9. Принципы использования эффекта Доплера для определения скорости движения крови
Представим кровеносный сосуд. на некотором участке которого необходимо определить скорость движения крови vкр (рис.11). От источника ультразвука на сосуд направляется пучок ультразвуковых волн с частотой ист . На некотором движущемся со скоростьюvкр объеме крови происходит отражение ультразвуковых волн в различных направлениях, в том числе , и в направлении на приёмник ультразвука. Таким образом, этот объем крови становится движущимся источником ультразвука. Это значит, что в соответствии с эффектом Доплера, частота волн, регистрируемых приемником пр , будет отличаться от частоты исходного ультразвука. Разница частот зависит от скорости крови:
пр - ист = = f (vкр ) .
После соответствующей калибровки, по измеренному частотному сдвигу можно определить линейную скорость движения крови.
Отметим достоинства этого метода. Прежде всего, он является неинвазивным - измерения проводятся без нарушения целостности сосуда. Если площадь поперечного сечения считать известной, то рассмотренным методом можно определить и объемную скорость кровотока.
Существенно, что при измерениях нет необходимости определять интенсивность отраженного кровью ультразвука, которая зависти от многих факторов, в том числе, и совершенно случайных. Необходимо измерить лишь разницу частот , что современная измерительная техника позволяет выполнить с высокой точностью.
Контрольное задание
Написать уравнение гармонического колебания, если амплитуда ускорения 50 см/с2, частота колебания 0,5 Гц, смещение точки от положения равновесия в начальный момент времени 25 см. Найти амплитуду скорости.
За 10с амплитуда колебаний уменьшилась в 2,7 раза. Найти коэффициент затухания колебаний.
Амплитуда затухающих колебаний уменьшается в 10 раз за 100 полных колебаний. Определить логарифмический декремент и коэффициент затухания.
Коэффициент затухания колебаний равен 4 с-1 , а логарифмический декремент затухания равен 2. Чему равна собственная частота колебаний (когда затухание отсутствует)?
Когда человек работает с инструментом, головка которого вибрирует с низкими частотами (порядка 10 Гц), то амплитуда колебаний, измеренная, например, на локте, может значительно превышать амплитуду вибрации самого инструмента. Объясните это явление.
Чем отличаются выражения для смещения частиц в механической волне и при механических колебаниях?
От чего зависит энергия волны? Что такое поток энергии и интенсивность волны?
Что такое гармонический спектр сложного периодического процесса? Как соотносятся частоты его отдельных гармонических составляющих?
Часть I I акустика
Акустика- раздел физики, где исследуются упругие колебания и волны от самых низких частот до 1012-1013Гц.
1. Природа и классификация акустических волн
Акустические волны представляют собой процесс распространения механических колебаний отмеченного диапазона в упругой среде. В газах и жидкостях акустические волны являются продольными. В твердых телах возможно наличие и поперечных акустических волн.
В диапазоне частот от 16 Гц до 20000 Гц воздействие акустических волн на слуховой аппарат человека приводит к формированию слухового ощущения. Поэтому волны этого диапазона называют звуковыми. При частотах, превышающих 20 кГц, инерционность звуковоспринимающего аппарата не позволяет сформировать слуховое ощущение - это областьультразвука. На частотах ниже 16 Гц ощущение звука так же не возникает - волны столь низких частот представляютинфразвук. Следует отметить, что частотный диапазон ощущения звука у разных организмов различен - например, дельфины и летучие мыши воспринимают звуки существенно большей частоты, чем человек. Кроме того,частотная граница воспринимаемых звуков зависит от возраста. В процессе старения человека инерционность его слухового аппарата увеличивается и в пожилом возрасте верхняя граница звукового диапазона становится существенно меньшей 20 кГц.
Скорость акустических волн v определяется свойствами среды, в которой они распространяются - её модулем упругостиE и плотностью :
(1)
Скорость звука в воздухе составляет около 340 м/с и зависит от температуры (с изменением температуры изменяется плотность воздуха). В жидких средах и в мягких тканях организма эта скорость составляет около 1500 м/с, в твердых телах - 3000-6000 м/с.
В формулу (1), определяющую скорость распространения акустических волн, не входит их частота. Звуковые волны различной длины в одной и той же среде имеют практически одинаковую скорость. Исключение составляют волны таких частот, для которых характерно сильное поглощение в данной среде. Обычно эти частоты лежат в ультразвуковом диапазоне.
Звуковые колебания, имеющие лишь одну частоту, называют чистым (или простым)тоном. Если же звуковые колебания представляют набор отдельных строго определенных частот, то такие звуки называютсятонамиили музыкальными звуками. Они имеют дискретный гармонический спектр, в котором каждой гармонической составляющей соответствует определенная амплитуда. Первая гармоника частоты называетсяосновным тоном, а гармоники более высоких порядков (с частотами 2, 3 , 4 , и т.д.) - обертонами. На рис.1 показан спектр сложного тона, в котором представлены 4 гармонических составляющих: 100, 200, 300 и 400 Гц. Величина амплитуды основного тона принята за 100%.
Непериодические звуки, называемые шумами, имеют сплошной акустический спектр. Они обусловлены процессами, в которых амплитуда и частота звуковых колебаний изменяется со временем (вибрация деталей машин, шорох и т.п.). Акустический спектр некоторого шума представлен, в качестве примера, на рис.2.