16 第七章 第三节 超声的反射和透射
超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义
超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义摘要：本文主要讲述了超声的反射、折射、衍射、散射以及超声场在超声的医学诊断中的重要意义。
关键字：超声医学，反射，折射，衍射，散射，超声场Abstract:This paper describes ultrasonic reflection, refraction, diffraction, scattering, and ultrasonic field of medical ultrasonic diagnosis significance. Keyword:UltrasoundMedicine,reflection,refraction,diffraction,scattering,ultrasoni c field正文：一、反射与折射发生的先决条件:①介质的声阻抗在界面处发生突变②界面的线度远大于声波波长及声束的直径原理：当声波从一种介质向另一种传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质。
另一部分能量，穿过界面进入第二种介质，继续向前传播。
如遇两声速不同的介质时可引起传播方向的改变，即为折射。
超声波的折射与反射示意图△Z＞0.1%即可产生反射。
声阻抗差越大，反射越强。
如果界面的尽寸大于声束的直径为大界面，这时其反射规律遵循几何学的反射定律，即；反射角（β）等于入射角（α）。
显然，当超声的入射角大于0°时，由于反射角等于入射角，反射的声束就不能被一探头全部接收。
当入射角接近0°时，反射的声束就可全部为同一探头所接收，所以，在超声诊断中，应注意手法，不断地转动或侧动探头，使入射声束方向与被探测脏器的表面垂直，以期得到尽可能多的回声。
二、衍射与散射原理：超声波在介质内传播过程中，如果所遇到的物体界面或障碍物的线度与超声波长相近时，超声可以绕过障碍物的边缘，此时反射回波很少，这种现象叫衍射。
超声波探伤的物理基础——(第三节超声平面波在大平界面上垂直入射的行为)
第一章 超声波探伤的物理基础第三节 超声平面波在大平界面上垂直入射的行为超声波在异质界面上的反射、透射和折射规律是超声波探伤的重要物理基础。
当超声波垂直入射于平面界面时，主要考虑超声波能量经界面反射和透射后的重新分配和声压的变化，此时的分配和变化主要决定于界面两边介质的声阻抗。
一、超声波在单一的平面界面的反射和透射(1) 反射、透射规律的声压声强表示当平面超声波垂直入射于两种声阻抗不同的介质的大平界面上时，反射波以与入射波方向相反的路径返回，且有部分超声波透过界面射入第二介质，见图1–17所示。
平面界面上入射声强为I ，声压为P ；反射声强为I a ，声压为P a ；透射声强为I t ，声压为P t 。
若声束入射一侧介质的声阻抗为Z 1，透射一侧介质声阻抗为Z 2，根据界面上声压连续和振速连续的原则，并令21Z Z m =(称声阻抗比)，就可得到：声压反射系数m1m1Z Z Z Z P P 2112a P +-=+-==γ (1–21a) 声压透射系数m12Z Z Z 2P P 212t P +=+==τ (1–21b) 若把声压看作是单位面积上受的力，那么作用于同一平面的力应符合力的平衡原理，因此，声压变化就可写作t P Pa P =+，等式两边除以P ，得PP P Pa 1t =+即P P 1τ=γ+ (1–22)若把Ia/I 和It/I 分别定义为声强反射率(R)和声强透射率(D)，就可得到：声强反射率22a 1212a P P Z 2P Z 2P I Ia R === (1–23)声强透射率II D t=(1–24) 声强是一种单位能量，作用于同一界面的声强，应满足能量守恒定律，所以声强变化可写作I = Ia+It ，等式两边除以I ，得到图1–17 平面波在大平面上的反射和透射1D R I I I Ia I I t =++= (1–25) 从式(1–23)可知2221122P m 1m 1Z Z Z Z R ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=γ= (1–26) 从式(1–22)和(1–25)可知2221212P )m 1(m4)Z Z (Z Z 41D +=+⋅=γ-= (1–27)(2) 声压往复透过率实际探伤中的探头常兼作发射和接收声波用，并认为透射至工件底面的声压在钢/空气界面上被完全反射后，再次透过界面后被探头所接收，因此，探头接收到的返回声压t P '与入射声压之比，即为声压往复透过率Tp 。
超声检测直射波的原理
超声检测直射波的原理
超声检测直射波的原理是利用超声波在介质中的传播特性进行检测。
