Презентация "Механические колебания и волны. Акустика" по физике – проект, доклад

Лекция 1

Механические колебания и волны Акустика

Презентации по физике http://prezentacija.biz/prezentacii-po-fizike/prezentacii-po-akustike/

Периодические механические процессы в живом организме

Колебания – это процессы повторяющиеся во времени. При этом система многократно отклоняется от своего состояния равновесия и каждый раз вновь к нему возвращается.

« Каждый человек – это сложная колебательная система.» Н. Винер

Примеры : Дыхательные движения грудной клетки; Содержание двуокиси углерода в крови; Ритмические сокращения сердца; Кровенаполнение артерий (пульс); Звук – колебания голосовых связок; Перистальтика кишечника; Психика людей подвержена колебаниям и т.д.

Механическая волна. Уравнение волны

Механическая волна-это распространение механических колебаний в упругой среде

Волновое уравнение

Уравнение волны описывает Зависимость смещения частиц среды от координат и времени

Его решение. Уравнение плоской волны

Математическое представление волны:

Бегущая волна переносит энергию.

Условие существования волны: Упругая среда Инерция

Пример: Волна давления в артериях.

Упругость стенок Кровь

Поток энергии и интенсивность волны

Энергетические характеристики волны:

или [Вт

Энергия W , Дж Поток энергии (Мощность)

, Вт

-это физическая величина, равная отношению энергии, переносимой волной, ко времени.

3. Плотность потока энергии = = интенсивность волны

-это физическая величина, равная потоку энергии волны через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны.

4. Объемная плотность энергии волны

-это средняя энергия колебательного движения, приходящегося на единицу объема среды

Или: это энергия в единице объема

Вектор Умова

Вектор Умова – это вектор плотности потока энергии волны, направленный в сторону переноса энергии волной Он равен:

Умов Н. А. (1846-1915)

Акустика это раздел физики, изучающий механические колебания и волны от самых низких до высоких частот. В узком смысле акустика – наука о звуке.

Область звукового восприятия, звуки сердца и механические колебания инфразвуковой частоты, сопровождающие циклическую работу сердца.

Звук это механические колебания, распространяющиеся в форме продольной волны и имеющие частоту, воспринимаемую ухом человека (16 Гц – 20000 Гц).

Виды звуковых колебаний Тон – звук, являющийся периодическим процессом (если процесс гармонический – тон чистый, ангармонический – тон сложный). Шум – звук, характеризующийся сложной, неповторяющейся временной зависимостью. Звуковой удар – кратковременное звуковое воздействие.

Акустический спектр

Чистый тон Сложный тон А ν Шум Спектр сплошной Линейчатый Спектр обертон ν - min A - max

1. Частота ν = 16 – 20000 Гц Пример: тоны сердца до 800 Гц

2. Скорость звука: Воздух 331.5 м/с (0ºС) 340 м/с (20ºС) Вода 1500 м/с Кость ≈ 4000 м/с

Физические характеристики звука (объективные)

3. Звуковое давление

4. Интенсивность звука

5. Уровень интенсивности

Z – акустический импеданс (характеризует свойство среды проводить акустическую энергию)

Скорость звука в различных средах и акустические сопротивления сред

Слышимость на разных частотах

Характеристики слухового ощущения (субъективные)

Высота Тембр Громкость

Частота Акустический спектр Уровень интенсивности

Рояль Кларнет Одна и та же нота:

Психофизический закон Вебера - Фехнера

Если раздражение (I) увеличивать в геометрической прогрессии (то есть в одинаковое число раз), то ощущение (E) этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (то есть на одинаковую величину). aI0, a2I0, a3I0 E0, 2E0, 3E0

на ν = 1 кГц k = 10 1 фон = 1дБ

Кривые равной громкости

Аудиометрия - метод измерения остроты слуха на пороге слышимости

Аудиограммы: a – воздушное проведение норма; в – воздушное проведение при заболевании

Физические основы звуковых методов исследования в клинике

Перкуссия Аускультация Фонокардиография

Фонендоскоп

Функциональные систолические шумы при аускультации. А. При нормальных условиях кровь течет через аорту и легочную артерию с достаточной скоростью, чтобы создать турбулентность во время фазы быстрого изгнания систолы желудочков. Ранние систолические шумы могут быть услышаны у многих здоровых детей в покое и почти у любого здорового человека после физической нагрузки.

2. Аускультация

Фонокардиограмма (a) и электрокардиограмма (б) (отметка времени – 0,02 секунды)

3. Фонокардиография (ФКГ)

Микрофон УС Фильтры Регистр

Ультразвук

Ультразвук (УЗ) механические колебания и волны с частотой более 20 кГц. Верхний предел УЗ - частот Гц.

Особенности распространения УЗ в среде 1. УЗ - волна является продольной. 2. Лучевой характер распространения. 3. Проникновение в оптически непрозрачные среды. 4. Возможность фокусировки энергии луча в малом объеме. 5. Отсутствие дифракции на стенках внутренних органов человека. 6. Отражение от границы раздела сред, отличающихся волновым сопротивлением. 7. Способность поглощаться биологическими тканями.

Источники и приёмники УЗ

УЗ излучатели: Электромеханический Обратный пьезоэлектрический эффект – механическая деформация под действием переменного электрического поля.

2) Магнитострикционный Магнитострикция – деформация ферромагнитного сердечника под действием переменного магнитного поля.

Приёмники УЗ

Прямой пьезоэлектрический эффект – возникновение переменного электрического поля под действием механической деформации.

Методы получения эхокардиограмм

Эхограмма левого желудочка здорового человека

Эффект Доплера и его использование в медико-биологических исследованиях

Доплер Христиан (1803-1853) - австрийский физик, математик, астроном.

Жил в Зальцбурге. Директор первого в мире физического института.

Эффект Доплера заключается в изменении частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга.

При сближении источника и наблюдателя – верхние знаки, при удалении – нижние знаки

Классический пример этого феномена: Звук свистка от движущегося поезда.

Источник звука неподвижен

Источник звука приближается к уху

Источник звука удаляется от уха

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 сдвиг ∆ν - это разность между отраженной и переданной частотами.

Эффект Доплера используется для определения: • скорости движения тела в среде, • скорости кровотока, • скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография)

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.

Допплерометрия

Спектральный допплер позволяет выявить 2 типа течения крови: ламинарное и турбулентное.

Когда кровь течет через область со значительным изменением диаметра сосуда, создается поток, в котором множество элементов движется с различными по величине и направлению скоростями. Такой нарушенный поток создает доплеровский сигнал с множеством частот и заметным спектральным расширением.

В ламинарном потоке все скорости эритроцитов примерно одинаковы по направлению, а в центральной части и по величине. Доплеровский сигнал формирует относительно тонкую кривую с минимальным спектральным расширением.

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.

LV – левый желудочек

AO – аорта