超声检测物理基础第二章4

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。

第二章超声波声场的特性2.1 波源辐射声场超声检测或超声相控阵成像检测设备都是工作于主动检测方式。

即由作为生源的超声换能器或阵列超声换能器向被检测物体内发射超声波，然后由接收换能器或阵列换能器接收载有被检测物体内缺陷或组织信息的超声回波信号，再通过信息提取与处理，实现对被检测物体内部缺陷或结构的评估与成像。

2.1.1 波动方程物理声学中的波动方程是研究超声（或阵列）换能器的声场特性最基本的原理和方程。

若被超声检测的物体为金属材质，大部分区域被认为各点的声速和密度是一致的，被认为是均匀体，只是对于缺陷或组织不均匀区域则是不一致的；若被检测物体为生物体，物体内各点的声速与密度存在起伏，并非均匀一致。

本书只讨论在工程应用的超声相控阵成像检测技术，因此仅讨论在均匀介质中的声场。

在声速与密度非均匀的介质中，声波传播过程用非均匀介质中声波方程来加以描述。

非均匀介质中波动方程为（式2-1）式中，P是声强，是介质密度，c是声波的速度，▽是梯度算子。

假设声速和密度较之平均声速和平均密度有微小偏移，即其中<<，<<，那么，式（2-1）可以表示为（式2-2）式（2-2）等号右边两项称为散射项，有时也称为有源项。

就是说，当介质密度及声速非均匀时，则介质中有等效生源分布；但是，当介质均匀时，介质中没有等效声源分布，右边两项为0。

因此，可以得到理想流体介质中的波动方程（式2-3）上面三个公式是研究相控阵超声成像的理论基础，通常由式（2-3）触发来求解换能器或阵列换能器的辐射声场分布，而式（2-2）常用于描述非均匀介质中的散射场问题。

2.1.2 基于空间冲激响应的脉冲场模型在无损检测领域中，多采用脉冲，所用的换能器或换能阵通常也是宽带的，因此以下内容将对换能器或阵的脉冲声场进行讨论。

图2-1 单源换能器及其所在坐标系统如图2-1所示，假设一个任意形状的换能器嵌在无限大的刚性障板上，置于均匀介质中，那么该换能器的辐射声场可以通过求解均匀介质中的波动方程（2-3）来求得。

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。