Cơ sở vật lý sóng âm - nói về vật lí- lí sinh trong y học môn Y khoa | Trường Đại Học Tây Nguyên
Chuyển động sóng là sự lan truyền dao động trong một môi trường đàn hồi (môi trường có sự liên kết giữa các phần tử: môi trường khí, lỏng, rắn).
Môn: y khoa (ĐHTN) 33 tài liệu
Trường: Đại học Tây Nguyên 289 tài liệu
Tác giả:
Preview text:
lOMoAR cPSD| 58490434 Bµi 1
sãng ©m, SI£U ¢M Vµ øng dông trong y häc
NguyÔn Xu©n Hoµ Bé m«n Lý- Lý sinh Y häc Tr-êng §HYD Th¸i Nguyªn Môc tiªu:
1. §Þnh nghÜa ®-îc sãng ©m, siªu ©m.
2. Tr×nh bµy ®-îc nh÷ng tÝnh chÊt vËt lý vµ sinh lý cña sãng ©m. lOMoAR cPSD| 58490434
3. M« t¶ ®-îc nguyªn lý cÊu t¹o vµ ho¹t ®éng cña nguån ph¸t siªu ©m.
4. Tr×nh bµy ®-îc øng dông cña sãng ©m, siªu ©m trong y häc.
5. VËn dông gi¶i thÝch c¬ chÕ ph¸t ©m vµ qu¸ tr×nh nghe ë ng-êi. PhÇn 1
• B¶n chÊt vËt lý cña sãng ©m, siªu ©m
• ®Æc ®iÓm sinh lý sãng ©m
• Nguån ph¸t sãng ©m, siªu ©m lOMoAR cPSD| 58490434
1. Dao ®éng vµ sãng – Sãng ©m 1.1.Dao ®éng
Dao ®éng lµ mét d¹ng chuyÓn ®éng rÊt th-êng gÆp trong ®êi sèng vµ trong kü thuËt.
ThÝ dô: dao ®éng cña con l¾c ®ång hå, dao ®éng cña cÇu khi xe löa ch¹y qua, dao
®éng cña dßng ®iÖn trong m¹ch, dao ®éng cña lß xo,…
Dao ®éng lµ mét chuyÓn ®éng ®-îc lÆp l¹i nhiÒu lÇn theo thêi gian d-íi t¸c dông cña lùc ®µn håi. 1.2. Sãng
-ThÝ dô: NÐm hßn ®¸ vµo mét ®iÓm A trªn mét mÆt ao ph¼ng lÆng nh÷ng gîn
sãng lan dÇn tõ A ra chung quanh vµ lµm cho mÈu gç t¹i ®iÓm B dao ®éng.
- NhËn xÐt: SùtruyÒntÝnhiÖub»ngsãnglµsùlantruyÒncñatÝnhiÖu(mangn¨ng
lưîng),tõ®iÓmnµy®Õn®iÓmkiatrongmétm«itr-êngmµkh«ngcãsùdi
chuyÓnthµnhdßngcñac¸cphÇntöm«itr-êngdäctheophư-¬ngth¼ngsãng
(trongsùtruyÒnsãngchØcãdßngn¨nglưîngmµkh«ngcãdßngvËtchÊt).
- §n: ChuyÓn ®éng sãng lµ sù lan truyÒn dao ®éng trong mét m«i tr-êng ®µn håi (m«i tr-êng
cã sù liªn kÕt gi÷a c¸c phÇn tö: m«i tr-êng khÝ, láng, r¾n).
1.3. Sãng ©m – Siªu ©m
1.3.1. B¶n chÊt lOMoAR cPSD| 58490434
ThÝ dô: - NÕu ta kÐo mét d©y ®µn ra khái vÞ trÞ c©n b»ng råi th¶
ra th× ta thÊy nã dao ®éng.
