16 第七章 第三节 超声的反射和透射
超声波诊断
医学影像成像原理
超声的反射和透射
reflection and transmission
一、超声波
超声波(ultrosound ，US)
高频机械波
20000Hz ～1015Hz 20Hz ～20000Hz 诊断超声
人耳听阈
1MHz(106Hz)～40MHz
定义为声压与声振动速度之比：声阻抗：c Z ⋅=ρ（瑞利）
表征介质声学特性的一个物理量。
人体不同组织的声阻抗
血液 1.055 1570 1.656脂肪0.955 1476 1.410 软组织（平均值） 1.016 1500 1.542肌肉（平均值） 1.074 1568 1.684肝 1.050 1570 1.648 空气（22℃）0.00118 334.8 0.000407颅骨 1.658 3860 5.571介质名称密度（103kg ⋅m -3）速度（m ⋅s -1）声阻抗(106N ⋅s ⋅m -3)
根据声阻抗，人体组织分成三大类：
中等声阻抗的液体和软组织
高声阻抗的矿物组织，如骨骼
低声阻抗的气体或充气组织
三、超声的反射（reflection ）Z 1反射声强与入射声强之比。
221212P )()Z -(Z Z Z r +=当声波垂直入射时，得：
声压反射系数r P ：
超声波在两种介质分界面上改变传播方向又返回原来介质中的现象。
Z 2
四、透射（transmission ）透射声强与入射声强之比。
22112P )(4Z Z Z Z t +=当声波垂直入射时，得：
声强透射系数t P :
超声入射到两种介质的界面上时，有部分能量穿过介质进入下一介质中的现象。
Z 1Z 2
透射系数当Z 1≈Z 2时，得：
r P →0，t P ≈ 1 超声全部透射。
22112P )(4Z Z Z Z t +=221212P )()Z -(Z Z Z r +=反射系数
讨论：
（1）Z 1
Z 2
讨论：（2）Z 1Z 2当Z 1>>Z 2 或Z 2>> Z 1时，得：
r P →1，t P →0，超声强烈反射无透射。
超声从空气难以进入人体表面皮肤。
例如：空气-皮肤交界面：r P =0.9989
透射系数反射系数
22112P )
(4Z Z Z Z t +=221212P )()Z -(Z Z Z r +=
六、耦合剂（coupling gel）
空气-皮肤声阻抗相差很大，超声波难以进入人体。
涂抹耦合剂，消除空气隙，超声尽可能多的进入人体。
小结
使超声尽可能多透射入皮肤。
根据声阻抗，人体组织分为三类：
低声阻组织、中等声阻组织、高声阻组织。
全反射条件：
全透射条件： 耦合剂作用：
Z 1≈Z 2
Z 1>>Z 2 或Z 2>> Z 1，
思考题
1.超声能检查肺部吗？为什么？
2.超声能检查头部吗？为什么？
参考书目
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超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义
超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义摘要：本文主要讲述了超声的反射、折射、衍射、散射以及超声场在超声的医学诊断中的重要意义。
关键字：超声医学，反射，折射，衍射，散射，超声场Abstract:This paper describes ultrasonic reflection, refraction, diffraction, scattering, and ultrasonic field of medical ultrasonic diagnosis significance. Keyword:UltrasoundMedicine,reflection,refraction,diffraction,scattering,ultrasoni c field正文：一、反射与折射发生的先决条件:①介质的声阻抗在界面处发生突变②界面的线度远大于声波波长及声束的直径原理：当声波从一种介质向另一种传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质。