当超声波以一定的角度射向介质的表面时，会发生反射、折射和透射三种现象。
首先，超声波在介质表面上发生反射，其中一部分能量以直角反射回来。
这部分反射波被接收器接收，并通过信号处理系统进行分析和处理。
反射波的特征包含了介质表面的信息，比如缺陷和界面。
其次，超声波透过介质表面后发生折射，其传播方向会改变。
由于介质的折射率与入射角度的关系已知，可以通过测量折射后的波的传播方向来计算介质的折射率，从而了解介质的性质。
最后，超声波在通过介质后，一部分能量透射到另一侧的介质中。
如果介质中存在缺陷或界面，部分能量会被散射、衰减或反射回来。
这些反射和散射的波可以通过接收器接收到，并分析其特征来检测和评估材料中的缺陷、异物或界面的状态。
综上所述，超声检测直射波的原理是通过测量和分析超声波在介质中反射、折射和透射的特性来检测和评估材料中的缺陷和界面状态。
超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义
超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义摘要：本文主要讲述了超声的反射、折射、衍射、散射以及超声场在超声的医学诊断中的重要意义。
关键字：超声医学，反射，折射，衍射，散射，超声场Abstract:This paper describes ultrasonic reflection, refraction, diffraction, scattering, and ultrasonic field of medical ultrasonic diagnosis significance. Keyword:UltrasoundMedicine,reflection,refraction,diffraction,scattering,ultrasonic field正文：一、反射与折射发生的先决条件:①介质的声阻抗在界面处发生突变②界面的线度远大于声波波长及声束的直径原理：当声波从一种介质向另一种传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质。
另一部分能量，穿过界面进入第二种介质，继续向前传播。
如遇两声速不同的介质时可引起传播方向的改变，即为折射。
超声波的折射与反射示意图△Z＞0.1%即可产生反射。
声阻抗差越大，反射越强。
如果界面的尽寸大于声束的直径为大界面，这时其反射规律遵循几何学的反射定律，即；反射角（β）等于入射角（α）。
显然，当超声的入射角大于0°时，由于反射角等于入射角，反射的声束就不能被一探头全部接收。
当入射角接近0°时，反射的声束就可全部为同一探头所接收，所以，在超声诊断中，应注意手法，不断地转动或侧动探头，使入射声束方向与被探测脏器的表面垂直，以期得到尽可能多的回声。
二、衍射与散射原理：超声波在介质内传播过程中，如果所遇到的物体界面或障碍物的线度与超声波长相近时，超声可以绕过障碍物的边缘，此时反射回波很少，这种现象叫衍射。
16第七章第三节超声的反射和透射
16第七章第三节超声的反射和透射超声波诊断医学影像成像原理超声的反射和透射reflection and transmission一、超声波超声波(ultrosound ，US)高频机械波20000Hz ～1015Hz 20Hz ～20000Hz 诊断超声人耳听阈1MHz(106Hz)～40MHz定义为声压与声振动速度之比：声阻抗：c Z ?=ρ（瑞利）表征介质声学特性的一个物理量。
人体不同组织的声阻抗血液 1.055 1570 1.656脂肪0.955 1476 1.410 软组织（平均值）1.016 1500 1.542肌肉（平均值） 1.074 1568 1.684肝 1.050 1570 1.648 空气（22℃）0.00118 334.8 0.000407颅骨 1.658 3860 5.571介质名称密度（103kg ?m -3）速度（m ?s -1）声阻抗(106N ?s ?m -3)根据声阻抗，人体组织分成三大类：中等声阻抗的液体和软组织高声阻抗的矿物组织，如骨骼低声阻抗的气体或充气组织三、超声的反射（reflection ）Z 1反射声强与入射声强之比。
221212P )()Z -(Z Z Z r +=当声波垂直入射时，得：声压反射系数r P ：超声波在两种介质分界面上改变传播方向又返回原来介质中的现象。
Z 2四、透射（transmission ）透射声强与入射声强之比。
22112P )(4Z Z Z Z t +=当声波垂直入射时，得：声强透射系数t P :超声入射到两种介质的界面上时，有部分能量穿过介质进入下一介质中的现象。
Z 1Z 2透射系数当Z 1≈Z 2时，得：r P →0，t P ≈ 1 超声全部透射。
