超声物理基础
超声检测-物理基础
机械振动
机械波
机械振动——谐振动
振动：质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态。 谐振动：质点受到跟位移成正比、方向总是指向平衡位置的回 复力作用下的振动。
振动方程：
y A cos t A : 振幅
＝2 f ：角频率 ：初始相位
机械振动——谐振动
特点： 位移随时间的变化符合余弦规律； 振幅和频率始终保持不变、自由、周期的振 动——最基本、最简单的理想的振动； 固有频率由系统本身决定； 只有弹力或重力做功，机械能守恒。
频谱分析在超声检测中的应用 ——提高超声无损检测分辨率的方法 （《无损检测》 1997（4），P91 ）
远场分辨率：两相距2mm反射体
c d 2f 测得：f 1.4MHz d 2.1mm
频谱分析在超声检测中的应用 ——提高超声无损检测分辨率的方法 （《无损检测》 1997（4），P91 ）
机械波——产生与传播
机械波 机械振动在介质中传播形成机械波。 弹性介质 由以弹性力保持平衡的各个质点所构成。
机械波——产生与传播
产生机械波的条件 机械振动源、弹性介质。 特点： 机械振动是机械波的根源、机械波是机械振动状态的 传播。 机械波的传播不是物质的传播，而是振动状态和能量 的传播。
超声检测的历史
1964年，焊缝超声检测技术。
70’，裂纹高度测量，结合断裂力学，评估结 构强度和寿命预测。 80’，随着电子技术和计算机的发展，超声检 测自动化和成像技术发展迅速。
超声波的特点
超声波能量高
超声波穿透力强 超声波方向性好
超声物理基础及图像基础.pptx
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（四）超声波的三个基本物理量
1、超声波的振态
超声波的振态在固体中有纵波 、横波 和表面波三种，而在液体和气
体中只有纵波振态，在超声诊断中应用的是超声纵波。
2、超声波的三个基本物理量
超声波有三个基本物理量，即波长（wave length,λ）,频率（f）和
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2、波长与介质的关系
（1）同一介质 不同频率的超声波，在同一介质内传播时其波长与频率成反比。 1MHz 的 超 声 波 在 人 体 软 组 织 中 传 播 时 ， 其 波 长 为 1.5mm 。 3MHz 的 超 声 波 在 人 体 软 组 织 中 传 播 时 ， 其 波 长 为 0.5mm 。 5MHz 的 超 声 波 在 人 体 软 组 织 中 传 播 时 ， 其 波 长 为 0.3mm ，
标志反向散射的数量和定量参数称为反向散射系数μb，定义为：
μb = 从组织中反向散射的能量
4）
(参考能量) (立体角) (距离)
（1-1-
式中：参考能量等于脉冲的总能量。
所以超声成像的回声来源是：超声波的背向散射及镜面反射。
3．红细胞散射 在研究红细胞运动规律时，反向散射（Back
scattering）是极有用的超声信息。
（a）传播声波的媒质（介 质）的分子 (b) 波长为λ的平面连续 压缩波的压力分布
图1-1-2质点振动传播声波
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(五) 声速、波长与介质的关系
1、声速与介质的关系
（1）.同一介质 不同频率的探头在同一介质中传播时声速基本相同。所以 用不同频率的探头检查肝脏时，声速基本相同。
超声诊断物理基础
3. 超声的安全标准 ① 超声辐射剂量＝超声强度x辐射时间 ② 胚胎和眼部组织为敏感器官 美国食品、药品管理局（FDA）规定
________________________________________________________
SPPA（空间峰值脉 ISPTA(空间峰值时 IM(mW/cm2 ) 冲平均）mW/cm2 间平均） mW/cm2 最大声强 ____________________________________________________________________ 心脏 190 430 310 脉管 190 720 310 眼部 28 17 50 胎儿 190 94 310 ____________________________________________________________________
超声诊断物理基础
福建医科大学附属协和医院 福建超声医学研究所 林礼务
一、概念
㈠ 定义：频率超过人耳听觉范围（20～20000Hz）
的高频声波，即频率>20000Hz的机械振动波。 性质：具有声波的物理性质 ①必须通过弹性介质传播 ②在气、液、固体中以纵波（疏密波）传播 ③具有反射、折射、衍射和散射 ④在不同介质中（空气、水、软组织、骨 骼）分别具有不同的声速与衰减
⑵ 远场声束扩散，随直径增加而更扩散，但横 断面能量分布均匀 扩散角： 声束向两侧扩散的角（2θ），扩散 角愈小指向性愈好 半扩散角：声束向一侧扩散的角（θ）
4.声场指向性优劣的指标
⑴
⑵
近场长度[L=(r2•f)/c ],频率越高，波长愈 短，则近场越长 扩散角愈小→指向性愈好 扩散角：增加探头孔径可改善声束指向性， 但会降低横向分辨力。 可用聚焦探头减少 远场扩散
超声基础知识部分
第一单元超声波检测的物理基础1、机械振动：有些物体在某一固定的位置（即平衡位置）附近作周期性的往复运动，这种运动形式被称为机械振动，简称振动。
2、自由振动：做振动的系统在外力的作用下物体离开平衡位置以后就能自行按其固有频率振动，而不再需要外力的作用，这种不在外力作用下的振动称为自由振动。
3、无阻尼自由振动：理想情况下的自由振动叫无阻尼自由振动。
自由振动时的周期叫固有周期，自由振动时的频率叫固有频率，它们由振动系统自身条件所决定，与振幅无关。
4、简谐振动：最简单最基本的直线无阻尼自由振动称为简谐振动，简称谐振。
5、在周期性外力的作用下产生的振动称为受迫振动，这个周期性的外力称为策动力。
6、机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波。
机械波产生的条件：有机械振动振源和传播振动的弹性介质。
7、波长：在同一波线上两个相邻的振动相位相同的质点之间的距离，称为波长（即一个“波”的长度），用符号λ表示。
波长的常用单位是毫米（mm）或米（m）。
8、频率：单位时间内波动通过某一位置的完整波的数目，称为波动频率，也是质点在单位时间内的振动次数，用符号f表示。
频率的常用单位是赫兹（Hz），即（次）/秒。
波的频率是波源的振动频率，与介质无关。
9、周期：周期在数值上等于频率的倒数，它是波动前进一个波长的距离所需要的时间，用符号T表示。
周期的常用单位有秒（s）。
10、波速：在波动过程中，某一振动状态（即振动相位）在单位时间内所传播的距离叫做波速，用c表示，其常用单位为米/秒（m/s）。
波速的影响因素有：（1）介质的弹性模量和密度；（2）波的类型；（3）传播过程中的温度。
11、惠更斯原理：媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，在其后的任一时刻，这些子波的包迹就决定新的波阵面。
惠更斯原理对任何波动过程都适用，不论是机械波或电磁波，不论这些波动经过的媒质是均匀的或非均匀的。
利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向。
超声物理基础 讲课
连续多普勒。 主要诊断用途：用于判断有无疾患，掌握血流动态信
。 息，测试判断病患程度所需的血流最大流速
彩色多普勒血流成像：是使用一种目标显示器
（moving target indicator.MTI），计算出血流血细胞 的动态信息，并根据红细胞的移动方向、速度、分散情 景，调配红、黄、绿三基色，变化其亮度，叠加在二维 扫描图象上。由于声束射入心脏、血管、心脏的壁层、 瓣膜运动、血管搏动以及红细胞血流都有多普勒频移发 生。当检测血流信息时血流信号的频移较大，是需要检 测的信息，而壁层和瓣膜运动频移较小，他们是无关的 信息，需要消除。
优点；具有轴方向分辨能力，能够指定取样位置， 可以同时显示B模式和多普勒可以用于相对定 量检查
缺点；能够计测的最大流速低，如果提高了计测的 最大流速，则诊断距离就会缩短
主要诊断用途：用于判断有无疾患，掌握血液动态 信息
HPRF脉冲多普勒： 说明：使用同一元件发射和接收超声波，该方式集中
了连续和脉冲波的优点 优点：具有一定程度的轴向分辨力，能够在一定程度
频谱
中间水平线；（横轴线）为零频移（基线）在基线
上面的谱图表示为正向频移，表示血 流朝向探头，在基线的下面则为反向 频移，表示血流背向探头。
频带宽度：为频移在垂直方向上的宽度，表示某一
瞬间采样血流中红细胞速度分布范围的大 小。频带宽速度分布范围大，频带窄则速 度分布范围小
频谱灰阶；即频谱图的明暗度，表示信号强度的大
部回声。
小。他和该时刻采样容积内血流速度相 同的红细胞数目有关，红细胞数目多， 后散射强，显示较亮，反之显示较暗。
二.多普勒频谱技术的类型
1. 连续多普勒技术（Continuous Wave Doppler）
超声基础-物理基础
物理基础第一节声波的定义及分类一、定义物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起听觉器官有声音感觉的波动则称为声波。
根据声波的传导方向与介质的的振动方向的关系，声波有纵波和横波之分。
二、横波所谓横波是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波。
人体的骨骼中，不但传播纵波，还传播横波。
三、纵波即介质中质点沿传播方向运动的波。
在纵波通过的区域内，介质各点发生周期性的疏密变化，因此纵波是胀缩波。
理想流体(气体和液体)中声振动传播方向与质点振动方向是平行的，只存在于纵波。
人体中含水70—80％，故除骨路、肺部以外软组织中的声速和密度均接近于水。
目前医用超声的研究和应用主要是纵波传播方式。
第二节超声显像物理基础一、超声波基本物理量1、超声波是声源振动的频率大于20000 Hz的声波。
2、超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（λ），声速（c），它们的关系是：c=f·λ或λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质，不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速基本相同。
3、相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同，人体软组织中超声波速度总体差异约为5％。
因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/s。
通过该声速可测量软组织的厚度，由于目前超声仪所采用的是脉冲回声法，故该回声测距的公式是：t组织厚度=Ｃ·───2利用超声方法进行测距的误差也是5％左右。
4、声阻抗是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度ρ与声波在该介质中的传播速度c的乘积所决定，即：Z=ρ·c单位为Kg／m2·s。
5．临床常用的超声频率在2～10 MHz之间。
二、超声波的物理性能l、超声波在介质中传播时，遇到不同声阻的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射，反射的能量由反射系数R I=〔（Z2-Z1）/（Z2+Z1）〕2决定。
Z1、Z2为两种介质的特性声阻抗，Z=ρ·c (密度·声速）当Z1=Z2，为均匀介质，则RI＝0，无反射。
超声波检测的物理基础
周期、频率、波长、波速为四个特征量。
令波在一个周期T内所传播的路程为波长，用λ 表示。根据频率f和波速C的 定义，四者关系如下：
C=fλ =λ /T
(1-4)
波动每传播一个波长，波的相位就变化ω λ /C=2π，也即相隔整数倍波
长的各点是作同相位振动的。令k=ω /c=2π/λ ，k称为波数，描述波动的常
2 t T
弹簧振子受力振动后，振子Q离开平衡位置位移量X随时间 t的变化规律可由下列余弦函数（或正弦函数）描述：
X=Acos（2πt/T+φ）
或 X=Acos (ωt+φ)=Asin (ωt+φ+ π/2)
（1-2）
式中，X为t时刻振子Q离开平衡位置的距离；
A为振幅，表示振子Q在振动过程中的最大位移量；
钢板、锻件探伤
横波 振动方向垂直于播向 固体介质
焊缝、钢管探伤
表面波 质点椭圆运动，
长轴垂直播向
固体介质
钢管、薄板探伤
短轴平行播向
板波 对称(S)型
上下表面：椭圆运动
中心：纵向振动
固体介质(波长薄板)薄板薄壁管探伤
非对称(A)型上下表面：椭圆运动 中心：横向振动
主要特征量
质点振动方向与波动传播方向相互垂直的波型称为横波。当固体弹性介质 受到交变的剪切应力作用时，产生剪切变形，介质质点就会产生相应的横 向振动，质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波。因 横波是在剪切应力作用下产生的，故也称剪切波或切变波，用S表示。
