源的频率相同吗？
接收频率 n
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
链接1
链接2
链接3
3.8 声波
3.8.1 声波和声速
声波 是在弹性介质中传播的一种机械 波 ( 纵波 ). 人对声音的感觉频率范围是 20Hz—20kHz, 称为声波. 频率低于20Hz叫做次声波.
频率高于20kHz的叫做超声波.
所有物体的振动, 传播出去都是声, 但不是所有的声都能 听到的.
钢板 阻尼钢板
3.1.5 简谐运动的能量
1 1 2 2 2 Ek mv kA sin (t ) 2 2 1 2 1 2 Ep kx kA cos 2 (t ) 2 2 1 2 2 E Ek Ep kA A 2
弹性力是保守力, 作简谐运动的系 统机械能守恒 O
m
x0 0
v0 0
v0 0
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） 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.
多普勒效应——链接2
多普勒效应——链接4
3.7.2
冲击波
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 .
声暴: 当波源的运动速率刚好等 于波速时,锥面变为平面. 波源在 各时刻发射的波 , 几乎与波源自 身共处于同一平面 , 这时冲击波 的能量非常集中 , 强度和破坏力 极大,这种现象称为声暴.
例题 3-4 设有一个横波在弦上传播，其波函数为
y 0.02cos (5x 200t )
幅、波长、频率、周期和波速.
m
，试求其振
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
例题 已知t=0时的波形曲线为I, 波沿x方向传播, 经 t=0.5s后 波形变为曲线II. 已知波的周期 T > 1s, 试根据图中绘出的 条 件 求 出 波 的 表 达 式 , 并 求 A 点 的 振 动 表 达 式 .( 已 知 A=0.01m)
振幅 圆频率 初相
t
T
简谐运动的三要素
A 和 由初始条件确定。
k m
固有属性
x
A
o A
3.1.3 简谐运动的速度和加速度
速度振幅
π v A cos(t ) 2 a A 2 cos(t π)
加速度振 幅
F ma
2
m x kx
k m
3.1.4 简谐运动的旋转矢量表示法
• 旋转矢量 A 的模即为简谐运
动的振幅.
• 旋转矢量 A 的角速度即为
振动的角频率.
• 旋转矢量 A 与x轴的夹角( t+)，为简谐振动的相位.
即为简谐振动的初相位. 成一次全振动.
• t =0 时， A 与x 轴的夹角
结论: 投影点的运动为简谐运动 . • 旋转矢量 A 旋转一周，P点完
过阻尼情况：阻力很大
0
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.
临界阻尼情况:
0
结论: “临界阻尼”是质点不作往复运动的一个极限.
x
C
b
a
t
o
三种阻尼振动位移时间曲线
a）欠阻尼
b）过阻尼
c）临界阻尼
3.3.2 受迫振动 共振
受迫振动: 系统在周期性的外力 (驱动力)持续作用下所发 生的振动. 振子在做受迫振动时，当 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 增加, 在某一频率时, 振幅达到 最大 , 这一现象称为共振. 达 到共振时的频率叫共振频率.
波动是能量传递的一种方式 .
单位体积内的 平均能量
m /V
1 2 2 w A 2
圆周运动 的速度
能流密度 ( 波的强度 ) I : 方向的单位面积的平均能流.
通过垂直于波传播
I P S wc
声波的能流密度称为声强. 单位：Wm-2
u
ut
S
3.7
多普勒效应与超波速现象 3.7 多普勒效应
心房室压强
- -
3.1 简谐运动
简谐振动是最基本、最简单的振动. 3.1.1 弹簧振子 机械振动的原因: 物 体所受的回复力和 物体所具有的惯性. 回复力: 始终指向平 衡位置的作用力.
简谐运动表达式：
x A cos(t )
3.1.2 描述简谐运动的物理量
相位
x t 图
x A cos(t )
P点的振动表达式:
x yP A cos t u
t=x/u时, P点的振动状态与O点t=0时的状态相同. P为任意 点, 所以波动表达式为:
x y A cos t u
若波沿x轴的负向传播, 则P点相位比O点相位超前t=x/u, 则 x y A cos t u