- Gâ vµo mÆt trèng, nã ph¸t ra ©m. M¾t ta kh«ng nh×n râ
c¸c dao ®éng cña mÆt trèng, như-ng nÕu ®Ó s¸t vµo mÆt trèng mét
con l¾c nhÑ (m¶nh bÊc buéc vµo sîi chØ ) th× con l¾c bÞ bËt ra,
chøng tá mÆt trèng dao ®éng.
©m do c¸c vËt dao ®éng ph¸t ra vµ ®-îc lan truyÒn ra m«i tr-ưêng
d-íi d¹ng sãng: Sãng ©m => B¶n chÊt sãng ©m lµ sãng c¬ häc
1.3.2. C¸c th«ng sè c¬ b¶n
* Chu kú dao ®éng (T): lµ thêi gian mµ c¸c phÇn tö vËt chÊt chuyÓn ®éng dao ®éng
®Ó trë l¹i thÕ c©n b»ng ban ®Çu.§¬n vÞ lµ gi©y (s).
* Biªn ®é dao ®éng (h): lµ kho¶ng c¸ch tõ vÞ trÝ c©n b»ng ®Õn ®iÓm dao ®éng tèi
®a cña c¸c phÇn tö vËt chÊt. §¬n vÞ lµ mÐt (m).
* TÇn sè dao ®éng (f): lµ sè chu kú dao ®éng / thêi gian (s). §¬n vÞ lµ (Hz).
* B-íc sãng ( ): lµ ®é dµi cña mét chu kú dao ®éng. §¬n vÞ lµ mÐt (m). lOMoAR cPSD| 58490434
* Tèc ®é lan truyÒn cña siªu ©m (v): lµ ®é dµi mµ siªu ©m lan truyÒn ®-îc trong
mét ®¬n vÞ thêi gian (gi©y). §¬n vÞ lµ(m/s).
TÇn sè siªu ©m, chu kú, b-íc sãng, tèc ®é lan truyÒn ®Òu liªn quan mËt thiÕt
víi nhau theo c«ng thøc: = v/f = v.T
* C-ưêng ®é siªu ©m (I): n¨ng l-îng siªu ©m t¹o ra trong mét ®¬n vÞ diÖn tÝch (§v:
w/cm2). Cưêng ®é siªu ©m phô thuéc vµo h-íng lan truyÒn cña siªu ©m, tÇn sè,
©m trë cña m«i trưêng. Cưêng ®é siªu ©m cµng ®i xa nguån cµng gi¶m do c¸c
hiÖn t-îng ph¶n x¹, khóc x¹, nhiÔu x¹...
* N¨ng l-îng chïm siªu ©m (P)
Lµ møc n¨ng l-îng truyÒn tõ ®Çu ph¸t vµo m«i tr-êng (§v:W, mW).
(VÝ dô: NL ph¸t ra tõ ®Çu dß siªu ©m chÈn ®o¸n tõ 1 -10 mW).
H×nh minh häa (Sãng ©m lµ tËp hîp c¸c nÐn vµ d·n) lOMoAR cPSD| 58490434
1.3.3. Ph©n lo¹i sãng ©m.
* Ph©n lo¹i theo ph-¬ng dao ®éng: -
Sãng ngang: lµ sãng mµ ph-¬ng dao ®éng cña c¸c phÇn tö m«i trưêng vu«ng
gãc víi tia sãng (m«i tr-êng cã tÝnh ®µn håi vÒ h×nh d¹ng cã ë vËt r¾n). VD: sãng ¸nh s¸ng lOMoAR cPSD| 58490434 -
Sãng däc: lµ sãng mµ ph-¬ng dao ®éng cña c¸c phÇn tö m«i tr-êng trïng víi
tia sãng (m«i tr-êng chÞu biÕn d¹ng vÒ thÓ tÝchtruyÒn qua ®ưîc chÊt r¾n,
khÝ, láng). VD: sãng di chuyÓn cña lß xo khi co gi·n, sãng ©m
Sãng ©m lµ sãng däc
* Ph©n lo¹i theo tÇn sè: + H¹ ©m: f <16 Hz
+ Sãng ©m cã tÇn sè nghe thÊy: f = 16 - 20KHz.
+ Siªu ©m: f > 20 KHz 109 Hz.
+ Siªu siªu ©m (béi ©m): 109 Hz 1013Hz
øng dông trong y häc: 700 KHz- 50 MHz (chÈn ®o¸n: 2MHz-50MHZ)
2. C¬ së vËt lý cña ph-¬ng ph¸p ghi h×nh siªu ©m
- Lµ sù t-¬ng t¸c cña tia siªu ©m víi c¸c tæ chøc trong c¬ thÓ, sù t-¬ng t¸c nµy phô thuéc vµo:
+ Tèc ®é truyÒn cña sãng siªu ©m trong m«i tr-êng (siªu ©m
truyÒn qua kh«ng khÝ rÊt kÐm: 350m/s). lOMoAR cPSD| 58490434
+ Trë kh¸ng ©m cña m«i tr-êng.
+ C¸c quy luËt chi phèi sù truyÒn ©m.
+ Sù hÊp thô cña tæ chøc.
+ Th«ng sè (f, ) cña sãng siªu ©m vµ cÊu tróc h×nh häc cña tæ chøc.
Tèc ®é lan truyÒn siªu ©m qua c¸c m«i tr-êng sinh häc. lOMoAR cPSD| 58490434 *¢m trë (Z): lOMoAR cPSD| 58490434
Mçi mét m«i tr-êng cã ®Æc ®iÓm cÊu tróc, tÝnh chÊt
vµ mËt ®é kh¸c nhau g©y ra nh÷ng c¶n trë vËn tèc siªu
©m kh¸c nhau. Sù c¶n trë ®ã lµ ©m trë cña m«i tr-êng.
¢m trë cña m«i tr-êng tØ lÖ víi mËt ®é cña m«i tr-êng
vµ tèc ®é lan truyÒn siªu ©m. Z= .v
: mËt ®é cña m«i tr-êng. Z: ©m trë. v: tèc ®é lan truyÒn siªu ©m.
¢m trë cña mét sè m«i tr-êng M«i tr-êng ¢m trë (g/cm2.s) Nư-íc 370C 1,49.105 Kh«ng khÝ 0,0004.105
M«i tr-êng sinh vËt DÞchm¾t 1,5.105 TinhthÓm¾t 1,52.105 lOMoAR cPSD| 58490434 N·o 1,54.105 C¬ 1,60.105 M¸u 1,60.105 ThËn 1,62.105 L¸ch 1,64.105 Gan 1,65.105 X-¬ng®Æc X-¬ngxèp 6,10.105 2,55.105
3. TÝnh chÊt vËt lý sãng ©m
3.1. C¸c ®Æc tr-ng vËt lý
• Sãng ©m cã mang n¨ng l-îng
• C-êng ®é ©m (I) : W/m2
• Tèc ®é truyÒn ©m: phô thuéc vµo mËt ®é m«i tr-êng vµ tÝnh chÊt
®µn håi cña m«i tr-êng. lOMoAR cPSD| 58490434
• Møc c-êng ®é ©m: L = lgI/I0
• Phæ cña ©m: lµ tæng hîp dao ®éng c¸c thµnh phÇn cña ©m
3.2. C¸c hiÖn t-îng vËt lý
* HiÖn t-îng ph¶n x¹
+ Khi mét nguån siªu ©m lan truyÒn qua hai m«i tr-êng cã ©m trë
kh¸c nhau sÏ t¹o nªn hiÖn t-îng ph¶n x¹ siªu ©m. + HÖ sè ph¶n x¹ (R): R = (Z1 – Z2) / (Z1 + Z2)
Trong ®ã Z1 vµ Z2 lµ ©m trë cña m«i tr-êng 1 vµ 2.
