超声波基础入门知识详细资料.docx

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超声波基础入门知识详细资料

超声基础部分

1．何谓超声波?

诊断用超声波是如何产生的?

人耳能感知的声波频率范围为20—20000Hz。

低于20Hz者称为雌声波，高于20000Hz者称为超声波。

医用诊断用超声波的范围多在1—15MHz。

超声波是机械波。

可由多种能量通过换能器转变而成。

医用超声波是由压电晶体（压电陶瓷等）产生。

压电晶体在交变电场的作用下发生厚度的交替改变，即机械振动。

其振动频率与交变电场的变化频率相同。

当电场交变电频率等于压电晶片的固有频率时其电能转换为声能（电—声）效率最高，即振幅最大。

压电晶体只有两种可逆的能量转变效应。

上述在交变电场的作用下，由电能转换为声能，称为逆压电效应。

相反，在声波机械压力交替变化的作用下，晶体变形而表面产生正负电位交替变化，称压电效应。

超声探头（换能器）中的压电晶片,在连接电极电压交替变化的作用下产生逆压电效应,称为超声发生器;而在超声波机械压力下产生压电效应,又成为超声波接收器。

这是超声波产生和接收的物理学原理。

2．超声波物理特性及其在介质中传播的主要物理量有哪些？

它们之间有何关系？

（1）频率（frequency）：

质点单位时间内振动的次数称为频率（f）。

（2）周期（cycle）：

波动传播一个波长的时间或一个整波长通过某一点的时间（T）。

（3）波长（wavelength）：

声波在同一传播方向上，两个相邻的相位相差2π的质点间的距离为波长（λ）。

（4）振幅（amplitude）:

振动质点离开平衡位置的最大位移称振幅，或波幅（A）。

（5）声速（velocityofsound,soundvelocity）:

单位时间内，声波在介质中传播的距离称声速（C）。

介质不同，超声在介质中的声速度也不同，但是在同一介质中，诊断频段超声波的声速可认为相同。

声波在介质中的传播速度与介质的弹性系数（k）和介质密度（ρ）有关。

其声速与k和ρ比值的平方根成正比，即

式中C为声速，E为杨式模量。

根据物理学意义，c、f、T、λ之间有下列关系：

f＝1/T，c＝λf＝λ/T，λ＝c/f

超声在人体软组织（包括血液、体液）中的声速约为1540m/s；骨与软骨中的声速约为软组织中的2.5倍；而在气体中的声速仅为340m/s左右。

近年来的研究发现，不仅离体组织与活体组织有较大的声速差别，而且使用不同的固定溶液、固定速度也常影响声速。

此外，声速尚与组织温度有关。

通常，非脂肪组织的声速随温度上升而增快，脂肪组织的声速随温度上升而减慢。

当脂肪组织由20o升到40o时，声速可下降15％之多。

在进行精细的研究工作时，这些因素必须予以注意。

（6）超声能量与能量密度：

当超声波在介质中传播时，声波能到达之处的质点发生机械振动和位移。

前者产生动能而后者产生弹性势能。

动能和势能之和组成波动质点的总能量。

也即超声波的能量。

声波在介质中传播的过程，也是能量在介质中传递的过程。

设介质的密度为ρ,声波传播到的质点体积元为△V，其位移为x，△V将鞠有的动能为Wk，产生的势能为Wp。

则：

Wk＝Wp＝1/2ρA2ω2（△V）sin2ω（t－x/c）

△V具有的总能量为：

W＝Wk+Wp＝ρA2ω2（△V）sin2ω（t－x/c）

从表达式中可以看出超声波传播过程中总能量传递方式为：

①介质振动质点的动能和势能随时间同时发生周期性变化。

②振动质点以获得能量又向下一质点放出（传递）能量的方式传递声波。

在超声波的传播中，表示单位体积介质中所具有的能量称为能量密度（w）。

即：

w＝△w/△V＝ρA2ω2sin2ω（t－x/c）

由前所述可知，w也时随时间而变化的。

在一个周期中，其平均值为：

w＝1/2ρA2ω2（单位：

焦耳/厘米3，J/cm3）

即平均能量密度与振幅的平方、角频率的平方和介质密度成正比。

因此，在能量密度一定的情况下，，介质密度越小，振幅越大。

（7）声压：

声压指声波在介质中传播时，介质单位截面积所产生的压力变化，也即介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的压强之差。