22112P )(4Z Z Z Z t +=221212P )()Z -(Z Z Z r +=反射系数讨论：（1）Z 1Z 2讨论：（2）Z 1Z 2当Z 1>>Z 2 或Z 2>> Z 1时，得：r P →1，t P →0，超声强烈反射无透射。
超声波透射法
超声波透射法
超声波透射法，是一种利用超声波在物质内部传播的性质，检测
物质内部结构及缺陷的无损检测方法。
它是一种非破坏性测试方法，
可用于各种材料和构件的缺陷检测、质量控制和结构评定，被广泛应
用于工业、医学和生物学等领域。
超声波是一种高频声波，它能够在物质内部传播，与物质的密度、刚度等物理参数相关。
超声波透射法利用超声波在物质内部传播的特性，通过对超声波的反射、折射和散射等信息进行分析，确定材料内
部的结构、性质和缺陷。
超声波透射法的基本原理是将超声波传入待检测物体内部，通过
检测超声波在物体内部的传播情况，来检测物体的内部结构和缺陷。
这种检测方法可以分为两种类型：传统的A扫和B扫。
A扫是将超声波传入待检测物体，通过检测超声波的回声信号的振幅和时间，来判断物体内部结构和缺陷的位置和大小。
B扫则是将超声波传入待检测物体，通过形成二维图像显示物体内部的结构和缺陷。
对于材料的检测，超声波透射法主要用于检测缺陷，如裂纹、气孔、夹杂、缩孔等。
超声波透射法可以通过不同的测试方法来检测缺陷，如测量超声波的传播时间、测量超声波的振幅、测量超声波的透
射率等。
超声波透射法不仅可以用于材料的检测，还可以用于医学和生物
学等领域。
医学领域，超声波透射法被广泛应用于声像学检查，如超
声心动图、超声肝胆胰脾、超声肺部、超声乳腺等。
在生物学研究中，超声波透射法可以被用于研究生物组织结构和功能。
总之，超声波透射法是一项重要的无损检测技术，其广泛应用于
许多领域，如工业、医学和生物学等，为相关行业提供了强有力的检
测和控制手段。
超声波的反射和折射.
2
式中：I0、Ir、It——分别为入射波、反射波、透射 波的声强；
a、b——分别为声波的入射角和折射角； 1c1、2c2——分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2
分别为反射波和折射波的速度。 当超声波垂直入射界面，即a=b=0时，则
1 2 c2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1c1 R 1 2 c2 c 1 1
2
T
1c1 2c2 2
4 1c1 2c2
由式 $$$ 和式可知，若 1c1≈2c2 ，则反射系数 R≈0 ，透射系数 T≈1 ，此时声波几乎没有反射，全 部从第一介质透射入第二介质；若 2c2>> 1c1时， 反射系数 R≈1 ，则声波在界面上几乎全反射，透射 极少。同理1c1>>2c2时，反射系数R≈1，声波在界 面上几乎全反射。如20℃水温时，水的特性阻抗为 1c1=1.48×106Kg/(m2 ． s) ， 空 气 的 特 性 阻 抗 为 2c2=0.000429×106Kg/(m2 ． s) ， 1c1>>2c2 ， 故 超 声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。
由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射 角 a 的正弦与反射角 a′ 的正弦之比等于波速之比。 当波在界面处产生折射时，入射角 a 的正弦与折射 角 b 的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速 c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即
入射波
介质1 介质2
a a′
0
反射波
b
折射波
超声波的反射和折射
超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质在两个介质的分界面上一部分声波被反射另一部分透射过界面在另一种介质内继续传播
超声波的反射和折射
反射系数和透射系数
二、声波的描述
声波的类型
类型 平面声波 球面声波 波阵面 垂直于传播 方向的平面 以任何值为 半径的球面 同轴圆柱面 声线 相互平行 的直线 由声源发出 的半径线 线声源发出 的半径线
声学基础知识
声源类型 平面声源 点声源
柱面声波
线声源
Chapter 2
声学基础知识
二、声波的描述
声功率与声强的关系
球面辐射时：
波阵面面积
二、声波的描述
3、声功率和声功率级
(2) 声功率级
声功率级单位：分贝。
二、声波的描述
声功率级声压级(声强级)的关系：
二、声波的描述
[例1]
声压级Lp增加20dB，求声压的变化量。
[例2]
当声压为原来声压的（a）加倍；（b）减半 （c）十倍；（d）十分之一时，分别求声压级 变化。
声压
2
2X10-2
20
0.2
200
二、声波的描述
1、声压和声压级