横波S
图2.2.2
质 点 振 动 方 向
球面波
第1章 超声检测的物理基础
➢ 声源：点状球体。
➢ 波动方程： y A cos（t x）
x
c
（1－6）
➢ 质点的振幅与距声源的距离成反比。
• 柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波。
➢ 波源：一无限长的线状直柱。
➢ 波动方程：
y
A cos（t x）
x
c
（1－7）
➢ 质点的振幅与距柱状声源的距离平方根成反比。
• 活塞波：有限尺寸的平面的声源产生的波形，不是单纯的 平面波或球面波。
➢ 声源：一个有限尺寸的平面，声源上各质点作相同频率、 相位和振幅的谐振动。
• 瑞利波：表面波的一种，是在半无限大固体介质与气体或液 体的交界面上产生，并沿界面传播。
➢ 瑞利波传播时，质点沿椭圆轨迹振动，是纵向运动和 横向运动的合成，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短 轴平行于波的传播方向。
➢ 瑞利波传播时随穿透深度增加，质点振动能量下降很 快，穿透深度约为一个波长。
➢ 瑞利波可以沿圆滑曲面（R＞5 λ）传播而没有反射。
一个而波阵面可以有任意多个。 • 根据波阵面的形状（波形），将波动分为平面波、柱面波和
球面波等。
• 平面波：波阵面为相互平行平面的波。
➢ 声源：一个作谐振动的无限大平面。
➢ 波动方程： y Acos（t x）
c
（1－5）
➢ 不考虑介质所吸收的波的能量，质点振动幅度不随距声 源的距离而变化。
• 球面波：波阵面是以声源为中心的同心球面的波。
• 兰姆波：由倾斜入射到薄板中的声波产生的沿薄板延伸方 向传播的一种波型。
➢ 兰姆波传播时，整个板厚内的质点均产生振动，质点振 动方式是纵向振动与横向振动的合成，在不同深度层面 上质点振动幅度和方向是变化的。
超声物理基础
超声物理基础一、超声波的基本物理量超声波是振动频率大于20000Hz的机械波，产生振动的地方称振源，传播声波的媒介物质称为介质。
临床常用的超声频率范围在2~12MHz之间，最常用的是3.5MHz或3.75MHz。
C=f·λ或λ=C/f A 振幅人体软组织平均声速为1540m/s,探测1cm深度目标所需时间为13μs。
人体软组织中声速总体差异约为5%。
二、超声波传播特性声波在介质中传播时，有声能占据的空间，叫做声场。
多振子探头的声场分布呈“花瓣”状，能量最集中区为“主瓣”，主瓣越窄越强越好。
副瓣在声束扫描时会产生伪像。
口径大于波长的振源产生的振动在均匀介质传播时，在L=γ2/λ范围内以平面波方式传播，L称为近场长度，在L以远则以θ角扩散，表现为球面波，θ角称为不扩散角。
Σ·nθ=0.61λ/r声阻抗=Ζ（ρ·c）不相同的介质称为不均质，只要有0.1%的差异，就可以检测出。
界面的反射与折射反射系数R I=[Ζ2-Ζ1/Ζ2+Ζ1]2垂直入射界面时，反射最强。
从第一介质进入第二介质，产生方向改变的传播称为折射。
当障碍物的直径和波长相当时，超声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为衍射。
波长越短发现障碍物越小，显现力越好。
理论分辨力为λ/2。
当目标小于小于波长时，产生瑞利散射，红细胞是一种散射体，红细胞数量越多，后向散射强度就越大。
超声波在介质中传播时，随着距离增加，声能随之减弱，这就是衰减。
衰减的原因：吸收衰减波束扩散散射STC（TGC）的作用是补偿声能的衰减，使深部图像也清楚。
空间峰值时间平均声强I spta<100mW/cm2真实声束声强I cd<20mW/cm2三、超声多普勒效应(一)基本公式f d=f R-f o=（2V·f o cosθ）/C一般在音频范围V=C·f d /2f o·cosθC=1540m/s(1)V ∝f d(2)V=常数和cosθ=常数时f d∝f o低速血流选高频(3)当f d和cosθ为常量时 V∝1/ f o高速血流选低频(4)当V，f o恒定时f d∝cosθθ→0或(180°)f d最大θ→90°或(270°）f d=0(二)用途：测量血流速度，确定血流方向，确定血流性质（层流、射流、湍流）以及相关的血流参数。
医学超声的物理基础
第二章医学超声的物理基础超声波是一种机械波，机械振动与波动是医学超声的物理基础。
它是由弹性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。