VÝ dô: - HiÖn t-îng déi l¹i khi ©m ph¸t ra gÆp vËt c¶n (t-êng, nói) trong tù nhiªn. lOMoAR cPSD| 58490434
- Gi÷a m« mÒm vµ kh«ng khÝ, x-¬ng cã Δz línhÇu hÕt n¨ng
l-îng cña chïm siªu ©m bÞ ph¶n x¹ l¹i; tèc ®é truyÒn siªu ©m qua kh«ng khÝ kÐmdïng Gel.
* HiÖn t-îng khóc x¹. -
Lµ hiÖn t-îng chïm siªu ©m khi lan truyÒn trong mét m«i tr-êng cã ©m trë
kh¸c bÞ lÖch h-íng ®ét ngét ngay t¹i mÆt ph©n c¸ch. -
Sù khóc x¹ siªu ©m lµm lÖch nguån siªu ©m vµ ¶nh h-ëng ®Õn chïm siªu
©m ph¶n x¹ vµ kÕt qu¶ chÈn ®o¸n.
Khi nghi ngê trong siªu ©m cÇn t¨ng gãc quÐt ®Ó chïm sãng tíi vu«ng gãc víi vËt
sÏ lµm mÊt hiÖn t-îng khóc x¹ vµ lµm gi¶m ¶nh gi¶. M S Px I M lOMoAR cPSD| 58490434
* HiÖn t-îng t¸n x¹.
HiÖn t-îng nµy x¶y ra khi chïm tia siªu ©m gÆp c¸c cÊu tróc nhá (cã
kÝch th-ưíc << ) hoÆc víi bÒ mÆt kh«ng ®ång ®Òu, khi ®ã tia siªu
©m bÞ t¸n x¹ theo mäi h-íng vµ chØ cã 1 phÇn nhá tíi ®-îc ®Çu dß
* HiÖn t-îng nhiÔu x¹.
Lµ hiÖn t-îng chïm siªu ©m cã thÓ vßng qua vËt c¶n.
HiÖn t-îng nµy phô thuéc vµo kho¶ng c¸ch ®Çu dß ®Õn mÆt ph¼ng
th¨m dß, phô thuéc vµo b-íc sãng siªu ©m, ®-êng kÝnh cña nguån
ph¸t vµ gãc ®é cña chïm siªu ©m ph¸t ra.
Do c¸c hiÖn t-îng trªn nªn c-êng ®é siªu ©m cµng ®i xa cµng bÞ suy gi¶m.
* HiÖn t-îng hÊp thô: -
Khi chïm siªu ©m truyÒn qua mét m«i tr-êng vËt chÊt chïm siªu
©m ®· truyÒn mét phÇn n¨ng l-îng cho m«i trưêng ®ã hay nã bÞ m«i tr-êng ®ã hÊp thô. lOMoAR cPSD| 58490434
Ix= I0 .e-fx
Ix: c-êng ®é siªu ©m ®o ®-îc ë ®é s©u x I0: c-êng
®é siªu ©m lóc ®Çu f : hÖ sè hÊp thô cña m«i
tr-êng. x : chiÒu dµy cña m«i tr-êng siªu ©m ®i qua. * HiÖu øng Doppler
Khi cã chuyÓn ®éng t-¬ng ®èi gi÷a nguån thu ©m vµ tai th× ©m
mµ tai nghe ®-îc cã tÇn sè cña ©m mµ nguån ph¸t ra. §ã lµ hiÖu
øng Dopple (VÝ dô: nghe cßi tµu). - Néi dung:
+ NÕu sãng ®-îc ph¸t ra tõ nguån ph¸t cè ®Þnh ®Õn 1 ®Çu thu cè
®Þnh th× tÇn sè thu b»ng tÇn sè ph¸t.
+ B-íc sãng ng¾n l¹i khi ®Çu thu vµ ph¸t l¹i gÇn nhau vµ dµi ra
trong tr-êng hîp xa nhau ra. lOMoAR cPSD| 58490434
+ HiÖu øng Doppler ®óng víi tÊt c¶ c¸c lo¹i sãng, do ®ã ®óng c¶ víi sãng siªu ©m.
