15

Лекция 4

Медицинская физика.

Механические колебания. Акустика

Уравнение механической волны

Механической волной называют механические возмуще­ния, распространяющиеся в пространстве и несущие энер­гию.

Различают два основных вида механических волн: упругие волны (распространение упругих деформаций) и волны на по­верхности жидкости.

Упругие волны возникают благодаря связям, существующим между частицами среды: перемещение одной частицы от положе­ния равновесия приводит к перемещению соседних частиц.

Уравнение волны выражает зависимость смещения колеблю­щейся точки (s), участвующей в волновом процессе, от координа­ты ее равновесного положения и времени. Для волны, распростра­няющейся вдоль направления ОХ, эта зависимость записывается

в общем виде:

s = f(x,t).

Если s и х направлены вдоль одной прямой, то волна продоль­ная, если они взаимно перпендикулярны, то волна поперечная.

Выведем уравнение плоской волны. Пусть волна распространя­ется вдоль оси ОХ (рис. 5.20) без затухания так, что амплитуды колебаний всех точек одинаковы и равны А. Зададим колебание точки с координатой х = 0 (источник колебаний) уравнением

До точки с некоторой произвольной координатой х возмущение от начала координат дойдет через время , поэтому колебания этой точки запаздывают:

Так как время и скорость распространения волны связаны за­висимостью т = x/v, то получаем

Это и есть уравнение плоской волны, которое позволяет опре­делить смещение любой точки, участвующей в волновом процес­се, в любой момент времени. Аргумент при косинусе называют фазой волны. Множество точек, имеющих одновремен­но одинаковую фазу, называют фронтом волны. Для рассмот­ренного случая фронтом волны будет плоскость х = const (плос­кость, перпендикулярная оси ОХ), всем точкам которой соответ­ствует одновременно одинаковая фаза. Отсюда и название — плоская волна.

Скорость распространения фиксированной фазы колебаний на­зывают фазовой. Предположим, что = const. Про­дифференцировав это равенство, получим 0 = (dt - dx/v), откуда

v = dx/dt.

Следовательно, скорость распространения фиксированной фазы колебаний и есть скорость распространения волны.

Кроме фазовой скорости различают еще групповую скорость, которую вводят тогда, когда реальная волна не может быть пред­ставлена одним гармоническим уравнением, а является суммой группы синусоидальных волн.

Длиной волны называют расстояние между двумя точка­ми, фазы которых в один и тот же момент времени отлича­ются на 2. Она равна расстоянию, пройденному волной за пери­од колебания:

Поток энергии и интенсивность волны

Волновой процесс связан с распространением энергии. Количе­ственной характеристикой перенесенной энергии является поток энергии.

Поток энергии волн (Ф) характеризуется средней энергией, пе­реносимой волнами в единицу времени через некоторую поверх­ность. Усреднение должно быть сделано за время, значительно большее периода колебаний.

Единицей потока энергии волн является ватт (Вт).

Найдем связь потока энергии волн с энергией колеблющихся точек и скоростью распространения волны.

Выделим объем среды, в которой распространяется волна, в виде прямоугольного параллелепипеда (рис.1); площадь его основания S, а длина ребра численно равна скорости v и совпадает с направлением распространения волны. В соответствии с этим за 1с сквозь площадку S пройдет та энергия, которой обладают ко­леблющиеся частицы в объеме параллелепипеда Sv. Это и есть по­ток энергии волн:

где < > — средняя объемная плотность энергии колебательно­го движения (среднее значение энергии колебательного движения частиц, участвующих в волновом процессе и расположенных в 1 м³). Поток энергии волн, отнесенный к площади, ориентиро­ванной перпендикулярно направлению распространения волн, называют плотностью потока энергии волн,

или интенсивностью волн:

Единицей плотности потока энергии волн яв­ляется ватт на Рис. 1

квадратный метр (Вт/м²).

Плотность потока энергии упругих волн пропорциональна плотности среды, квадрату амплитуды колебаний частиц, квадрату частоты колебаний и скорости распространения волны.

Эффект Доплера

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

Представим себе, что наблюдатель приближается со скоростью и_н к неподвижному относительно среды источнику волн. При этом он встречает за один и тот же интервал времени больше волн, чем при отсутствии движения. Это означает, что воспринимаемая час­тота v' больше частоты волны, испускаемой источником. Но так как длина волны, частота и скорость распространения волны связаны соотношением

Другой случай: источник волн И движется со скоростью и_и к не­подвижному относительно среды наблюдателю (рис. 5.23, а). Так как источник движется вслед за испускаемой волной, то длина вол­ны будет меньше, чем при неподвижном источнике. В самом деле, длина волны равна расстоянию между двумя точками с разностью фаз 2л. За время Т, равное одному периоду, волна распространится на расстояние X (рис. 5.23, б), источник волн переместится на рас­стояние АВ = v Т. Фазы точек В и С при этом различаются на 2тс; следо­вательно, расстояние между ними равно длине волны X', образуемой при движении источника излуче­ния. Используя рис. 5.23 и зная, что

Эффект Доплера можно использовать для определения скорос­ти движения тела в среде. Для медицинских применений это име­ет особое значение. Рассмотрим подробнее такой случай.

Пусть генератор ультразвука совмещен с приемником в виде некоторой технической системы (рис. 5.24). Техническая система неподвижна относительно среды. В среде со скоростью v₀ движет­ся объект (тело). Генератор излучает ультразвук с частотой v_r. Движущимся объектом, как наблюдателем, воспринимается час­тота Vj, которая может быть найдена по формуле (5.57):

где v — скорость распространения механической волны (ультра­звука).

Ультразвуковая волна с частотой v₁ отражается движущимся объектом в сторону технической системы. Приемник воспринима­ет уже другую частоту (эффект Доплера), которую можно выра­зить, используя формулу (5.59)

и называется доплеровским сдвигом частоты.

В медицинских приложениях скорость ультразвука значитель­но больше скорости движения объекта (). Для этих случаев из (5.64) имеем

Эффект Доплера используется для определения скорости кро­вотока, скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов.