3. Эффект Доплера.

Эффектом Доплера называют изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником волны) вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.

При теоретическом рассмотрении явления следует отметить, что все скорости (скорость распространения колебаний, скорость наблюдателя и источника) отсчитываются относительно воздуха. Рассмотрим простейшие случаи, когда источник волн и наблюдатель движутся относительно среды вдоль одной прямой. Скорость распространения волн в среде будем считать равной , скорость источника -; скорость наблюдателя -.

Пусть наблюдатель неподвижен, а источник волн движется с постоянной скоростьюпо направлению к наблюдателю. Примем, что частота колебаний источника равна, а<. Будем считать, что источник находится в начале координат (X=0). Колебания возникают в точкеX=0 в момент времениt=0. За одну секунду источник излучит в пространствоволн. Волны, испускаемые источником за 1 секунду, пройдут расстояниеи фронт волны окажется в точке А. Когда источник испускает последнюю изволн, он пройдёт путьи окажется в точке В. Следовательноволн укладываются на расстоянии-, поэтому длина волны, воспринимаемая наблюдателем будет равна:, а частота. Поделив числитель и знаменатель на, получим:, т.е. наблюдатель будет воспринимать звук с частотой большей, чем частота неподвижного источника. Если же источник движется от наблюдателя, тобудет с минусом ибудет меньше, т.е..

Второй случай – наблюдатель приближается со скоростью к неподвижному источнику. При этом он встречает на своём пути за один и тот же интервал времени больше волн, чем при отсутствии движения. Это означает, что воспринимаемая им частотабольше, чем частота источника, т.е.. Учитывая, что, получим, т.е. наблюдатель воспринимает большую частоту колебаний, чем частота источника. Если же наблюдатель удаляется от источника, то частота, воспринимаемая им, будет меньшей, т.е..

Эффект Доплера наблюдается в волновых движениях любого типа – в волнах на воде, звуковых, радио-, световых волнах.

Например, доплеровский локатор специально используется дорожной милицией для определения автомобилей, водители которых превышают допустимую скорость движения.

Использование эффекта Доплера для определения скорости движущихся тел нашло применение в медицине. Рассмотрим следующую систему: генератор Уз волн совмещён с приёмником, частота генератора. В среде со скоростьюдвижется объект. Скорость распространения ультразвука -. Ультразвуковая волна, отражённая от движущегося объекта будет иметь частоту. Приёмник, вследствие эффекта Доплера, воспринимает уже другую частоту -. Разница частот будет равна и называется доплеровским сдвигом. В медицинских приложениях скорость Уз больше скорости движущегося объекта. Для этого случая. Эффект Доплера используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов.

4. Природа звука. Физические характеристики звуковых волн.

В узком смысле слова под “акустикой” понимают учение о звуке, т.е. об упругих колебаниях и волнах в различных средах, воспринимаемых ухом человека.

Звуковые колебания – это частный случай механических колебаний, распространяющихся в пространстве в форме продольных волн. В связи с важностью акустических понятий для оценки слуховых ощущений, а так же в связи с рядом медицинских приложений данного раздела, остановимся на некоторых характеристиках звука, знание которых необходимо врачу, поскольку звук несёт около 15% информации об окружающем нас мире, а также может быть источником информации о состоянии внутренних органов человека.

Источником звука являются тела (твёрдые, жидкие, газообразные), совершающие колебания в результате каких-либо механических воздействий. Колеблющееся тело излучает в окружающую среду, например, воздух, упругую продольную волну, которая, достигая уха, вызывает слуховые ощущения.

Звуки разделяют: 1) Тоны или музыкальные звуки; 2) Шумы;

3) Звуковые удары.

Тон – это звук, являющийся периодическим процессом с постоянной или закономерно изменяющейся во времени частотой. Если это гармонический процесс, то тон называется простым или чистым. Негармоническому колебанию соответствует сложный тон. Простой тон может быть получен с помощью камертона, звукового генератора. Сложный тон создаётся музыкальными инструментами, аппаратом речи. Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота такого разложения соответствует основному тону. Остальные гармоники (обертона) имеют частоты,, … Набор частот с указанием их относительной интенсивности (амплитуды) называют акустическим спектром, являющимся важной физической характеристикой сложного тона.

Шумом называют звук, отличающийся сложной, не повторяющейся во времени зависимостью (шорох, скрип, аплодисменты, звуки от вибрации машин).

Звуковой удар – это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв).

Звуковой тон характеризуется частотой (периодом), амплитудой, гармоническим спектром, а также интенсивностью или силой звука и звуковым давлением.

Интенсивностью или силой звука называют плотность потока энергии звуковой волны: . Звуковое давление – это дополнительное давление р, которое возникает в среде при прохождении звуковых волн. Звуковое давление измеряется в Н/м².

Для плоской гармонической волны давление связано с интенсивностью звука соотношением: , где р₀– амплитудное значение; р_ЭФ– эффективное значение давления.

Ухо человека воспринимает широкий диапазон интенсивностей. Для того, чтобы волны звуковой частоты создали ощущение звука, необходимо, чтобы интенсивность превышала некоторую минимальную величину I₀, называемую порогом слышимости. Например, на частотеI₀=10^-12 Вт/м²или р₀=2^.10^-5Па. С другой стороны, звуки очень большой интенсивности не воспринимаются как звук, вызывая лишь ощущение боли в ухе. Максимальная величина интенсивности, при превышении которой возникает ощущение боли, называется порогом болевого ощущения:I_max=10 Вт/м²или р_max=60 Па для частоты. Отношение.

Поскольку диапазон интенсивностей, воспринимаемых звуков довольно велик, оказывается удобным сравнивать интенсивности звука в логарифмической шкале. Шкала уровней интенсивности создаётся следующим образом: значение I₀принимается за начальный уровень, уровень интенсивности любого звука с интенсивностьюIвыражают через десятичный логарифм её отношения кI₀:. В этой шкале уровень интенсивности выражают в белах (Б). Бел – единица, получившая своё название в честь изобретателя телефона Александра Грейама Белла (1847-1922 г.г.).

Если уровень интенсивности некоторого звука L=1Б, то отношение его интенсивности кI₀будет равно 10 (lg10=1), если жеL=2Б, тоI/I₀=10²(lg10²=2). Бел – это довольно большая единица, поэтому обычно уровень интенсивности выражают в децибелах: 1Б=10дБ, тогдаили. Порог слышимостиI₀имеет уровень интенсивностиL=0дБ, а болевой порог – 130дБ.