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。
§2.1 超声波的一般概念一、机械振动与机械波宇宙中的一切物质，大至宏观天体，小至微观粒子都处于一定的运动状态，振动和波动是物质运动的基本形式之一。
物体的机械振动是产生波的源泉，波的频率取决于物体的振动频率。
（一）机械振动物体沿着直线和曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。
一切发声物体的运动及超声波源的运动等则是人们难以觉察到的振动现象。
物体（或质点）受到一定力的作用，将离开平衡位置，产生一个位移，该力消失后，由于弹性作用，它将回到其平衡位置，并且还有越过平衡位置移动到相反方向的最大位移位置，然后再返回平衡位置。
这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振动”。
振动是往复、周期性的运动，振动的快慢常用振动周期和频率两个物理量来描述。
（二）机械波振动的传播过程，称为波动。
波动分为机械波和电磁波两大类。
机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波。
交变电磁场在空间的传播过程，称为电磁波。
介质包括各种状态的物质，可以是弹性介质（液体、气体或固体）也可以是非弹性媒质；弹性介质传播机械波的机理可用图2-1加以说明。
弹性介质是由许多很小的微粒（称为质点）所组成，质点间由弹性力相互联系着，恰似由小弹簧联系在一起。
当外力F作用于质点A时，A就会离开平衡位置，这时A周围的质点将对A产生弹性力使A回到平衡位置。
当A 回到平衡位置时，具有一定的速度，由于惯性，A不会停在平衡位置，而会继续向前运动，并在相反方向离开平衡位置。
这时A又会受到反向弹性力，使A又回到平衡位置，产生振动。
超声波物理基础
第五节 波速
声波在介质中传播的速度称为波速，又称声速。波速的大小取决于波型和传播介 质特性，其一般表达式为：
波速＝ 弹性率 / 密度＝K E （1—14）
式中：E——正弹性模量；ρ——介质密度；K——与材料泊松比ζ有关的常数。 一、液体的纵波波速 如前所述，液体介质只能传播纵波，其纵波波速为：
y
A x
1 2
cost kx
（1-5）
第三节 声波的波动特性
一、波的叠加
当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各 列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。几 列波相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向 继续前进，好象在各自的途中没有遇到其他波一样，这就是波的迭加原理，又称 波的独立性原理。 波的迭加现象可以从许多事实观察到，如两石子落水，可以看到两个以石子入水 处为中心的圆形水波的迭加情况和相遇后的传播情况。又如乐队合奏或几个人谈 话，人们可以分辨出各种乐器和各人的声音，这些都可以说明波传播的独立性。 当两个频率相同，振动方向相同、相位相同或相位差恒定的波在介质某点相遇后， 会使一些点处的振动始终加强，而在另一些点处的振动始终减弱或完全抵消，这 种现象称为波的干涉。这两束波称为相干波，波源称为相干波源。
一、波的类型 纵波：介质中质点振动方向与波的传播方向一致的波，一般用L表示， 图1—7。
图1—7 纵波
横波：介质中质点振动方向与波的传播方向向垂直的波，一般用S表 示，图1—8。
图1—8
表面波：当固体弹性介质表面受到交替变化的表面张力作用时，介质表面的质点 就产生相应纵向振动和横向振动，其结果导致质点作这两种振动的合成振动，即 绕其平衡位置作椭圆轨迹的振动，这种振动的传播形成表面波，是一种沿固体表 面传播的波。图1—9。由于液体和气体不能产生剪切应变，故不能传播横波和表 面波，只能传播纵波
超声基础原理
一、超声的物理基础
2、波长与介质的关系： 、波长与介质的关系： 的关系
a. 同一介质: 不同频率的超声波，传播时期波 长与频率成反比。所以频率越高 的超声波在同一脏器组织中传播 其波长越短。 b. 不同介质: 同一频率、不同介质，其传播声 速不同，波长也不相同。
一、超声的物理基础
3、介质的特性阻抗：介质的特性阻抗等于他的 、
