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：