- øng dông: ®o sù co bãp cña tim, ®o tèc ®é di chuyÓn cña hång cÇu,
l-ưu l-îng m¸u, c¸c bÖnh vÒ tuÇn hoµn m¸u,…
4. §Æc tÝnh sinh lý sãng ©m
* §é cao: do tÇn sè ©m quyÕt ®Þnh
+ ¢m cã tÇn sè cao c¶m gi¸c thanh (trong). VD: nghe t¹ng chøa khÝ
+ ¢m cã tÇn sè thÊp c¶m gi¸c ©m trÇm (®ôc). VD: t¹ng ®Æc, chøa dÞch.
TÇn sè nghe ®-îc cßn phô thuéc vµo løa tuæi (ng-êi giµ nghe
®ưîc ©m cã f < 6000 Hz)
* Cưêng ®é ©m vµ ®é to cña ©m -
Cưêng ®é ©m: lµ c«ng suÊt sãng ©m truyÒn qua 1 ®v diÖn tÝch
®Æt vu«ng gãc víi ph-¬ng truyÒn (W/m2), decibel (db).
Tai ng-êi nghe ®-îc ©m cã c-êng ®é > ngưìng nghe lOMoAR cPSD| 58490434
Víi f = 1000 Hz th× ngưìng nghe = 10-12 W/m2, ng-ìng chãi lµ 1 W/m2 -
§é to cña ©m: lµ ®Æc tr-ng c¶m gi¸c vÒ m¹nh, yÕu cña dao ®éng
©m ®-îc c¶m nhËn bëi tai ngưêi (phon/dB). lOMoAR cPSD| 58490434
Bảng. Độ to của một số âm điển hình Loại 2 âm thanh
Cường độ âm ( W/cm ) Độ to (phon) Ngưỡng - 10 nghe 10 0 Tiếng - 9
tim đập ( nghe trực tiếp) 10 10 Nói - 6 thầm 10 40 Nói - 4 to 10 60 Radio - 2 mở to trong phòng 10 80 Động cơ môtô 1 100 Ngưỡng 2 chói 10 120 Mức 8 gây chết vi âm 10 180 * ¢m s¾c:
¢m s¾c cña ©m ®Æc tr-ng cho s¾c th¸i cña ©m. lOMoAR cPSD| 58490434
- Ph-¬ng diÖn vËt lý: 2 ©m cã cïng f, th× kh¸c nhau bëi thµnh phÇn
dao ®éng h×nh sin t¹o ra chóng
©m s¾c ®-îc ®Æc tr-ng bëi thµnh phÇn dao ®éng ®iÒu hßa h×nh sin
¢m cã tÇn sè nhá nhÊt lµ ©m c¬ b¶n; c¸c ©m kh¸c gäi lµ häa ©m.
VD: tai ng-êi ph©n biÖt ®-îc 2 ©m cã cïng ®é cao cña 2 lo¹i nh¹c cô
kh¸c nhau v× cã c¶m gi¸c ©m kh¸c nhau.
- Theo thuyÕt Helmholtz: ®é cao vµ ©m s¾c cña ©m liªn quan ®Õn
sîi ®µn håi cña mµng nhÜ (chiÒu dµi, chiÒu dÇy vµ ®é c¨ng).
5. Nguån ph¸t siªu ©m
Nguyªn lý chung ®Ó t¹o ra sãng ©m lµ lµm cho mét
vËt r¾n, mét mµng c¨ng hay mét d©y c¨ng dao ®éng ®µn håi.
Cã hai c¸ch ph¸t siªu ©m:
+ Dùa vµo hiÖu øng ¸p ®iÖn nghÞch. lOMoAR cPSD| 58490434
+ Dùa vµo hiÖn t-îng tõ gi¶o.