如不发生界面反射就得不到需要诊断的 信息，但反射太强，所剩余的超声能量太强 ，则影响进入第二、第三……层介质中去的 超声能量，得不到所期待的诊断结果。
一、超声的物理基础
5、界面反射是超声波诊断的基础！！！ 、
超声波能量
吸收
反射
热能
散射
其它散射 镜面反射 背面散射
图像信息
一、超声的物理基础
6、几个术语： 、几个术语：
• 生物组织的衰减系数与频率成正比。
一、超声的物理基础
7、超声的物理和化学作用： 、超声的物理和化学作用：
室化作用 --- 是指在液体中产生强超声时 会出现一种类似雾状的气泡 此现象称为超声室化作用。 热作用:
化学作用 --- 氧化还原
超 声 诊 断 物 理 学 依 据
超声通过不同声阻抗的介质，即可在其交界面上产生 反射，B型超声以光点大小辉度亮暗表示，声阻抗相差越大， 则反射越强，声阻抗界面越多，则反射回波多，光点密。人 体各种组织声阻抗皆有所不同，故回声反射亦不同，脏器与 脏器之间，正常组织与病理组织间、不同病理组织、声阻抗 皆有不同程度差异，从而构成多种界面，形成亮暗不等，粗 细不等，疏密不等的多种反射光点，据此构成脏器断面大体 形态及内部结构解剖图，及占位病变形态、大小、部位等图 象。声阻抗一致的介面，在正常灵敏度时，皆无反射或呈致 密一致的反射。
【超声二级取证】第2章超声检测的物理基础
a. 当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两侧的各次反射波、 透射波互不干涉； b. 当超声波脉冲宽度相对于薄层较宽时，薄层两侧的各次反射波、 透射波就会互相叠加产生干涉。 • 超声波通过异质薄层的声压反射率和透射率与介质的声阻抗和 薄层声阻抗，以及薄层厚度同其波长之比d2/λ2有关。
1. 均匀介质中的异质薄层（Z1＝Z2≠Z3） 材料中存在的平面状缺陷，如：裂纹、分层、夹杂等。
﹡ 4. 惠更斯原理： 介质中波动传播到的任一点都可以 看作是发射子波的波源，在其后任意时 刻这些子波的包迹就是新的波阵面。 利用惠更斯原理，可以确定波前的 几何形状和波的传播方向。 ﹡ 5. 波的散射和衍射 • 衍射：波绕过障碍物的边缘向后传播的现象。 • 散射：通常是指声波遇到障碍物后不再向特定方向而是向各个 不同方向发射声波的现象。 波的衍射和障碍物尺寸D f 及波长λ的相对大小关系： D f＜＜λ，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低； D f＞＞λ，波的反射强，绕射弱，声波几乎全反射。 因此，超声检测灵敏度约为λ/2。
（1－4）
1.2 超声波 1.2.1 超声波的定义 引起听觉的机械波频率范围： 20Hz~20kHz 超声波：频率范围大于 20kHz的机械波 1.2.1 超声波的分类 1. 超声波的波型 纵波（疏密波、压缩波） 横波（剪切波） 表面波（瑞利波） 爬波（临界折射纵波） 兰姆波（自由界面板波） 管中导波
（1—21）
T＋R＝1
t － r＝ 1
• 超声波垂直入射到平界面上时，界面两侧介质声阻抗的差异 决定着反射能量和透射能量的比例。 • 差异越大，反射声能越大，透射声能越小。例：钢与空气的 界面、两侧介质的声阻抗非常接近的情况。 • 例：水/钢界面的反射、透射关系： ① 超声波从钢射向水的情况；
超声基础
超声基础第一节超声诊断的物理基础一：超声波定义：超声波是指声波震动频率超过2万赫兹的机械波，既超过人耳听觉频率（20到2万赫兹）的一种声音。
二：超声波的物理特性：1声波：振动在介质中以波的形式进行传播为声波。
声波二要素：声源（振动系统）能够传播波动的介质。
声源：能够发声的物体称声源。
物体振动后产生声波。
介质：能传播声波振动的媒介物，称介质；传播机械振动的介质是弹性介质。
声波必须在介质中传播而不能在真空中传播。
波的传播分为纵波和横波：横波，质点的振动方向与波的传播方向相互垂直；纵波，质点的振动方向与波的传播方向相互平行。
生物组织（血液和软组织）只有纵波能够在其中传播。
骨骼属于固体，形状复杂内会部回声不均匀，具有各向异性传播（横波和纵波），同时骨骼的声阻率和声衰减都比软组织大的多，超声波很难穿透骨骼。
2周期和频率超声波在介质中一次全振动，也就是质点在平衡位置往返摆动一次所需要的时间为超声波的周期。
在1秒中时间内完成全振动的次数称为频率（frequence），单位赫兹。
诊断频率2-10Mhz3.5——5.5Mhz频率用于成人心脏，腹部、妇产成像，穿透深度15——20cm7——10Mhz频率用于小器官成像，穿透深度4——5cm10——40Mhz频率用于皮肤、血管内成像。
