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超声设备的组成及工作原理一、引言超声设备是一种利用超声波进行成像和测量的仪器。
它在医疗、工业、科研等领域都有广泛的应用。
本文将介绍超声设备的组成和工作原理。
二、超声设备的组成1. 超声发生器：超声发生器是超声设备的核心部件，它能产生高频的超声波信号。
超声发生器由振荡电路和放大电路组成，能够将电能转化为超声能。
2. 超声传感器：超声传感器是用于发射和接收超声波的装置。
它由压电材料制成，能够将电信号转化为超声波信号，并将接收到的超声波信号转化为电信号。
超声传感器通常由发射元件和接收元件组成。
3. 信号处理器：信号处理器用于对接收到的超声波信号进行处理和分析。
它能够将模拟信号转化为数字信号，并对信号进行滤波、放大、增强等处理，以提高图像的质量和分辨率。
4. 显示器：显示器用于显示超声设备产生的图像。
它可以是液晶显示器或者CRT显示器，能够将数字信号转化为可视化的图像。
5. 控制系统：控制系统用于对超声设备的各个组件进行控制和调节。
它包括硬件控制和软件控制，能够实现超声设备的各种功能和操作。
三、超声设备的工作原理超声设备的工作原理是利用超声波在介质中的传播和反射特性进行成像和测量。
其基本原理可以概括为以下几个步骤：1. 发射超声波：超声设备通过超声传感器发射高频的超声波信号。
超声波在介质中的传播速度受到介质的密度、弹性系数和声速等因素的影响。
2. 超声波的传播和反射：发射的超声波信号在介质中传播，并与介质中的不同界面发生反射。
当超声波遇到不同密度或组织结构的界面时，部分能量会被反射回来，形成回波信号。
3. 接收回波信号：超声传感器接收到反射回来的超声波信号，并将其转化为电信号。
接收到的回波信号的强度和时间信息可以反映介质中不同界面的特征。
4. 信号处理和成像：接收到的回波信号经过信号处理器进行滤波、放大、增强等处理，然后通过显示器显示成像。
信号处理的目的是提高图像的质量和分辨率，使医生或研究人员能够更清晰地观察到介质中的结构和异常情况。
超声诊断系统原理结构与故障维修概述B型超声诊断系统是声学、电子技术、计算机技术和医疗生物科学相结合的产物,超声诊断在现代医学中占有十分重要的地位。
超声诊断是一种无损伤、无辐射的影像诊断方法。
B型超声成像、放射性同位素、X-CT、以及核磁共振成像一起构成现代医学四大影像技术。
多普勒超声系统更是心脏病和心血管疾病诊断的必不可少的手段。
我院从1978年引进B超设备至今,曾购入、使用过多家厂商生产的,多种型号的B型超声诊断仪。
B超是医院的常用设备,使用频率高,故障较多。
由于其机器系统结构复杂,型号较杂,特别是有些设备没有维修说明书,给维修工作带来了很大的困难。
但是,尽管仪器型号各异,厂家不同,B型超声系统的基本工作原理却是相通的。
结构也是类拟的。
所以熟悉掌握B超诊断系统的基本原理,以机器自检系统提供的信息为线索,详细分析仪器的结构和功能,快速准确地找出故障点,在尽可能短的时间内修复机器是可以做到的。
1B超诊断系统的原理与仪器结构B型超声诊断系统按其结构分:主要由探头、发射、接收电路、模拟信号处理电路、键盘控制电路、数字扫描变换器、图像显示电路以及电源电路等几个部分组成。
探头按其扫描方式的不同,可分为线阵扫描探头和相控阵扫描(扇扫)探头两种。
线阵扫描的基本原理是:由若干个振子按线阵排列,组成线阵排列换能器,由电子开关控制,使之分时组合,轮流工作,从探头一侧向另一侧顺序激励,产生合成波束的发射与接收。
相控阵扫描的基本原理是:对线阵排列的各振元,不同时给予激励,加于各振元的激励脉冲有一个等值的时间差,从而使合成波束的方向与振元排列平面的法线方向有一相位差,均匀改变时间差,相位差也随之均匀改变,通过时间控制,实现超声波束的相控阵扫描,即扇形扫描。
B型超声诊断仪采用辉度调制方式显示深度方向所有界面的反射回波。
在水平方向上以快速扫描的方法,逐次发射和接收超声回波,便可得到垂直平面二维超声断层图像,即线扫断层图像。
如以改变超声波束的角度方式快速扫描,则得到垂直扇面二维超声断层图像,即扇扫断层图像。
超声机原理
超声波是一种机械波，它的频率超过人类能听到的范围。
超声机利用了超声波的特性进行成像和测量，其原理基于声波在不同介质中传播的特点。
超声机的工作原理是将电能转换为声能，然后通过对样品的扫描和接收返回的声波信号来获取图像或测量数据。
超声机通常由发射器、接收器、控制电路和显示屏等部件组成。
在工作时，发射器会发出一连串的超声脉冲，这些脉冲被传输到需要检测的物体或样品中。
当超声波遇到不同的界面或材料时，一部分声能会被反射回来，这些回波被接收器捕捉并转化为电能。
接收器将捕捉到的电信号放大并处理后传送给控制电路。
控制电路会根据接收到的信号进行计算和分析，然后将结果传送到显示屏上以生成图像或测量数据。
通常，超声机会通过扫描技术将声波沿多个方向或角度传播，以获取更全面的信息。
超声机的成像原理是基于声波在不同介质中的传播速度不同。
当声波通过一个物体或组织时，会遇到不同的声阻抗（声速和密度的乘积）。
这些不同的声阻抗会导致一部分声能发生反射、折射和散射。
通过测量这些声能的变化，超声机可以生成物体内部的图像。
总之，超声机利用超声波的特性进行成像和测量。
它通过发射
和接收声波信号，并根据信号的特征进行处理和分析，从而实现对物体结构和性质的探测。
超声波探测器原理图
超声波探测器是一种利用超声波技术进行距离测量的设备。
它的原理是利用超声波在空气或其他介质中的传播速度相对较快的特性，通过发射和接收超声波来测量被测物体与探头之间的距离。
探测器通常由发射器、接收器、计时电路和显示屏等组成。
发射器会产生一束超声波，并将其发送到被测物体上。
当超声波遇到物体表面时，一部分能量被反射回来，接收器会接收到这部分超声波，并将其转化为电信号。
计时电路会测量超声波从发射到接收所经历的时间，并根据声波传播速度和距离公式计算出被测物体与探头之间的距离。
最后，测量结果会在显示屏上以数字或图形的形式展示出来。
超声波探测器广泛应用于工业领域的非接触式测量，例如检测物体的位置、厚度、宽度等。
此外，它还可以用于医学领域的医学超声检测，如妇产科、心脏病学等。
超声波探测器具有测量精度高、测量范围广、响应迅速等优点，因此在许多领域得到广泛应用。
第一章医学超声成像的声学基础超声波物理是超声诊断设备的工作理论基础，也是超声换能器的理论根据，本章主要介绍超声波物理的基本概念和相关声学的物理基础，简要介绍超声波的物理特性。
第一节波动学基础一、波动波动是振动的传播过程，是物质普遍的一种运动形式，激发波动的振动系统称为波源，自然界中波的存动根据其性质基本上分为两大类: 电磁波和机械波，二者虽然本质上不同，但是都具有波动的共同特征，都具有一定的传播速度，都伴随能量的传播，并且都能产生反射、折射、绕射和衍射等现象。
1．电磁波电磁波是由电场和磁场的变化所表征的波，即交变电磁场在空间的传播过程。
正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波。
电磁波是电磁场的一种运动形态，电生磁，磁生电，变化的电场和磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，所以电磁波也常称为电波。
1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论，他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度，1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。
之后人们又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。
按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。
如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线等。
电磁波给人类社会带来了深刻而又巨大的变化，由此开辟了电子技术的新时代。
2．机械波机械波是机械振动在介质中的传播，形成机械波要有机械振动做为波源，还要有传播机械波的介质，机械波是通过介质将振动的形式和能量传播出去，波源和介质是形成机械波的必要条件。
机械波传播的是波源的运动形式和波源提供的能量，介质中的各个质点并没有随波迁移。
从局部看，介质中的各个质点都在各自的平衡位置附近振动，从整体看，介质中距波源较近的质点先振动，并且带动距波源较远的质点随之振动，向外传播波源的运动形式和波源提供的能量。
