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1、超声波基础知识超声波和可听声波一样,也是一种机械波,它是由介质中的质点受到机械力的作用而发生周期性振动产生的。依据质点振动方向与波的传播方向的关系,超声波亦有纵波和横波之分。纵波是质点的振动方向与波的传播方向相同的波。例如音叉在空气介质中振动所产生的声波,空气介质中的质点沿水平方向振动,振动的方向与声波的传播方向一致,传播时介质的质点发生疏密的变化。纵波可以在固体、液体、气体介质中传播。横波是质点振动方向与波的传播方向垂直的波。一个典型的例子便是软绳上的波,我们不妨把软绳看成密集质点的集合,如果不断地摆动软绳的一头,则一系列的横向振动的波就由绳子的左端向右端移去,而绳上各质点
2、并不随波的传播方向移去,只是在各自的平衡位置附近作横向(剪切形式)的振动。横波不能在液体及气体介质中传播,这是因为液体和气体无切变弹性。由超声诊断仪所发射的超声波,在人体组织中是以纵波的方式传播的。就是因为人体软组织基本无切变弹性,横波在人体组织中不能传播。与普通声波(可闻波)相比,超声波具有许多特性。其中最突出的有:①由于超声波的频率高,因而波长很短,它可以像光线那样沿直线传播,使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波;②由超声波所引起的媒质微粒的振动,即使振幅很小,加速度也非常大,因此可以产生很大的力量。超声波的这些特性,使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日
3、益广泛的应用。例如,我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群、暗礁、潜水艇等。在工业上,则可以用超声波来检验金属内部的气泡、伤痕、裂隙等缺陷。在医学领域则可以用超声波来灭菌、清洗,更重要的用途是做成各种超声波治疗和诊断仪器。二、超声波的物理量1.声速 声波在介质中单位时间内传播的距离,称为声速。用符号c表示,单位为m／s(米／秒)。声波的传播过程实质上是能量的传递过程,它不仅需要一定时间,而且其传递速度的快慢还与介质的密度及弹性、介质的特性以及波动的类型有关。在有关介质中的超声速度2.周期和频率质中的质点在平衡位置往返振动1次所需要的时间叫周期,用T表示，单位是秒（
4、s）；在1s的时间内完成振动的次数称为频率,用f表示,单位为周/s，又称作Hz(Hz)。周期与频率成互为倒数关系,以下式表示：f=1／T超声诊断常用的频率范围在0.8～15MHz之间,而最常用的为2.5～10（MHz）。3.波长在一个周期内,声波所传播的距离就是一个波长,用λ表示。对于纵波,等于两相邻密集点(或稀疏点)间的距离,对于横波,则是从一个波峰(或波谷)到相邻波峰(波谷)的距离λ＝c/f频率和波长在超声成像中是2个极为重要的参数,波长决定了成像的极限分辨率,而频率则决定了可成像的组织深度。下表给出了医学超声诊断常用的几种超声波频率与其波长、周期和极限分辨力的关系。波长
5、、周期与极限分辨力之间的关系注：取超声波在人体中传播的平均声速c=1540mm/s作为换算标准4.声压纵波在弹性媒质内传播过程中,媒质质点的压强是随时间变化的,媒质质点的密度时疏时密,从而使平衡区的压力时强时弱,结果导致有波动时压强(PW)与无波动时压强(PO)之间有一定额压强差(PW－PO),这一波动压强称为声压。对于一无吸收媒质的平面波,有波动时压强的最大值与没有波动作用时各点压强的差值称为压强振幅(Pm),它可由下式确定： Pm=ρcVm即：声压振幅Pm与媒质密度ρ、质点运动速度的最大值Vm及波速c成正比。：5.声强声强是表示声的客观强弱的物理量,它用每秒钟通过垂直于
6、声波传播方向的1平方厘米面积的能量来度量,它的单位是焦耳／(秒·平方厘米)［J/(s·cm2)］。声强与声源的振幅有关,振幅越大,声强也越大;振幅越小,声强也越小。当声源发出的声波向各个方向传播时,其声强将随着距离的增大而逐渐减弱。这是由于声源在单位时间内发出的能量是一定的,离开声源的距离越远,能量的分布面也越大,因此通过单位面积的能量就越小。基于这一原理,在超声诊断探头发射超声时,必须考虑波束的聚焦,它可以减小声能的分散,使声能向一个比较集中的方向传播,因而可以增加诊断探测的深度。6.声阻抗率声阻抗率是描述声波传播弹性媒质的一个重要物理量。对于各向同性的均匀媒质中无衰减的平
7、面自由行波来说,媒质中某点有效声压P与振动质点速度有效值V之比称为声阻抗率,它用Zs表示： Zs=P／V=ρc实际上,声压与质点振速不一定同相位,所以声阻抗率是2个同频率、但不同相的余弦量的比值,并不是一个恒量。对于无衰减的平面行波,声压和振速可视为同相,媒质各点的声阻抗率是同一个恒量ρc,对一定频率的声波来说,它只决定于媒质密度ρ和波速c的乘积。 声阻抗率和电学中一个无限长、无损耗传输线的特性阻抗相似,其中声压相当于电压,振速相当于电流强度,声阻抗率相当于电阻。通常声阻抗率是一个复数,其实部称为