3声速:声波在介质中每秒传播的距离c，单位m/s，cm/s4波长:声波在介质中传播时两个相邻的周期质点之间的距离。
波长与频率成反比，频率越高波长越短分辨率越高，为提高超声诊断水平（提高分辨率）通常我们尽可能采用波长短，频率高的超声波（高频探头）。
5声束：超声波与一般的声波不同，超声波频率很高，波长很短，在介质中呈直线传播，具有良好的方向性，束射性，故称超声束。
6反射、折射：超声波在介质中传播入射至声阻抗不同的两种介质的界面上时，则会发生反射和折射。
反射：介质面的线度大于声束波长，声波入射到两个界面上，一部分声波从界面返回在原介质中传播称之为反射。
超声物理基础试题及答案
超声物理基础试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 超声波在介质中的传播速度与介质的密度和弹性模量有关。
以下哪项是正确的？A. 密度越大，速度越快B. 密度越大，速度越慢C. 弹性模量越大，速度越快D. 弹性模量越大，速度越慢答案：C2. 超声波的频率范围通常是指：A. 20 Hz - 20 kHzB. 20 Hz - 20 MHzC. 20 kHz - 20 MHzD. 20 kHz - 20 GHz答案：C3. 超声波在介质中传播时会发生反射、折射和散射，这是由于：A. 超声波的能量损失B. 介质的不均匀性C. 介质的温度变化D. 超声波的频率变化答案：B4. 超声波在液体中的衰减主要与以下哪个因素有关？A. 液体的密度B. 液体的粘度C. 液体的温度D. 液体的表面张力答案：B5. 超声波的聚焦是通过改变哪些参数实现的？A. 发射角度B. 发射频率C. 发射功率D. 发射时间答案：A二、填空题（每题2分，共20分）1. 超声波的波长与频率和传播速度的关系可以用公式_______来表示。
答案：λ = v / f2. 当超声波在两种不同介质的界面上传播时，会发生_______现象。
答案：折射3. 超声波在介质中的传播速度与介质的_______有关。
答案：物理性质4. 超声波的频率越高，其在介质中的衰减_______。
答案：越大5. 超声波的发射和接收通常通过_______来实现。
答案：探头三、简答题（每题10分，共30分）1. 简述超声波在医学诊断中的应用。
答案：超声波在医学诊断中主要用于成像，如B超，通过超声波的反射和散射特性，可以形成内部器官的图像，用于疾病的诊断和监测。
2. 描述超声波在液体中的传播特性。
答案：超声波在液体中传播时，其波速主要取决于液体的密度和弹性模量。
由于液体的粘性，超声波在液体中的传播会伴随着能量的衰减，且衰减程度与液体的粘度成正比。
3. 说明超声波在固体中的传播与液体中传播的主要区别。
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• 凸阵：压电单元排列 成一段圆弧，但圆弧 半径大于相控阵探头， 声像图是介于扇形和 矩形间的一个图形。 属于低频探头，空间 分辨率相对低、穿透 能力高，用于腹部扫 查。
• 面阵探头：三维 容积探头，压电 单元排列成一个 面，能够获取更 多数据而形成三 维影像。常用于 胎儿、心脏。
超声波图像产生过程
声像图（sonogram）。
回声 介质的声 阻抗差
组
织
类
型
极强 极大
气体--实体界面（肺、肠气），不利于超声向深部传输
次强 大
钙质、纤维组织含量多（结石、钙化、疤痕）
高
较大
实质非均质性组织，纤维组织增生(血管瘤、脂肪肝等)
中
较小
实质均质性组织（肝、脾、胰、肾皮质、心肌、甲状腺）
低
很小
无
无
密度更均匀的实质组织（肾锥体、某些肿瘤） 血液、胆汁、尿液、囊液、漏出液
超声是超过正常人耳能听到的声 波，频率在20 000赫兹(Hertz， Hz)以上。超声在介质中以直线 传播,有良好的指向性。这是可 以用超声对人体器官进行探测的 基础。当超声在传播过程中会发 生反射、折射、散射、衰减等。 反射回来的超声为回声(Echo)。
人耳能听到的声波：20-20000Hz 超声波的频率：＞20000Hz
医学超声基础
超声科
Sound Navigation and Ranging SONAR 声纳
声呐技术至今已有100年历史， 它是1906年由英国海军的刘易 斯·尼克森所发明，SONAR是利 用水中声波对水下目标进行探测、
定位和通信的电子设备.