根据声波传播的特点，声压也周期性变化于正常值与负值之间，一个振动周期的声压为：

Pm＝ρCAω（单位：

N/cm2）

即声强与介质密度（ρ）、振动幅度（A）、振动速度（ω）和传播速度（C）成正比。

（8）声强与声强级别（分贝）：

超声波在介质中传播时，单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量，称为超声强度，简称声强（I）。

单位为瓦/厘米2（W/cm2，mW/cm2）。

声强与声场中的能量密度（w）和超声传播速度（C）成正比，即：

I=ρCA2ω2/2

也即声强与振幅的平方、角频率的平方、介质的密度成正比。

声强可以小到每平方厘米数维瓦，也可以大到每平方厘米数千瓦。

人耳对声强变化的分辨能力较差，声强每增加10倍，人耳主观感觉只增加1倍。

为了解决声强很大差别在表示中的不便，在时间应用中，一般采用声强的自然数来表示声强的级别，称其为声强级（L），单位为贝尔（B）。

实际应用中以贝尔的1/10为单位，称为分贝（dB）。

按规定以一个最低可闻声强（I0）为基准来度量实际声强，即：

L＝10lgI/I0（dB）

人耳能感受的声强范围为10-12W/－1W/m2，即声强的级别为0－120dB。

（9）声功率：

声功率指单位时间内通过介质某一截面的声能量。

单位为J/s，即瓦特（W）。

3．什么叫声场、扩散角？

介质中有声波存在的区域称声场。

声源小，频率低的声波呈球面状传播，称为球面波。

如人耳可闻之声波。

声源足够大时，声波呈直线传播称为平面波。

超声探头内振动晶片的直径为其振动波长的20倍以上。

不足以形成完全的平面波，而是具有平面波和球面波的中间性质，集中在一个狭小的立体角内发射，即具有指向性。

直径为D的圆盘振子发射的超声波以距离声源D2/λ（λ为波长）为界，近声源侧近似平面波，称为近场，而远声源侧近似球面波，称为远场。

在近场，因干涉而形成复杂的声场，称Fresnel区。

近场区长度L（单位mm）可以从下列公式计算：

L＝r2/λ或L＝L＝r2f/1.5（在人体软组织中）

其中r为声源半径（mm）;f为频率（MHz）；λ为该介质中波长（mm）。

例如，探头直径为20mm时，发射频率为5MHz，则近场区长度约为333.333mm。

紧接近场区后的远场区，声波开始向周围空间扩散。

扩散声场两侧边缘所形成的角称扩散角（θ）。

扩散角与声源半径及波长有关，表达式为：

sinθ＝0.61λ/r

可见，探头孔径愈大，扩散角愈小，声束扩散愈小。

注意：

近场和远场有其严格的定义。

商用仪器Near和Far调节钮所表示的只是近程和远程增益的调节，不能称其为近场和远场调节。

4．什么叫声轴、声束和束宽？

声轴（beamaxis）为声波传播方向的曲线。

通常与声波发出后介质中声强或声压最大的区带一致，也即声能量密度最大的区带。

声束：

（beam）指声轴周围－6db（－50％）范围内的声场分布区。

束宽：

（beamwidth）指声束横断面的直径。

宽声束（声束较大）时，横向、侧向分辨力差。

非聚焦的声束，横向分辨力等于或大于声源的直径，不能分辨小结构。

为了增加分辨力，B型超声仪器采用声透镜、动态电子聚焦、凹面晶片聚焦发射和接收等多种方式使声束变窄。

经过聚焦的声束，称为聚焦声束。

5．何谓声特性阻抗？

它与声压、声强有何关系？

声特性阻抗（acousticcharacteristicimpedance）是反映介质密度和弹性的物理量，用Z表示。

定义为介质密度ρ和介质中声传播速度C的乘积，即Z＝ρC

对于纵波，也可表达为

Z＝√Bρ（B为介质的弹性模量）

声特性阻抗的单位为瑞利，1瑞利＝980dgn?

s-1?

cm-2

＝1g?

sec-1?

