Механические волны. Уравнение волны. Поток энергии волны. Вектор Умова. Эффект Доплера и его использование для медико-биологических исследований

Волна – процесс распространения колебаний в среде.

Бывают два вида волн: 1. механические 2. электромагнитные

Механической волной называется механическое возмущение, распространяющееся в пространстве и несущая энергию.

Условия для существования механических волн.

Источник волн упругая среда, в которой они распространяются (в вакууме мех.волны не распространяются)

Механические волны бывают:

Продольные, которые колеблются вдоль распространения волны:

Поперечные, которые колеблются перпендикулярно.

Поток энергии волны равен отношению энергии, переносимой волнами через некоторую поверхность ко времени, в течение которого эта энергия перенесена:

Ф=dE/dt (Bm)

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

Представим прямоугольный параллелепипед, площадь его основания S, а длина ребра равна скорости V и совпадает с направлением распространения волны. В соответствие с этим за 1 с. сквозь площадку S пройдет та энергия, которой обладают колеблющиеся частицы в объеме параллелепипеда SV.

Это и есть поток энергии волн Ф=WpSV, где Wp – объемная плотность энергии колебательного движения. Поток энергии волн, отнесенный к площади, ориентированный перпендикулярно направлению распространения волн, называют плотностью потока энергии волн или интенсивностью волн.

I=Ф/S=WpV или в векторной форме.

Вектор I, показывающий направление распространения волн и равный потоку энергии волн, проходящему через единичную площадь, перпендикулярную этому направлению называется вектором Умова.

Уравнение волны: S=A cos (w (t-x/V)), оно позволяет определить смещение любой точки, участвующей в волновом процессе, в любой момент времени.

Аргумент при косинусе Ф=W (t-x/V) называется фазой волны.

Множество точек, имеющих одновременно одинаковую фазу, называется фронтом волны.

Длиной волны называется расстояние между двумя точками, фазы которых в один и тот же момент времени отличаются на 2П. Она равна расстоянию, пройденному волной за период колебаний _b=T*V

T- период колебаний

Эффект Доплера заключается в том, что частота волн, воспринимаемых приемником, отличается от частоты волн, издаваемых источником, при их относительном движении.

1. Источник Приемник

Vпр. = V+Vпр./V-Vист. *Vист.

V – скорость распространения волны в среде Vпр.-Vист.

2. Источник Приемник

Vпр. = V-Vпр./V+Vист.

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

Акустика. Физические характеристики звука. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука. Звуковые измерения. Акустический импеданс. Аудиометрия.

Акустика – область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких (10¹²-10¹³Гц). Так же под акустикой понимают учение о звуке, об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 до 20 000 Гц).

Физические характеристики звука.

Принято различать звуки:

тоны или музыкальные звуки

шумы

звуковые удары

Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым. Негармоническому колебанию соответствует сложный тон (простой тон издает камертон, сложный тон создается музыкальным инструментом).

Набор частот с указанием их относительной интенсивности называется акустическим спектром.

Шумом называют звук, отличающийся сложной, неповторяющейся временной зависимостью. Шум также можно рассматривать как сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. К шуму относятся звуки от вибрации машин, шорох, скрип, аплодисменты.

Звуковой удар – это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв.

Характер слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука.

Воспринимая тоны, человек различает их по высоте.

Высота – субъективная характеристика, обусловленная, прежде всего частотой основного тона. В значительно меньшей степени высота зависит от сложности тона и его интенсивности, звук большей интенсивности воспринимается, как звук более низкого тона.

Тембр звука – зависит от акустического спектра.

Громкость – субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения. Громкость зависит от интенсивности и частоты

E=Rlg(I/I₀)

R – некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.

I₀ – пора слышимости.