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1、第六章 机械振动和机械波,教学基本要求,一 掌握简谐振动、共振、声强、声强级、乐音等概念。,二 理解横波、纵波与波的干涉和衍射，波长、波速和频率的关系。,三 了解超声波的特性和在医学中的应用。,机械振动的概念,物体沿直线或弧线在平衡位置附近做周期性的往复运动，这种运动叫做机械振动，简称振动。,第一节 机械振动,回复力,振动物体在振动过程中，当偏离平衡位置时，总是受到一个指向平衡位置的合外力，这个力叫做回复力。,一、简谐振动（simple harmonic vibration）：,简谐振动：物体在受到大小跟位移成正比，而方向相反的回复力作用下的振动。即:F = - kx,2、运动情况：,分为两个
2、过程：,离开平衡位置运动：,向平衡位置运动：,做加速度增大的减速运动,做加速度减小的加速运动,1、特征：,回复力：,加速度：,二、振动的振幅、周期和频率,物体离开平衡位置的最大距离，叫做振动的振幅。,振动的周期T是指完成一次全振动的时间。,振动的频率f是指单位时间内完成的全振动的次数。,实验表明,振动周期或频率是由振动物体本身的性质所决定的,跟振幅的大小无关,因此叫做固有周期和固有频率.,弹簧振子的周期：,三、单摆,单摆振动是简谐振动, 条件：摆角 5,周期公式：,单摆周期与摆长和重力加速度 有关，与振幅和质量无关。,1、意义：,四、机械振动的图象,表示振子的位移随时间变化的规律,2、构成：,
3、横坐标为时间t ,纵坐标为位移x,3、形状：,正弦或余弦曲线,4、应用：,确定A、T、x(t)及速度的方向,例1、如图为某一质点的振动图象 由图象回答,A、T、f,五、机械振动的能量,1）简谐振动中机械能守恒,2）振幅大则机械能大,3）振幅保持不变,阻尼振动,1）振幅不断减小的振动,2）振幅变小的原因,系统克服阻尼作用做功使系统的机械能随时间逐渐减少,六、共振,1）物体在外界驱动力作用下的振动叫做受迫振动,2）受迫振动的频率等于驱动力的频率，跟物体的固 有频率无关,2、共振,1）驱动力的频率接近（等于）物体的固有频率时， 受迫振动 的振幅增大（最大）的现象,2）声音的共振-共鸣,3）共振的应用
4、和防止,1、受迫振动,七、 相 位,为相位,为t=0时的相位，叫初相位,1、振动方程,2、相位和初相位,机械振动在弹性介质中的传播.,第二节 波动学基础,一、机械波,产生条件：1）波源； 2）弹性介质.,波是运动状态的传播，介质的质点并不随波传播.,分类： 1）横波； 2）纵波.,特征：具有交替出现的波峰和波谷.,横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直的波.,（仅在固体中传播 ）,纵波：质点振动方向与波的传播方向互相平行的波.,（可在固体、液体和气体中传播）,特征：具有交替出现的密部和疏部.,（二） 波长 波的周期和频率 波速,波长 ：沿波的传播方向，两个相邻的、振动步调一致的质点间的距离，即
5、一个完整波形的长度.,O,y,A,频率f ：即质点振动的频率,波速v ：波动过程中，某一振动状态单位时间内所传播的距离,关系,例1 在室温下，已知空气中的声速 为340 m/s，水中的声速 为1450 m/s ，求频率为200 Hz和2000 Hz 的声波在空气中和水中的波长各为多少？,在水中的波长,解,由 ，频率为200 Hz和2000 Hz 的声波在,空气中的波长,四、 波的叠加原理、波的干涉,几列波相遇之后， 仍然保持它们各自原有的特征（频率、波长、振幅、振动方向等）不变，并按照原来的方向继续前进，好象没有遇到过其他波一样.,在相遇区域内任一点的振动，为各列波单独存在时在该点所引起的振动
6、位移的矢量和.,频率相同、振动方向平行、相位相同或相位差恒定的两列波相遇时，使某些地方振动始终加强，而使另一些地方振动始终减弱的现象，称为波的干涉现象.,波的干涉,1）频率相同；,2）振动方向平行；,3）相位相同或相位差恒定.,波的相干条件,波的衍射,波能够绕过障碍物或孔隙继续前进的现象，叫做波的衍射。,波发生衍射的条件：障碍物或孔隙的尺寸比波长小，或者接近波长。,第二节 机械波,t 时刻点 P 的运动,t-x/u时刻点O 的运动,点P 振动方程,时间推迟法,u,四、 波动方程,点 O 振动方程,如果原点的初相位不为零,例1 已知波动方程如下，求波长、周期和波速.,解：方法一（比较系数法）.,
7、把题中波动方程改写成,比较得,一、声波：在弹性介质中传播的机械纵波。,可闻声波 : 20 20000 Hz 次声波: 低于20 Hz 超声波: 高于20000 Hz,第三节 声 波,二、描述声波的物理量,声强：声波的能量.,能够引起人们听觉的声强范围：,第三节 声 波,贝尔（B）,声强级：人们规定声强 为测定声强的标准. 如某声波的声强为 I ， 则比值 的对数，叫做相应于 I 的声强级 LI .,分贝（ dB ）,第三节 声 学 基 础,几种声音近似的声强、声强级和响度,第三节 声 学 基 础,三.乐音和噪音,音调：声音的高低。音调取决于振动的频率。 响度：人对声音的主观感觉。跟振幅及距离声