介质中的各质点都做受迫振动，所以介质中各质点振动的周期和频率都与波源的振动周期和频率相同，这个周期和频率就叫做机械波的周期和频率，波的传播是需要时间的，在波传播过程中，介质中各个质点振动的周期和频率是相同的，但它们振动的步调不同，在波传播方向上后面的质点总是追随前面质点的振动，其步调总比前面质点滞后一些。
机械波分横波（transverse wave）和纵波(longitudinal wave)两种，介质中各质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波叫纵波,如图1-1所示，从图中可知纵波媒质的变化是密度的变化，而波本身则以交替疏密形式变化，由于纵波系媒质容变弹性或长变弹性所引起，固体、液体和气体都可以传播。
介质中各质点振动方向与波的传播方向垂直的波叫横波，如图1-2所示，横波只能在具有剪切弹性的固体中传播。
图1-1 纵波传播示意图图1-2 横波传播示意图横波传播方向发生剪切形变因此又称为切变波(sheare wave)。
横波虽然使媒质发生形变，但没有体积的变化，一般液体和气体均无切变弹性（剪切模量为零），横波不能在这些媒质中传播。
但横波可在液体表面传播,其性质比较复杂,质点系沿封闭的圆形或椭圆形轨道振动。
波的振态是由媒质的弹性所决定，固体媒质具有两种弹性（切变和体变），所以固体中可传播纵波，横波及其它复杂的弹性波。
从运动学的角度来看，根据运动迭加原理，单纯的纵波和横波是两种最简单的波, 各种复杂的波都可以分解成为纵波和横波来进行研究。
3．表面波(surface wave)沿媒质表面传播的波称表面波，表面波的能量集中在媒质自由表面层或在两种媒质的分界面附近振动，表面波质点振动的轨迹一般呈椭圆形, 其波长通常甚短，传播表面波的媒质表面厚度至少数倍于波长，传播表面波时，其质点的振动介于纵波和横波之间，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向，质点位移的振幅随离开表面的深度按指数迅速衰减。
表面波只在固体中传播，前者亦称瑞利法(Rayleigh wave)，如图1-3为表面波的振动示意图。
图1-3 表面波的振动示意图表面波主要用于超声工业探伤，在超声诊断技术中，到目前未发现横波和表面波的应用价值，在人体组织内是否能产生横波也无定论。
如果按波在传播时弹性媒质质点的振动状态，可分为三种波型：平面波、球面波和柱面波。
下面介绍波动过程中常用的几个概念。
波阵面（wave front）：波源在弹性媒质中振动时，振动将向各个方向传播，在某一时刻波动传播到媒质各点，以同相位振动（即位移的大小和方向以及运动方向都相同）的质点所联成的轨迹曲面称为波阵面或波前。
显然同一波阵面上各点的阵动周期是相同的。
波线(wave ray)：在各向同性的媒质中，波的传播方向与波阵面垂直的线称为波线。
（1）平面波（plane wave）：波阵面为一平行平面的波称平面波，任意时刻波到达各点的轨迹是一个平面，当波源线度远大于其波长时，其波阵面可被认为是一个平面。
平面波传播时，波束不发生扩散，但由于媒质对波的衰减作用，其振幅随传播距离逐渐变小，实际上理想的平面波是不存在的，如图1-4所示。
图1-4 平面波的波阵面（３）球面波（spherical wave）：波阵面为同心球面的波称为球面波, 后者在各向同性媒质中，球面波的波射线是以波源为中心, 其能量向四面八方均匀传播, 没有方向性, 形成一点波源, 实际上理想的点波源是不存在的。
球面波的振幅与波源、距离的平方成反比，在讨论惠更斯原理时详细论述，如图1-5所示。
图1-5 球面波的波阵面（3）柱面波(cylindrical wave)：波阵面为同轴柱面的波称为柱面波。
如果波源是置于各向同性无衰减元限媒质中的一个很长的半径圆柱体, 当它作径向振动时, 在媒质中就形成柱面波。
二、波动的物理量1．波长（wavelength）波动传播时，同一波线上两个相邻的周期差为2π的质点之间的距离，即一个完整的波的长度，称为波长，用符号λ表示。
2．波的传播速度(wave rate)波在弹性媒质中传播时, 单位时间内波所传播的距离称为波的传播速度(简称波速)。
波速与质点振动速度不同,后者是媒质质点在平衡，用符号C表示。
根据波动理论，波速决定于媒质的弹性模量和密度。
在同一媒质中，波速还随其波型而异，而且也和物体形状有关。