医用超声发展史
超声诊断始于20世纪40年代，50 年代初期应用于临床，70年代超声 快速成像技术得以应用，80年代声 学多普勒效应用于超声诊断，90年 代三维超声和介入超声得以实现。 目前，组织谐波超声造影、3D/4D 超声成像使得医学超声进入一个全 新时代。
声波产生 的条件
声源
能传播振 动的介质
介质内各质点 振动方向和波 的传播方向相 互垂直，这种 波称为横波。
介质内各质点
振动方向和波 的传播方向相 互平行，这种 波称为纵波。 超声波在人体 软组织中主要 传播的是纵波。
三个基本 物理量
频率（f） 波长（λ） 声速（C）
C=λ f
• λ是超声波的特征尺度。波长与频率呈反比， f越大，λ越小，超声波的空间分辨率越好 （影像上能够识别的两个相邻物体最小距 离的能力）。
• 散射：在超声波传播过程中，遇到障碍物 的尺寸小于λ时，该物体吸收超声波能量后 向四周辐射声波。红细胞的直径远远小于
λ ，是超声波散射的主要源泉，多普勒超声 主要接收来自红细胞的背向散射。
超声波在介质中传播，质点振动的 振幅随传播距离增大而减小，这种 现象称为声衰减。声衰减主要是因 为介质对声波的吸收、散射、声束
扩散等。
人体是一个复杂的介质，各种器官与组 织以及在病理状态下都具有特定的声阻 抗和衰减特性。因而构成声阻抗上的差 别和衰减上的差异。超声波射入体内， 由表面到深部，将经过不同声阻抗和不 同衰减特性的器官与组织，从而产生不 同的反射、散射、衰减。将接收到的回 声，根据回声强弱，用明暗不同的光点 （灰阶）依次显示在显示器上，则可显 出人体的断面超声图像，医学上称之为
超声探头类型
• 凸阵 • 相控阵 • 线阵
• 线阵：许多压电单元 等间隔地排列成一条
直线，声像图呈矩形。 属于高频探头，用于 浅表软组织、血管， 空间分辨率高、穿透 能力相对低，许多术 中探头、腔镜探头都 采用线阵。
• 相控阵（由信号的相 位控制声束方向）： 压电单元排列成一段 向外凸出的圆弧，声 像图呈扇形。长度一 般20-30mm，适于肋 间扫查心脏。
超声波 传播特性
反射
折射
衍射
散射
当超声波从一种介质
传播到另外一种介质 时，由于声阻抗Z不同， 两种介质间形成一个 声学界面。若该界面 尺寸大于λ，则一部分 超声波发生反射，一 部分发生折射。两种 介质的声阻抗差越大 反射就越强。
• 衍射（绕射）：在超声波传播过程中，遇 到障碍物的尺寸与1-2倍λ相接近时，声波 可绕过这一障碍物边缘向前传播。
常用超声波的频率：2～12MHz 3～5MHz低频，≥7.5MHz高频
• 物体在一定的位置附近作来回往复运动称 为机械振动。机械振动在介质中传播形成 机械波。波是振动在介质中传播的过程。
• 声波是机械波的一种。当声源振动时，由 于介质质点之间的相互作用力，能够由近 及远得使介质质点陆续发生振动。由此振 动就以一定速度向各个方向传播出去形成 声波。波动只是振动状态的传播，介质质 点并不随波前进。
空间分辨力
• 轴向分辨力 Axial resolution • 侧向分辨力 Lateral resolution • 横向分辨力 Elevation or transverse resoulution
人体内各组织声速C不同： 固体＞液体、软组织＞气体
人体软组织声速约为1540m/s
Z = ρ×C ρ--- 介质密度 Z --- 声阻抗 Z反映了介质的性质。
• 应用于浅表软组织的高频超声，其波长短， 空间分辨率好，图像清晰。但是穿透力弱， 不适于检查深部组织（低频超声）。
3MHz vs 5MHz探头
前者的空间分辨力（轴向+侧向）均低于后者
分辨力
• 衡量探头的一个重要指标是分辨力，包括 空间分辨力、密度分辨力、时间分辨力。
• 假设人体内有两个目标，当它们之间的距 离比较大时仪器能够区分开两者，若两者 间的距离很小时超声仪器就会将其视为一 个目标。仪器能够区分的这个最小距离称 为空间分辨力，其与声束的方向有关，又 分为横向、纵向和侧向分辨力。
超声波的发射和接收都是通过超声 探头完成，核心部件为压电晶体
压电效应
正
逆
压电效应 压电效应
压电效应
• 正压电效应：某些材料在外部压力或拉力 作用下引起材料内部正负电荷中心位移， 在材料表面上出现正负电荷。此时机械能 转换为电能，超声波的接收就是根据这一 原理
• 逆压电效应：在压电晶体表面加上电压引 起材料内部正负电荷中心位移而产生应力， 最终导致材料形变。此时电能转换为机械 能，超声波的发射依据此原理。