8、源的远近有关。 音色：在复合音中，声音最强、频率最低的音叫基音，而伴随基音的其他频率的音叫泛音，泛音的频率是基音频率的整数倍。复杂声音可看作一个基音和若干频率是基音频率整数倍的泛音迭加而成基音决定声音的音调和响度，泛音影响着声音的音色。,（1）乐音的三要素：音调、响度和音色,4.噪声的危害和控制 噪声可以有几种含义： 从物理学角度是指不规则的非周期性振动所发出的声音(噪声来源于声源的杂乱无章的不规则振动) ；从对人的健康考虑主要指响度太大的声音； 从更高的标准考虑是泛指一切不利于人们当时的活动（包括休息和睡眠）的声音。,例：1964年美国F104喷气式飞机做超音速飞行实验，飞机的轰鸣声使附近一
9、个农场饲养的一万只昏鸡死去60。 例：高噪声车间工作的工人，由于噪声引起耳朵的鼓膜严重损伤造成耳聋的发病率达到50到90。 例：1987年，英国举行的一次现代派音乐会上，300名观众失去知觉，昏迷不醒，诊断结果是因为声音极度刺耳而休克。,(1)对人体造成危害,噪声的危害,(2)噪声对建筑物造成破坏。150dB以上噪声会使金属结构疲劳，甚至可以使钢板断裂。当飞机作超音速飞行时，会产生冲击波，称为轰声。1962年，美国三架军用飞机以超声应低空飞行所发出的轰声，使飞行过的日本藤泽市许多房屋的玻璃震碎，烟囱倒塌，日光灯掉下，商店架上的商品震落满地。1970年，德国韦斯特堡城及其附近曾因强烈的轰声而发生
10、378起建筑物受损事件。,如何防治环境噪声污染,控制噪声声源、阻断噪声传播、在人耳处消弱噪声,将噪声变害为利的高科技 噪声已被公认为仅次于大气污染和水污染的第三大公害。在大城市中，人们深受噪声之苦。但是，世界上的事情总是千变万化，没有任何事情是绝对的。噪声也和其他事物一样，既有有害的一面，又有可以被人类利用、造福于人类的一面。许多科学家在噪声利用方面做了大量研究工作，获得许多新的突破，这些成果将是21世纪推出的新技术。不久的将来，恼人的噪声将会变成优美的新曲，造福于人类。,5. 叩诊和听诊,叩诊:叩诊是用指尖或小锤叩击体表，根据回音的性质，来判断身体内部器官是否有病变的诊断方法。叩诊也常用于人
11、的诊断。叩诊主要用于胸腹部脏器的检查。 听诊:是使用听诊器或者直接用耳朵队胸腹部内的脏器进行检查来判断有无病变的方法。听诊可依辨别出正常生理及异常病理状态，以及病变部位、范围的大小，因此听诊通常用在临床上对心、肺、胃肠等脏器的检查。,第四节 超声波及其医学应用,一、超声波的特性,1、特性,(1)方向性好 ：波长短,(2)穿透本领强：对固体、液体（涂液体）,(3)反射明显 ：波长短,2、对物质的作用,(1)机械作用：高频振动，切割、搅拌、清洗等；,(2)空化作用：声压幅大，压缩区和稀疏区压强差大 (10w/m2-P 10大气压) 空腔、高温、放电；,(3)热 作 用：物质吸收能量温度升高。,诊断
12、,二、超声波的产生与探测,1、超声波发生器的组成,高频脉冲发生器：20000Hz脉冲信号,压电换能器（探头）：发射、接收超声波,、压电效应： 形变电荷,、逆压电效应：电压（电场）形变,2.超声诊断仪的结构,三、超声波在医学中的应用,高频信号发生器:,电源:,探头:,显示器:,1.超声诊断的基本原理： 利用超声波在介质分界面上的反射回波反映人体内部信息。,三、超声波在医学中的应用,超声诊断、超声治疗、生物组织超声特性等 1、A型超声诊断仪：声阻抗变化反射,2. B型超声诊断仪,回波辉度调制 显示断层声像 二维信息,2、B型超声诊断仪,3、M型超声诊断仪：观察和记录脏器活动情况,4、超声多普勒血流
13、仪：,超声多普勒效应测血流速,彩色多普勒血流成像仪(彩超),二维血流成像技术。 用一高速相控制扫描探头进行平面扫查，实现解剖结构与血流状态两种显像。,5、彩色多普勒血流成像仪（彩超）,胎儿的超声波影象（假彩色）,6、超声治疗,超声波广泛用于医学治疗，对治疗偏瘫、面神经麻痹、小儿麻痹后遗症、乳腺炎、乳腺增生症、血肿、肿瘤、碎石等等，都有一定的疗效 超声雾化器 电子听诊器,人耳听到的声音的频率与声源的频率相同吗？,接收频率单位时间内观测者接收到的振动次数或完整波数.,只有波源与观察者相对静止时才相等.,多普勒效应,一 波源不动，观察者相对介质以速度 运动,观察者接收的频率,观察者向波源运动,观察者远离波源,多普勒效应,二 观察者不动，波源相对介质以速度 运动,多普勒效应,波源向观察者运动,观察者接收的频率,波源远离观察者,多普勒效应,三 波源与观察者同时相对介质运动,若波源与观察者不沿二者连线运动,多普勒效应的应用,