另一部分能量，穿过界面进入第二种介质，继续向前传播。
如遇两声速不同的介质时可引起传播方向的改变，即为折射。
超声波的折射与反射示意图△Z＞0.1%即可产生反射。
声阻抗差越大，反射越强。
如果界面的尽寸大于声束的直径为大界面，这时其反射规律遵循几何学的反射定律，即；反射角（β）等于入射角（α）。
显然，当超声的入射角大于0°时，由于反射角等于入射角，反射的声束就不能被一探头全部接收。
当入射角接近0°时，反射的声束就可全部为同一探头所接收，所以，在超声诊断中，应注意手法，不断地转动或侧动探头，使入射声束方向与被探测脏器的表面垂直，以期得到尽可能多的回声。
二、衍射与散射原理：超声波在介质内传播过程中，如果所遇到的物体界面或障碍物的线度与超声波长相近时，超声可以绕过障碍物的边缘，此时反射回波很少，这种现象叫衍射。
超声波探伤的物理基础——(第三节超声平面波在大平界面上垂直入射的行为)
第一章 超声波探伤的物理基础第三节 超声平面波在大平界面上垂直入射的行为超声波在异质界面上的反射、透射和折射规律是超声波探伤的重要物理基础。
当超声波垂直入射于平面界面时，主要考虑超声波能量经界面反射和透射后的重新分配和声压的变化，此时的分配和变化主要决定于界面两边介质的声阻抗。
一、超声波在单一的平面界面的反射和透射(1) 反射、透射规律的声压声强表示当平面超声波垂直入射于两种声阻抗不同的介质的大平界面上时，反射波以与入射波方向相反的路径返回，且有部分超声波透过界面射入第二介质，见图1–17所示。
平面界面上入射声强为I ，声压为P ；反射声强为I a ，声压为P a ；透射声强为I t ，声压为P t 。
若声束入射一侧介质的声阻抗为Z 1，透射一侧介质声阻抗为Z 2，根据界面上声压连续和振速连续的原则，并令21Z Z m =(称声阻抗比)，就可得到：声压反射系数m1m1Z Z Z Z P P 2112a P +-=+-==γ (1–21a) 声压透射系数m12Z Z Z 2P P 212t P +=+==τ (1–21b) 若把声压看作是单位面积上受的力，那么作用于同一平面的力应符合力的平衡原理，因此，声压变化就可写作t P Pa P =+，等式两边除以P ，得PP P Pa 1t =+即P P 1τ=γ+ (1–22)若把Ia/I 和It/I 分别定义为声强反射率(R)和声强透射率(D)，就可得到：声强反射率22a 1212a P P Z 2P Z 2P I Ia R === (1–23)声强透射率II D t=(1–24) 声强是一种单位能量，作用于同一界面的声强，应满足能量守恒定律，所以声强变化可写作I = Ia+It ，等式两边除以I ，得到图1–17 平面波在大平面上的反射和透射1D R I I I Ia I I t =++= (1–25) 从式(1–23)可知2221122P m 1m 1Z Z Z Z R ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=γ= (1–26) 从式(1–22)和(1–25)可知2221212P )m 1(m4)Z Z (Z Z 41D +=+⋅=γ-= (1–27)(2) 声压往复透过率实际探伤中的探头常兼作发射和接收声波用，并认为透射至工件底面的声压在钢/空气界面上被完全反射后，再次透过界面后被探头所接收，因此，探头接收到的返回声压t P '与入射声压之比，即为声压往复透过率Tp 。
超声检测直射波的原理
超声检测直射波的原理
超声检测直射波的原理是利用超声波在介质中的传播特性进行检测。
当超声波以一定的角度射向介质的表面时，会发生反射、折射和透射三种现象。
首先，超声波在介质表面上发生反射，其中一部分能量以直角反射回来。
这部分反射波被接收器接收，并通过信号处理系统进行分析和处理。
反射波的特征包含了介质表面的信息，比如缺陷和界面。
其次，超声波透过介质表面后发生折射，其传播方向会改变。
由于介质的折射率与入射角度的关系已知，可以通过测量折射后的波的传播方向来计算介质的折射率，从而了解介质的性质。