⑵声压级
该声音的声压与参考声压的比值取以10为
底的对数再乘20。
声压级单位：分贝。
二、声波的描述
2、声强和声强级
(1)声强
在声传播方向上单位时间内垂直通过单位面 积的声能量。单位是瓦每平方米 。
二、声波的描述
2、声强和声强级 (2)声强级
⑴ 声压
a、瞬时声压：某一瞬间的声压。
b、有效声压（pe）：在一定时间间隔中将瞬 时声压对时间求方均根值即得有效声压。
二、声波的描述
1、声压和声压级
日常生活中声音的声压数据 (Pa)
声音种类
正常人耳能 听到最弱声 普通说话声 （1m远处） 公共汽车内
超声波反射与声阻抗的关系
超声波反射与声阻抗的关系
超声波反射与声阻抗之间存在着密切的关系。
声阻抗是指声波
在两种介质之间传播时所遇到的阻力，它是介质密度和声速的乘积。
当超声波遇到介质界面时，由于声阻抗的不同，部分声波会被反射
回来，而部分会进入下一个介质中。
这种反射和透射现象是由于介
质之间的声阻抗不同所引起的。
在超声波检测和成像领域，声阻抗的差异被广泛应用。
当超声
波束穿过一个介质并遇到另一个介质时，根据声阻抗的不同，一部
分超声波会被反射回来。
通过测量反射回来的超声波的强度和时间，我们可以推断出不同组织或材料的声阻抗差异，从而实现超声波成
像和检测。
另外，声阻抗的大小也影响了超声波在不同介质中的传播速度。
根据声阻抗的定义，当两种介质的声阻抗差异越大时，超声波的反
射率就会越高，同时传播速度也会发生变化。
因此，通过测量超声
波的传播速度和反射率，我们可以推断出介质的声阻抗差异，从而
对介质进行检测和成像。
总的来说，超声波反射与声阻抗之间密切相关，声阻抗差异导
致超声波的反射和透射现象，同时也影响超声波在介质中的传播速度，这些特性被广泛应用于超声波成像、医学诊断和材料检测等领域。
第3节 超声波在介质中的传播特性
气泡的振动也会产生相应的谐波，且这种谐波比组 织谐波强的多。
32
3. 反射增强 声波在传播过程中会出现反射增强现象。由
于衰减，要对不同深度的回波信号进行不同的放 大，目的是使同种均匀介质在不同深度回波信号 的强度基本相同。图7-11。
状态。
rp
Z2 Z2
Z1 Z1
8
2.
声强反射系数rI
定义：反射声强与入射声强之比：rI
因为
p2 I
Z c
Ir Ii
Z
所以
I
pr2 Z1
pi2
pr pi
2
2 p
Z1
9
3. 全反射 超声波的折射定律与光波的折射定律相同：
sini c1 sint c2
体软组织中，蛋白质成分的张驰过程是造成驰豫吸收的主要 因素。
吸收与声波的频率关系甚大，介质对声波的吸收有 影响。
24
2. 介质吸收衰减规律
强度的减少量-dI，根据实验： I0
dI
I
dI Idx
x0
x
dI Idx
dI I
dx
ln I x
I0 I ex I0
但在不同介质传播时，声波在液体介质中衰减 较小，而在软组织中衰减较大，而每一束声波放 大处理相同。当使软组织反射信号均匀一致，则 液体介质中传播的声波回波信号强度比入射波信 号强度还大，从而形成反射增强。
33
五、声束通过介质薄层的特征
第七章 超声波物理.ppt
超声波发射
应
---------
---------
31
第七章 超声波物理
32
二、超声波的产生机制
2.电致伸缩效应
性
电场引起材料内部正负电荷重心相对位移,内部产
生应力导致宏观上的几何形变。
电能转变成机械能
压电陶瓷 超声发射换能器
第七章 超声波物理
33
• 超声波有三个基本物理量，即波长（wave length,λ）,频率（f）和声速(velocity,C),它们 之间的关系为：
频率高、波长短、方向性强、能量大、危害小
第七章 超声波物理
8
第七章 超声波物理
9
第七章 超声波物理
10
超声成像系统
显示器
控制面 板
探头 主机
10
第七章 超声波物理
11
超声成像系统—显示器
11
第七章 超声波物理
12
超声成像系统—探头种类
凸阵探头 线阵探头 相控阵探头 4D探头
穿刺探头
腔内探头
第七章 超声波物理
23
• 声源 我们把能发出声音的东西叫做声源。 振动是产生声波的根源。 在超声成像中，探头晶片发射时即产生 超声，所以探头晶片就是声源。
• 介质 声源和接收声音之间的空间充满了气 体(空气)，或是液体，或是固体，即有种传 播声音的媒介物——介质。声波必须在介 质中传播，在真空中声波是不能传播的。
50
一、圆形单晶片声源的超声场
2.超声场的角分布
性
换能器指向性 即描述声束集中程度
在中心轴及其以外的声压不均匀分布
中心部出现一主瓣，主瓣旁出现许多副瓣。
2.6 超声波垂直入射到界面的反射和折射
r Z2 Z1 0.15 4.5 0.935 Z2 Z1 0.15 4.5
t 2Z2 2 0.15 0.065 Z2 Z1 0.15 4.5
R r2 0.9352 0.875
当Z1>Z2时，如钢/水
直探头保护膜的设计
2.6.3 声压往复透射率
在超声波单探头检测中，探头兼作发射和接收超声波。探头发出的超声波透过 界面进入工件，在固/气底面产生全反射后再次通过同一界面被探头接收
这时探头接收到的回波声压与入射波声压之比，称为声压往复透射率T往
T往
Pa P0
Pt P0
Pa 4Z1Z2 Pt (Z2 Z1)2
超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗 有关，而且与薄层厚度同其波长之比d2/λ2有关
2.6.2薄层界面的反射率与透射率
1.均匀介质中的异质薄层（Z1=Z3≠Z2）
（1）当
d2
n
2 2
（n为整数）时，r
0,t
1。这说明当薄层两侧介质声阻抗相等，
薄层厚度为其半波长的整数倍时，超声波全透射，几乎无反射，好象不存在异
4Z1Z3
(Z1 Z3)2。这说明超声波垂直入射到两侧介质声
阻抗不同的薄层时，若薄层厚度等于半波长的整数倍，则通过薄层的声强透射
率与薄层的性质无关，好象不存在薄层一样
（2）d2 (2n 1) 4（2 n为整数）时，且 Z2 Z1 Z3 时，此时T＝1，即声强透射率等于
1，超声波全透射。
T
4Z1Z2 (Z2 Z1)2
第07章散射
pr (t)
1
2
F
(0
)
exp
i0t 1
d0
p
t 1
p 1
t
• 发射波形压缩或伸长，得到接收波形
3/25/2020
理论声学(2) 第七章
40
• 声源速度随时间变化 • V 取 t ' 时的速度 • 得到 r 点在 t 时间的瞬时频率
• 线性的时不变系统，频率不变 • 运动声源，系统是时变的 • 时变系统会改变频率
20ck 2r2
D2
I0 k 2r2
D2
I0
Pr 2
20c
D
3/25/2020
理论声学(2) 第七章
18
总散射功率
S
IdS
P0 2
0ck 2
D2 sin d
0
用球截面积的入射功率 r02 P0 2
2c
归一为
2
kr0
2
0
D2
sin
d
3/25/2020
理论声学(2) 第七章
19
• 频率很低
15
• 入射波在界面上的法向速度
Vri
ra
P0
i0c
l0
2l
1il Pl
cos
jl
kr02
• 散射波
Pr P0
Al
h(1) l
kr
Pl
cos
l0
Vrr
ra
P0
i0c
l0
Al Pl
cos
hl1
kr02
Al
2l 1il jl
hl(1) kr02
kr02
d
I0d
•
超声波回波反射的条件
超声波回波反射的条件
超声波回波反射的条件主要包括以下几点：
1. 声阻抗差异：当超声波从一种介质传播到另一种介质时，如果两种介质的声阻抗不同，超声波就会在两者的分界面上产生反射和透射现象。
声阻抗差越大，反射越强。
2. 障碍物尺寸：超声波的反射还与障碍物的尺寸有关。
一般来说，只要障碍物尺度大于1/4超声波波长，超声波就会在障碍物表面产生反射。
由于超声波的波长较短，相对较小的障碍物即可形成反射。
3. 入射角：当超声波的入射角大于0°时，反射的声束很难被同一探头所接收。
为了接收尽可能多的回声，应注意侧动探头，使入射声束方向与被探物体的表面垂直。
4. 界面尺寸：如果界面的尺寸小于声束的直径，超声波会呈散射模式，即反射无一定的方向。
当界面的尺寸小于半个波长(λ/2)时，超声会绕过此界面而继续向前传播，不产生任何反射，这种现象称为绕射。
综上所述，超声波回波反射的条件包括声阻抗差异、障碍物尺寸、入射角和界面尺寸等因素。
在实际应用中，可以根据这些因素调整超声波探头的参数和位置，以获得最佳的回波效果。
说明超声波反射,折射定律和和式中各参数的物理意义
说明超声波反射,折射定律和和式中各参数的物理意义超声波在工业、医疗、科研等多个领域具有广泛的应用。
了解超声波的反射、折射定律及其相关参数的物理意义，有助于我们更好地应用这一技术。
本文将详细解释超声波反射、折射定律以及和式中各参数的物理意义。
一、超声波反射定律超声波在遇到界面时，会发生反射现象。
超声波反射遵循以下定律：1.入射角等于反射角：当超声波从一个介质入射到另一个介质时，入射角（入射波与法线的夹角）等于反射角（反射波与法线的夹角）。
2.反射波与入射波在同一平面内：反射波、入射波和法线三者共面。
3.反射系数：反射系数是描述反射波与入射波幅度比的一个参数，用R表示。
其计算公式为：R = (反射波幅度) / (入射波幅度)反射系数的取值范围在-1到1之间，正值表示同相位反射，负值表示反相位反射。
二、超声波折射定律当超声波从一个介质进入另一个介质时，会发生折射现象。
超声波折射遵循以下定律：1.斯涅尔定律：入射角（θ1）和折射角（θ2）的正弦值之比等于两个介质的波速之比，即：sin(θ1) / sin(θ2) = v1 / v2其中，v1和v2分别为两个介质的波速。
2.折射波与入射波在同一平面内：折射波、入射波和法线三者共面。
3.折射系数：折射系数是描述折射波与入射波幅度比的一个参数，用n表示。
其计算公式为：n = (折射波幅度) / (入射波幅度)折射系数的取值范围在0到1之间。
三、和式中各参数的物理意义在超声波反射、折射定律中，和式通常表示为：E = E0 * (R * cos(θ1) + n * cos(θ2))其中，E表示接收到的超声波总能量，E0表示入射的超声波能量，R表示反射系数，n表示折射系数，θ1表示入射角，θ2表示折射角。
各参数的物理意义如下：1.E0：入射的超声波能量，反映超声波在传播过程中的强度。
2.R：反射系数，描述反射波与入射波的关系，用于分析反射波的强度和相位。
3.n：折射系数，描述折射波与入射波的关系，用于分析折射波的强度。
超声波物理
三、声速、声压、声强与声阻抗
1、声速（音速） 声在弹性介质中传播时，单位时间内传播的距离称为声速。用符合C表示，单位ms-1。声音可以在气体、液体、 固体中传播，受到压强、密度、温度影响。超声的传播速度与一般音速相同，其大小与介质的弹性、密度、波动的类型有关。
在固体中平面波的声速为： 纵波C
Y
横波C
多晶片电子聚焦换能器把压电晶片排列成线型阵列，激励脉冲电压在电子开关控制下按一定的延迟时 序激励晶片。
第三节 超声在介质中的传播 在声学中介质的分类是以声阻抗来划分的。声波介质界面就是声阻抗不同的介质分界面。即：只要 声阻抗相同，不管其构成，都是相同的声学介质。超声可以在不同的介质中传播。 一、反射与透射 超声波在介质中传播时，一般遵循几何声学的原则：以直线传播遇到界面时会发生反射和透射。如 图7-6 发生反射和折射的条件是：1、界面的线度远大于声波波长及声束的直径；
3、压电材料的选择 压电陶瓷是一种多晶材料，如果温度发生变化，晶体内部结构也发生变化。当温度高于某一临界值Tc时，电畴结 构完全解体，压电效应也自行消失，物理学成这一临界温度为材料的居里点。例如锆钛酸铅（PZT)大约在300~388℃，钛酸钡为120℃。
4、压电效应的主要参数： 压电接收常数g 它是指压电片单位形变所产生的电位移，表示换能器接收性能的好坏，其单位是V.M.N-1表示。g越大越好。 压电发射常数d 它是指应力不变时，由电场变化引起的应变的变化。d越大越好。
7、平均功率A，单位时间内输出的功率。它等于脉冲占空因子和峰值功率之积。
二、超声波产生的机制
产生超声波有两个重要的条件：高频声源和传播超声的介质。临床实现超声的发射和接收是通过超声探头来实现。其核心部件就是一种压电陶 瓷。 自然界中有些电介质具有压电效应，所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内 部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。压电材料 它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料，这些材料具有以下特性： 1、电致伸缩效应 由电场作用引起材料内部正负电荷重心发生相对位移，使材料内部产生应力导致宏观几何变形，这种电能转变成机械能的效 应称为电致伸缩效应。 产生机制：介质内部存在极化现象，具有类似于铁磁体的磁畴样的电畴， 这些电畴在介质中（如压电陶瓷）自发存在并形成一种分子集团，自发 产生一定的电场。电畴长度在电场方向上有差别。外加电场时，电畴发 生转到，介质内电场与外电场方向一致，介质的几何长度随之发生变化。 由此介质将随外电场的变化而发生几何变化，即机械振动。而在介质中 产生机械波，其频率与外加电场频率一致。超声探头就是利用电致伸缩 效应将电压转变为声压，向人体发射超声。 2、压电效应 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时， 其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的 电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正 压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
超声波垂直入射到界面的反射和折射
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2.6.1 单一平界面反射率与透射率
以上讨论为超声波纵波垂直到单一平界面上声压、声 强反射率和透射率
一样适合用于横波入射情况, 但必须注意是在固体/液 体或固体/气体界面上, 横波全反射。因为横波不能在 液体和气体中传输。
超声波垂直入射到界面的反射和折射
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2.6.2薄层界面反射率与透射率
薄层界面反射透射示意图
超声波经过异质薄层时声压反射率和透射率不但与介质声阻抗和薄层声阻抗相 关, 而且与薄层厚度同其波长之比d2/λ2相关
超声波垂直入射到界面的反射和折射
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2.6.2薄层界面反射率与透射率
1.均匀介质中异质薄层（Z1=Z3≠Z2）
（1）等当，薄层d2厚 n度（22 为n为其整半数波）长时整，数r 倍0,时t ，1。超这声说波明全当透薄射层，两几侧乎介无质反声射阻，抗好相象 不存在异质薄层一样。这种透声层常称为半波透声层。
强透射率与薄层性质无关，好象不存在薄层一样
（2）
d2 (2n 1（) 42n为整数）时，且 Z2 Z1 Z3
时，此时T＝1，即声强透射
率等于1，超声波全透射。
直探头保护膜设计
超声波垂直入射到界面的反射和折射
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2.6.3 声压往复透射率
在超声波单探头检测中, 探头兼作发射和接收超声波。探头发出超声波透过界面 进入工件, 在固/气底面产生全反射后再次经过同一界面被探头接收
这时探头接收到回波声压与入射波声压之比, 称为声压往复透射率T往
T往
Pa P0
Pt P0
Pa Pt
4Z1Z2 (Z2 Z1)2
声压往复透射率与界面两侧介质声阻抗相关, 与从何种介质入射到界面无关。界
医学超声原理 第四讲 超声波的反射透射
镜面反射与漫反射
声波反射声像图
图2-4-3左是胫骨（Tibia）的超声图像 ，（黄色）箭头所指就是镜面反射的很 好的一个例子。大面积平整光滑的骨骼 界面，由于其与周围软组织的声阻抗率
差异很大，引起明显的镜面反射。
图2-4-3右是胸大肌（pectoris major muscle ）的声像图，箭头所指的 位置是很好的漫反射例子。
2Z1
（3） （4）
一、超声波垂直入射到平界面上的 反射和透射
• 讨论：
1) Z1 > Z2 2) Z2 > Z1 3) Z2 >> Z1 ，r ≈1，t ≈2。形成驻波，波速的波节
（为0），声压的波腹（两倍的入射声压）。
4) Z1 >> Z2 5) Z1 ≈ Z2 • 作业：请分析在上述各种情况下声压反射率，透 射率的结果以及所表示的物理含义？
二、超声波斜入射到平界面上的反 射和透射
2).超声波斜入射到平面时的的反射与透射
二、超声波斜入射到平界面上的反 射和透射
• 入射波，反射波，透射波的数学表达式：
p A e j(tk1x cos k1y sin )
i
1
(5)
p B e j(tk1x cos k1y sin )
r
1
(6)
p A e j(tk2x cos k2 y sin )
2. 入射与折射不仅与介质的声学参量有关，还与入 射角有关；
3. 全透射，当 Zc2 cos Zc1 cos ' 反射率为0，入射波全 透射；
4. 全反射，当 sin cc12折射角大于900，折射波全部raction is governed by Snell’s Law and describes reflection where sound strikes the boundary of two tissues at an oblique angle. The reflections generated do not return directly back to the transducer. The angle of refraction is dependent on two things; the angle the sound wave strikes the boundary between the two tissues and the difference in their propagation velocities. If the propagation velocity is greater in the first medium, refraction occurs towards the center, or perpendicular (A). If the velocity is greater in the second medium, refraction occurs away from the originating beam (B). Because sound is not reflected directly back to the transducer, the image being depicted may not be clear, or potentially altered, “confusing” the ultrasound system since it assumes that sound travels in a straight line.