此外，在晶体中，波速还与晶体中传播方向有关，在各向同性的均匀媒质中波速是一个恒量，一般不依频率而变。
在非均匀媒质中，各部分媒质的波速不同，在各向异性媒质中，沿备个方向传播的波速亦不同。
波在固体中的传播速度C L：ραρE L C ==1波在液体和气体中的传播速度C ： ρB C =式中：α —— 媒质的弹性系数，一般α=1/E ；ρ —— 媒质的平均密度；E —— 媒质的扬民弹性模量；B —— 容变弹性模量,在绝热过程中,B=rp γ —— 气体定压比热与定容比热的比值；P —— 气体内部的常压力。
从上式可知 在弹性媒质中,波速与弹性模量的平方根成正比,而与媒质密度的平方根成反比。
3．周期（cycle ）和频率（frequency ）波传过一个波长的时间，或一个完成的波通过波线上某点所需的时间，叫做波的周期，用符号T 表示。
在单位时间内，媒质质点完成一个全振动的次数称频率，即频率是周期的倒数， 用符号v 表示，基本单位是赫兹（Hz ），用符号v 表示。
根据上述定义可知，波长λ、波速C 和周期T 间的关系是：T C λ= 或 υλ=C其间关系表示波传播规律的一个基本公式，在机械波中，波的周期和频率由根源的周期和频率决定，在波传播过程中是不变的，波速是由介质的性质决定的，不同介质波速不同。
波从一种介质进入另一种介质时，周期和频率不变，波长与波在介质中的波速成正比。
4．振幅（amplitude ）从谐振动概念中得知，振动过程中振动的物理量偏离平衡位置的最大值称为振幅，亦有称幅值或幅度。
5．波动的能量当波动传播时,波源的振动通过弹性媒质传播出去,使媒质中原来不动的质点产生振动，因而具有动能,同时媒质因形变而具有势能。
在波动传播过程中，媒质由近及远在一层接一层在振动，即每个质点是相对于自己的平衡位置作振动，由此可见，能量是逐层传播出去并伴随着能量的转移，这是波动的一个重要特征。
一个作谐振动的质点具有最大速度ν，其动能E 为：221mv E =式中：m —— 媒质质点的质量；ν —— 媒质质点的最大振动速度，当质点离平衡位置的最大位移的振幅为A 时，振动速度的最大值为A T A ωπυ==/2由于每单位体积内的总质量等于媒质的密度（m=ρV ）,因此,相应于单位体积中所有质点的功能E 又可写成：221Vv E ρ= 由于振动速度ν为：)sin(c x t A dt dx --==ωυ； 因而动能：)(sin 21222cx t A E -=ωωρ 其势能：)(sin 21222cx t VA E p -=ωωρ 总能量为动能与势能之和即：)(sin 222c x t VA E E E p -=+=∆ωωρ从上诸式看出，波动的能量和谐振动能量不同，在单一的谐振动系统中,动能和势能互相转换,两者有π/2的相位差,即动能达到最大时,势能为零, 势能达到最大时,动能为零,其振动系统并不传播能量,总机械能守恒,在波动传播过程中,动能和势能的相位相同,即两者同时达到最大值,同时为零,总能量随时间作周期性的变化,在零与最大值之间循环地变化着,随着振动在媒质中的传播,不断地吸收和放出能量，从媒质的一部分传播到另一部分，这说明波动过程能传递能量。
6．波的能量密度媒质中单位体积中的波动能量称为波的能量密度ω，即：)(sin 222c x t A -=ωωρω波的能量密度是随时间变化的，通常是取其在一个周期内的平均值，因为正弦的平方在一个周期内的平均值为1/2，所以其平均能量密度为：2221ωρωA = 上式说明，波的能量密度和振幅的平方，频率的平方以及媒质密度都成正比。
7．波的功率单位时间内垂直通过媒质某一面积的能量称为通过该面积的能流，或称波的功率。
设在媒质中取面积S ，垂直于波速C, 则在一个周期T 内通过面积S 的能量等于体积 CTS 中的能量，这能量是周期性变化的，通常取其平均值，如图1-6所示，即得平均能流为：CS P ω=通过垂直于波动传播方向的单位面积的平均能流， 称为能流密度或波的强度， 用Ｉ表示，即：2221ωρωcA c I ==图１-６ 体积CTS 内的能量在时间T 内通过S 面８．波的压强纵波在弹性媒质内传播过程中，媒质质点的压强是随时间变化的，媒质质点的密度时疏时密，从而使平衡区的压力时弱时强，结果导致有波动时压强(Pw)与无波动时静压强(Po)之间有一定额压强差（(Pw －Po), 或者说单位面积上所受的压强增量称波的压强。