最后，超声波在通过介质后，一部分能量透射到另一侧的介质中。
如果介质中存在缺陷或界面，部分能量会被散射、衰减或反射回来。
这些反射和散射的波可以通过接收器接收到，并分析其特征来检测和评估材料中的缺陷、异物或界面的状态。
综上所述，超声检测直射波的原理是通过测量和分析超声波在介质中反射、折射和透射的特性来检测和评估材料中的缺陷和界面状态。
超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义
超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义摘要：本文主要讲述了超声的反射、折射、衍射、散射以及超声场在超声的医学诊断中的重要意义。
关键字：超声医学，反射，折射，衍射，散射，超声场Abstract:This paper describes ultrasonic reflection, refraction, diffraction, scattering, and ultrasonic field of medical ultrasonic diagnosis significance. Keyword:UltrasoundMedicine,reflection,refraction,diffraction,scattering,ultrasonic field正文：一、反射与折射发生的先决条件:①介质的声阻抗在界面处发生突变②界面的线度远大于声波波长及声束的直径原理：当声波从一种介质向另一种传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质。
另一部分能量，穿过界面进入第二种介质，继续向前传播。
如遇两声速不同的介质时可引起传播方向的改变，即为折射。
超声波的折射与反射示意图△Z＞0.1%即可产生反射。
声阻抗差越大，反射越强。
如果界面的尽寸大于声束的直径为大界面，这时其反射规律遵循几何学的反射定律，即；反射角（β）等于入射角（α）。
显然，当超声的入射角大于0°时，由于反射角等于入射角，反射的声束就不能被一探头全部接收。
当入射角接近0°时，反射的声束就可全部为同一探头所接收，所以，在超声诊断中，应注意手法，不断地转动或侧动探头，使入射声束方向与被探测脏器的表面垂直，以期得到尽可能多的回声。
二、衍射与散射原理：超声波在介质内传播过程中，如果所遇到的物体界面或障碍物的线度与超声波长相近时，超声可以绕过障碍物的边缘，此时反射回波很少，这种现象叫衍射。
16第七章第三节超声的反射和透射
16第七章第三节超声的反射和透射超声波诊断医学影像成像原理超声的反射和透射reflection and transmission一、超声波超声波(ultrosound ，US)高频机械波20000Hz ～1015Hz 20Hz ～20000Hz 诊断超声人耳听阈1MHz(106Hz)～40MHz定义为声压与声振动速度之比：声阻抗：c Z ?=ρ（瑞利）表征介质声学特性的一个物理量。
人体不同组织的声阻抗血液 1.055 1570 1.656脂肪0.955 1476 1.410 软组织（平均值）1.016 1500 1.542肌肉（平均值） 1.074 1568 1.684肝 1.050 1570 1.648 空气（22℃）0.00118 334.8 0.000407颅骨 1.658 3860 5.571介质名称密度（103kg ?m -3）速度（m ?s -1）声阻抗(106N ?s ?m -3)根据声阻抗，人体组织分成三大类：中等声阻抗的液体和软组织高声阻抗的矿物组织，如骨骼低声阻抗的气体或充气组织三、超声的反射（reflection ）Z 1反射声强与入射声强之比。
221212P )()Z -(Z Z Z r +=当声波垂直入射时，得：声压反射系数r P ：超声波在两种介质分界面上改变传播方向又返回原来介质中的现象。
Z 2四、透射（transmission ）透射声强与入射声强之比。
22112P )(4Z Z Z Z t +=当声波垂直入射时，得：声强透射系数t P :超声入射到两种介质的界面上时，有部分能量穿过介质进入下一介质中的现象。
