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.

Акустика

В узком смысле слова под акус­тикой понимают учение о звуке, т. е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 до 20 000 Гц).

Природа звука

и его физические характеристики

Звуковые колебания и волны — частный случай механических колебаний и волн. Однако в связи с важностью акустических по­нятий для оценки слуховых ощущений, а также и в связи с меди­цинскими приложениями, целесообразно некоторые вопросы ра­зобрать специально.

Принято различать следующие звуки: 1) тоны, или музыкаль­ные звуки; 2) шумы; 3) звуковые удары.

Тоном называется звук, являющийся периодическим про­цессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым. Основной физической харак­теристикой чистого тона является частота. Ангармоническому¹ колебанию соответствует сложный тон. Простой тон издает, на­пример, камертон, сложный тон создается музыкальными инст­рументами, аппаратом речи (гласные звуки) и т. п.

Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота v₀ такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 2v₀, 3v₀ и т. д. Набор частот с указанием их относительной интенсивнос­ти (или амплитуды А) называется акустическим спектром. Спектр сложного тона линейчатый; на рис. 6.1 показа­ны акустические спектры одной и той же ноты (v₀ = 100 Гц), взя­той на рояле (а) и кларнете (б). Таким образом, акустический спектр — важная физическая характеристика сложного тона.

Дата добавления: 2013-12-13