超声物理基础分解

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。

第一章 超声波探伤的物理基础第八节 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，其声能量逐渐减弱的现象叫做超声波的衰减。

在均匀介质中，超声波的衰减与传播距离之间有一定的比例关系，而不均匀介质散射引来的衰减情况就比较复杂。

一、产生衰减的原因凡影响介质质点振动的因素均能引起衰减。

从理论上讲，产生衰减的原因主要有以下三个方面：1. 由声束扩散引起的衰减超声波传播时，随着传播距离的增大，非平面波声束不断扩散，声束截面增大，因此，单位面积上的声能(或声压)大为下降，这种扩散衰减与传播波形和传播距离有关，而与传播介质无关。

对于球面波，声强与传播距离的平方成反比，即2X 1I α，声压与传播距离成反比，即X1P α。

对于柱面波，声强与传播距离成反比，声压与传播距离的平方根成反比，即X 1P α。

对于平面波，声强，声压不随传播距离的变化而变化，不存在扩散衰减。

当波形确定后，扩散衰减只与超声波传播距离(声程)有关。

扩散衰减是造成不同声程上相同形状和尺寸反射体回波高度不等的原因之一，这在声压方程中已经解决。

2. 由散射引起的衰减超声波传播过程中遇到不同声阻抗的介质所组成的界面时，会产生散乱反射，声能分散，造成散射衰减。

固体中尤以多晶体金属的非均匀性(如杂质、粗晶、内应力、第二相等)引起的散射衰减最为明显。

多晶体晶界会引起超声波的反射和折射，甚至伴有波型转换，这种散射也可称作瑞利散射。

散射衰减随超声波频率的增高而增大，且横波引起的衰减大于纵波。

3. 由吸收引起的衰减质点离开自己的平衡位置产生振动时，必须克服介质质点间的粘滞力(和内摩擦力)而做功，从而造成声能损耗，这部分损耗的声能也将转换成热能。

在超声波传播过程中，这种由于介质的粘滞吸收而将声能转换成热能，从而使声能减少的现象称为粘滞吸收衰减。

在超声波探伤中它并不占主要地位。

二、衰减规律和衰减系数超声波在不同介质中的衰减情况常用衰减系数加以定量表示。

超声波传播过程中的衰减规律与其波形有关。

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。

超声基础知识入门_超声基础知识总结超声基础知识入门_超声基础知识总结超声基础知识总结物理基础基本概念――人耳听觉范围：20-20000HZ 超纵声波频率＞20000HZ――纵波（疏密波）：粒子运动平行于波传播轴；诊断最常用超声频率：2-10MHZ 基本物理量：频率（f）、波长（λ）、声速（c）；三者关系：λ＝c／f 人体软组织的声速平均为1540m/s，与水的声速相近；骨骼的声速最高，相当于软组织平均声速的2倍以上。

超声场：发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间；简称声场，又称声束。

声束的影响因素：探头的形状、大小；阵元数及其排列；工作频率（超声的波长）；有无聚焦及聚焦的方式；吸收衰减；反射、折射和散射等。

声束由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成。

超声的成像主要依靠探头发射高度指向性的主瓣并接收回声；旁瓣的反向总有偏差，容易产生伪像。

声场可分为近场和远场两部分（1）近场声束集中，呈圆柱状；直径――探头直径（较粗）；（横断面声能分布不均匀）长度――超声频率和探头半径。

公式：L＝（2r·f）／c L为近场长度， r为振动源半径， f为频率，c为声速（2）远场声束扩散，呈喇叭状；声束扩散角越小，指向性越好。

（横断面声能分布较均匀）声束两侧扩散的角度为扩散角（2θ）；半扩散角（θ）。

超声波指向性优劣指标是近场长度和扩散角。

影像因素：增加超声频率；――近场变断、扩散角变小；增加探头孔径（直径）――但横向分辨率下降。

采用聚焦技术――方法：固定式声透镜聚焦；电子相控阵聚焦；声束聚焦：采用声束聚焦技术，可改善图像的横向和（或）侧向分辨力。

固定式声透镜聚焦――将声透镜贴附在探头表面。

常用于线阵探头、凸阵探头；可提高横向分辨力，但远场仍散焦。

电子相控阵聚焦――（1）利用延迟发射是声束偏转，实现发射聚焦或多点聚焦；可提高侧向分辨力；常用于线阵探头、凸阵探头；（2）动态聚焦：在长轴方向上全程接收聚焦。

（3）利用环阵探头进行环阵相控聚焦；可改善横向、侧向分辨力；（4）其他聚焦技术：如二维多阵元探头。