cm-2

特性阻抗与声强与声压存在如下关系：

I＝Pm2/Z=Pm2/ρC

6．何谓声特性阻抗差、声学界面？

如何分类？

两种不同特性阻抗的介质的特性阻抗差值称为这两种介质的声特性阻抗差。

其接触面称声学界面。

根据大小，分为大界面和小界面。

由于多次聚焦超声束的焦区束宽2－3cm，所以通常习惯把直径小于2mm的组织结构界面视为小界面。

对大界面，根据其光滑程度，又可分为光滑界面和粗糙界面，前者也称镜面，后者也称非镜面。

当两种介质的声特性阻抗差大于0.1％时，入射声波即在其界面发生反射和折射。

对于入射声束，界面使其发生反射、折射和/或散射。

此时，界面相当于一个新的声源，称其为二次声源。

7．声反射、声折射、声透射、声散射和声绕射的物理意义是什么？

声反射（acousticreflection）指声波入射到界面上时引起声波部分或全部返回的过程。

反射的条件是界面线度远大于波长。

反射声波的强度和方向与构成界面介质的特性阻抗，入射波声压、入射角等因素有关。

构成界面的两种介质特性阻抗相差（声特性阻抗差）愈大，反射愈强。

入射角等于反射角。

反射的强弱以反射系数表示。

反射系数等于反射波的能量与入射波的能量之比。

在不考虑声能吸收的条件下，声压反射系数（Rp）为：

Rp＝Z2－Z1

Z2＋Z1

声强反射系数（Ri）为：

Ri＝（Z1－Z2）2

Z1＋Z2

式中Z1、Z2分别为构成反射界面的两种介质声特性阻抗。

因为存在反射，所以透射入深层介质的声波能量减少。

声折射（acousticrefraction）指声波在通过不同传播速度的介质传播的过程中发生空间传播方向改变的过程。

声波在大界面上的折射服从折射定律：

即入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于界面两侧介质的声束之比，即

Sinα=C1

SinθC2

式中α、θ分别为入射角与折射角，C1、C2分别为第一层和第二层介质的声速。

由表达式可知，入射角声波垂直于界面时，不发生折射。

两种介质的声传播速度决定了折射角的大小。

在C1>C2时，随着入射角的增大，折射角也增大。

假设入射角达到b值时，折射角达到90o，则入射声波在界面上发生全反射。

无透射波进入深层介质。

此时入射角b值称为临界角。

声波经液体入射人体皮肤，临界角为70o－80o，即入射角超过80o，则无透射声波。

声透射（acoustictransmission）指声波穿过介质界面向深层的传播过程。

假定超声波垂直入射，经过三层介质，每层介质的声特性阻抗分别为Z1、Z2、和Z3，第二层介质的厚度为L，波长为λ2,那么，超声通过第二层介质后的强度透射系数（T1）为：

T1＝4Z1Z3

（Z1+Z3）?

cos2θ＋（Z2+Z1Z3）2?

sin2θ

Z2

式中θ＝2πL/λ2，当L极薄时，θ很小，sinθ≈0，cosθ≈1，所以

T1≈4Z1Z3

（Z1＋Z3）2

（Z2+Z1Z3）2

Z2

当Z1=Z3时，T=1。

当中间层极薄时，声波通过的声能损失很小。

超声诊断中涂布极薄的耦合剂，有利于减少声能的损失。

在中间介质的厚度L恰好是声波半波长的整数时，θ＝nπ，sinθ≈0，cosθ≈1，只要Z1=Z3,T1也等于1。

声能通过时损失同样很少。

但是，如果中间层的Z3很小，如空气，即是L极薄，θ很小，由于

变得很大，T1必然很小。

此时，声能丧失太大，难以进入第三层介质。

如果中间层的Z2＝Z1Z3，而且其厚度为四分之一波长的奇数倍，即L＝（2n+1）λ2/4,则θ＝（2π+1）π/2;也即sinθ＝1，cosθ＝0；那么由T1表达式可知

T1＝4Z1Z3

（Z2+Z1Z3）2

Z2

＝4Z1Z3

（√Z1Z3+Z1Z3）2

√Z1Z3

＝1

由此可见，在第二和第三层之间匹配以某种能满足上述厚度和声特性阻抗要求的介质，就能使超声能量很少损失地进入第三层介质。

此为超声换能器使用匹配层的原理和要求。

体内各层界面的反射带来各层组织的声特性阻抗信息。

超声诊断装置从回声强度的高低中提取信息所构成的超声图像，其实只是反映体内不同组织间