超声基础知识

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（velocity of sound,sound velocity）: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0－120 dB。

（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5 MHz，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（beam axis）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：（beam width）指声束横断面的直径。