Z 1Z 2透射系数当Z 1≈Z 2时，得：r P →0，t P ≈ 1 超声全部透射。
22112P )(4Z Z Z Z t +=221212P )()Z -(Z Z Z r +=反射系数讨论：（1）Z 1Z 2讨论：（2）Z 1Z 2当Z 1>>Z 2 或Z 2>> Z 1时，得：r P →1，t P →0，超声强烈反射无透射。
超声波透射法
超声波透射法
超声波透射法，是一种利用超声波在物质内部传播的性质，检测
物质内部结构及缺陷的无损检测方法。
它是一种非破坏性测试方法，
可用于各种材料和构件的缺陷检测、质量控制和结构评定，被广泛应
用于工业、医学和生物学等领域。
超声波是一种高频声波，它能够在物质内部传播，与物质的密度、刚度等物理参数相关。
超声波透射法利用超声波在物质内部传播的特性，通过对超声波的反射、折射和散射等信息进行分析，确定材料内
部的结构、性质和缺陷。
超声波透射法的基本原理是将超声波传入待检测物体内部，通过
检测超声波在物体内部的传播情况，来检测物体的内部结构和缺陷。
这种检测方法可以分为两种类型：传统的A扫和B扫。
A扫是将超声波传入待检测物体，通过检测超声波的回声信号的振幅和时间，来判断物体内部结构和缺陷的位置和大小。
B扫则是将超声波传入待检测物体，通过形成二维图像显示物体内部的结构和缺陷。
对于材料的检测，超声波透射法主要用于检测缺陷，如裂纹、气孔、夹杂、缩孔等。
超声波透射法可以通过不同的测试方法来检测缺陷，如测量超声波的传播时间、测量超声波的振幅、测量超声波的透
射率等。
超声波透射法不仅可以用于材料的检测，还可以用于医学和生物
学等领域。
医学领域，超声波透射法被广泛应用于声像学检查，如超
声心动图、超声肝胆胰脾、超声肺部、超声乳腺等。
在生物学研究中，超声波透射法可以被用于研究生物组织结构和功能。
总之，超声波透射法是一项重要的无损检测技术，其广泛应用于
许多领域，如工业、医学和生物学等，为相关行业提供了强有力的检
测和控制手段。
超声波的反射和折射.
2
式中：I0、Ir、It——分别为入射波、反射波、透射 波的声强；
a、b——分别为声波的入射角和折射角； 1c1、2c2——分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2
分别为反射波和折射波的速度。 当超声波垂直入射界面，即a=b=0时，则
1 2 c2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1c1 R 1 2 c2 c 1 1
2
T
1c1 2c2 2
4 1c1 2c2
由式 $$$ 和式可知，若 1c1≈2c2 ，则反射系数 R≈0 ，透射系数 T≈1 ，此时声波几乎没有反射，全 部从第一介质透射入第二介质；若 2c2>> 1c1时， 反射系数 R≈1 ，则声波在界面上几乎全反射，透射 极少。同理1c1>>2c2时，反射系数R≈1，声波在界 面上几乎全反射。如20℃水温时，水的特性阻抗为 1c1=1.48×106Kg/(m2 ． s) ， 空 气 的 特 性 阻 抗 为 2c2=0.000429×106Kg/(m2 ． s) ， 1c1>>2c2 ， 故 超 声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。
由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射 角 a 的正弦与反射角 a′ 的正弦之比等于波速之比。 当波在界面处产生折射时，入射角 a 的正弦与折射 角 b 的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速 c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即
入射波
介质1 介质2
a a′
0
反射波
b
折射波
超声波的反射和折射
