超声物理基础

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。

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。

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。