超声波的检测原理反射折射
超声波的检测原理反射折射2超声波及超声检测原理2. 1超声波的基本性质通常人耳能听到声音的频率范围在20}20KHz之间，把超过20KHz的声波称为超声波。
超声波在本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖两个条件，一是有机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。
波的种类是根据介质质点的震动方向和波动传播方向的关系来区分的。
超声波在介质中传播的波形有许多种，有纵波、横波、表面波等。
充满超声波的空间叫做超声场。
声压、声强度、声阻抗是描述超声场特征的几个重要物理量。
a.声压超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时的静态压强之差被称为声压，常用P表示，单位为帕。
超声波在介质中传播时，介质中每一点的声压随着时间t、距离x而变化，其公式为:pcvcxtwAwpp=--=)(sin式中P为介质的密度、必为介质的角频率C为超声波在介质中的波速，v为介质质点的振动速度。
可见声压的绝对值与波速以及角频率成正比。
b.声强度在垂直于超声波方向上的单位面积内通过的声能量被称为声强度，也称声强。
式中A为超声波的振幅。
从公式可见声强与质点振动的位移振幅的平方成正比，与质点振动的角频率的平方成正比。
C.声阻抗从声压的公式可见，在同一声压下辉越大，质点振动速度就越小，反之亦然，它反映了声学特性，故将声的乘积作为介质的声阻抗，以符号Z表示。
2. 1. 2超声波的速度及波长超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定的介质其弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。
不同的介质有不同的声速。
超声波的频率、波长和声谏之间的关系如下:其中入超声波的波长、c为超声波的速度、f为超声波的频率。
2. 1. 3超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量会逐渐减弱，这种现象叫超声的衰减。
从理论上讲，超声波能量衰减的起因有以下几个方面:a.由声束扩展引起的衰减在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面波的声束在不断扩展增大，因此单位面积上的声能(或声压)随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减，扩散衰减仅取决与波的几何形状而与传播介质的性质无关。
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超声波诊断
医学影像成像原理
超声的反射和透射
reflection and transmission
一、超声波
超声波(ultrosound ，US)
高频机械波
20000Hz ～1015Hz 20Hz ～20000Hz 诊断超声
人耳听阈
1MHz(106Hz)～40MHz
定义为声压与声振动速度之比：声阻抗：c Z ⋅=ρ（瑞利）
表征介质声学特性的一个物理量。
人体不同组织的声阻抗
血液 1.055 1570 1.656脂肪0.955 1476 1.410 软组织（平均值） 1.016 1500 1.542肌肉（平均值） 1.074 1568 1.684肝 1.050 1570 1.648 空气（22℃）0.00118 334.8 0.000407颅骨 1.658 3860 5.571介质名称密度（103kg ⋅m -3）速度（m ⋅s -1）声阻抗(106N ⋅s ⋅m -3)
根据声阻抗，人体组织分成三大类：
中等声阻抗的液体和软组织
高声阻抗的矿物组织，如骨骼
低声阻抗的气体或充气组织
三、超声的反射（reflection ）Z 1反射声强与入射声强之比。
221212P )()Z -(Z Z Z r +=当声波垂直入射时，得：
声压反射系数r P ：
超声波在两种介质分界面上改变传播方向又返回原来介质中的现象。
Z 2
四、透射（transmission ）透射声强与入射声强之比。
22112P )(4Z Z Z Z t +=当声波垂直入射时，得：
声强透射系数t P :
超声入射到两种介质的界面上时，有部分能量穿过介质进入下一介质中的现象。
Z 1Z 2
透射系数当Z 1≈Z 2时，得：
r P →0，t P ≈ 1 超声全部透射。
22112P )(4Z Z Z Z t +=221212P )()Z -(Z Z Z r +=反射系数
讨论：
（1）Z 1
Z 2
讨论：（2）Z 1Z 2当Z 1>>Z 2 或Z 2>> Z 1时，得：
r P →1，t P →0，超声强烈反射无透射。
超声从空气难以进入人体表面皮肤。
例如：空气-皮肤交界面：r P =0.9989
透射系数反射系数
22112P )
(4Z Z Z Z t +=221212P )()Z -(Z Z Z r +=
六、耦合剂（coupling gel）
空气-皮肤声阻抗相差很大，超声波难以进入人体。
涂抹耦合剂，消除空气隙，超声尽可能多的进入人体。
小结
使超声尽可能多透射入皮肤。
根据声阻抗，人体组织分为三类：
低声阻组织、中等声阻组织、高声阻组织。
全反射条件：
全透射条件： 耦合剂作用：
Z 1≈Z 2
Z 1>>Z 2 或Z 2>> Z 1，
思考题
1.超声能检查肺部吗？为什么？
2.超声能检查头部吗？为什么？
参考书目
Thank You!。