超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质在两个介质的分界面上一部分声波被反射另一部分透射过界面在另一种介质内继续传播
超声波的反射和折射
反射系数和透射系数
二、声波的描述
声波的类型
类型 平面声波 球面声波 波阵面 垂直于传播 方向的平面 以任何值为 半径的球面 同轴圆柱面 声线 相互平行 的直线 由声源发出 的半径线 线声源发出 的半径线
声学基础知识
声源类型 平面声源 点声源
柱面声波
线声源
Chapter 2
声学基础知识
二、声波的描述
声功率与声强的关系
球面辐射时：
波阵面面积
二、声波的描述
3、声功率和声功率级
(2) 声功率级
声功率级单位：分贝。
二、声波的描述
声功率级声压级(声强级)的关系：
二、声波的描述
[例1]
声压级Lp增加20dB，求声压的变化量。
[例2]
当声压为原来声压的（a）加倍；（b）减半 （c）十倍；（d）十分之一时，分别求声压级 变化。
声压
2
2X10-2
20
0.2
200
二、声波的描述
1、声压和声压级
⑵声压级
该声音的声压与参考声压的比值取以10为
底的对数再乘20。
声压级单位：分贝。
二、声波的描述
2、声强和声强级
(1)声强
在声传播方向上单位时间内垂直通过单位面 积的声能量。单位是瓦每平方米 。
二、声波的描述
2、声强和声强级 (2)声强级
⑴ 声压
a、瞬时声压：某一瞬间的声压。
b、有效声压（pe）：在一定时间间隔中将瞬 时声压对时间求方均根值即得有效声压。
二、声波的描述
1、声压和声压级
日常生活中声音的声压数据 (Pa)
声音种类
正常人耳能 听到最弱声 普通说话声 （1m远处） 公共汽车内
超声波反射与声阻抗的关系
超声波反射与声阻抗的关系
超声波反射与声阻抗之间存在着密切的关系。
声阻抗是指声波
在两种介质之间传播时所遇到的阻力，它是介质密度和声速的乘积。
当超声波遇到介质界面时，由于声阻抗的不同，部分声波会被反射
回来，而部分会进入下一个介质中。
这种反射和透射现象是由于介
质之间的声阻抗不同所引起的。
在超声波检测和成像领域，声阻抗的差异被广泛应用。
当超声
波束穿过一个介质并遇到另一个介质时，根据声阻抗的不同，一部
分超声波会被反射回来。
通过测量反射回来的超声波的强度和时间，我们可以推断出不同组织或材料的声阻抗差异，从而实现超声波成
像和检测。
另外，声阻抗的大小也影响了超声波在不同介质中的传播速度。
根据声阻抗的定义，当两种介质的声阻抗差异越大时，超声波的反
射率就会越高，同时传播速度也会发生变化。
因此，通过测量超声
波的传播速度和反射率，我们可以推断出介质的声阻抗差异，从而
对介质进行检测和成像。
总的来说，超声波反射与声阻抗之间密切相关，声阻抗差异导
致超声波的反射和透射现象，同时也影响超声波在介质中的传播速度，这些特性被广泛应用于超声波成像、医学诊断和材料检测等领域。
第3节 超声波在介质中的传播特性
气泡的振动也会产生相应的谐波，且这种谐波比组 织谐波强的多。
32
3. 反射增强 声波在传播过程中会出现反射增强现象。由
于衰减，要对不同深度的回波信号进行不同的放 大，目的是使同种均匀介质在不同深度回波信号 的强度基本相同。图7-11。
状态。
rp
Z2 Z2
Z1 Z1
8
2.
声强反射系数rI
定义：反射声强与入射声强之比：rI
因为
p2 I
Z c
Ir Ii
Z
所以
I
pr2 Z1
pi2
pr pi
2
2 p
Z1
9
3. 全反射 超声波的折射定律与光波的折射定律相同：
sini c1 sint c2
体软组织中，蛋白质成分的张驰过程是造成驰豫吸收的主要 因素。
吸收与声波的频率关系甚大，介质对声波的吸收有 影响。
24
2. 介质吸收衰减规律
强度的减少量-dI，根据实验： I0
dI
I
dI Idx
x0
x
dI Idx
dI I
dx
ln I x
I0 I ex I0
但在不同介质传播时，声波在液体介质中衰减 较小，而在软组织中衰减较大，而每一束声波放 大处理相同。当使软组织反射信号均匀一致，则 液体介质中传播的声波回波信号强度比入射波信 号强度还大，从而形成反射增强。
33
五、声束通过介质薄层的特征