第七章 超声波物理

指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强P0变化（改变量）。符号P，单位N/㎡ (牛顿/ ，或Pa(帕斯卡）。超声在介质中传播，介质的密度随之做周期性变化，介质中的压强也就
随之变化。由声波的动力学方程可知，声压的表达式是：
x p Ac cos t c 2
第七章 超声波物理
超声波是一种高频机械波。它的声源振动频率超过2兆Hz。诊断用超声频率在1兆Hz至100兆Hz之间。它的特点是频率高、波长短、方向性强、能量大、
危害小。
之所以称为超声波是因为我们人耳感觉不到它，超出了人耳的感觉范围。人耳能够感知到的机械波频率是20~20000Hz，该波段称为声波。 通常机械波的频率划分为三个波段：次声波、声波、超声波。 次声波：频率在0至20Hz波段。次声波是一种每秒钟振动数很少，人耳听不到的声波．次声的声波频率很低，一般均在20赫兹以下，波长却很长，传播
B型：用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通 过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。
M型：是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，可以用来观察 心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。
x 即p pm cos t c 2 其中pm Ac称为声压幅值。 A是振幅，是密度， c是声速，为声波的圆频率 pm 声压的有效值为 pe则pe 2
3、声强 声传播时也伴随着能量的传播．用单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的能量(声波的能 量流密度)表示．声强的单位是瓦/平方米．声强的大小与声速成正比，与声波的频率的平方、振幅的平方成正比 ．超声波的声强大是因为其频率很高，炸弹爆炸的声强大是因为振幅大． 声音强度由振动幅度的大小决定，以 能量来计算称声强。 2 2 P p 1 声强（I）与声压（P）的关系为： I cA2 2 m e
距离也很远．地震、火山爆发、风暴、海浪冲击、枪炮发射、热核爆炸等都会产生次声波。它比一般的声波、光波和无线电波都要传得远．例如，频率
低于1赫的次声波，可以传到几千以至上万公里以外的地方．1960年，南美洲的智利发生大地震，地震时产生的次声波传遍了全世界的每一个角落！ 1961年，苏联在北极圈内进行了一次核爆炸，产生的次声波竟绕地球转了5圈之后才消失！ 次声波具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固的钢筋水泥 构成的建筑物，甚至连坦克、军舰、潜艇和飞机都不在话下．次声穿透人体时，不仅能使人 产生头晕、烦躁、耳鸣、恶心、心悸、视物模糊，吞咽困难、胃痛、肝功能失调、四肢麻木， 而且还可能破坏大脑神经系统，造成大脑组织的重大损伤．次声波对心脏影响最为严重，可导致死亡。 人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（0.01～20赫），倘若外来的次声频率与体内脏 的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的“共振”，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、 耳鸣、恶心等等一系列症状．特别是当人的腹腔、胸腔等固有的振动频率与外来次声频率一致时， 更易引起人体内脏的共振，使人体内脏受损而丧命。 声波：频率在20至20000Hz波段，又称可听声。人耳感知在该频段内的灵敏度也有区别。
2、压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，
其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的 电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正 压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
3、压电材料的选择 压电陶瓷是一种多晶材料，如果温度发生变化，晶体内部结构也发生变化。当温度高于某一临界值Tc时，电畴结 构完全解体，压电效应也自行消失，物理学成这一临界温度为材料的居里点。例如锆钛酸铅（PZT)大约在300~388℃，钛酸钡为120℃。 4、压电效应的主要参数： 压电接收常数g 它是指压电片单位形变所产生的电位移，表示换能器接收性能的好坏，其单位是V.M.N-1表示。g越大越好。 压电发射常数d 它是指应力不变时，由电场变化引起的应变的变化。d越大越好。 三、声速、声压、声强与声阻抗 1、声速（音速） 声在弹性介质中传播时，单位时间内传播的距离称为声速。用符合C表示，单位ms-1。声音可以在气体、液体、 固体中传播，受到压强、密度、温度影响。超声的传播速度与一般音速相同，其大小与介质的弹性、密度、波动的类型有关。 在固体中平面波的声速为：
镜等超声技术，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病的诊断准确率大大提高。
第一节 超声波的基本性质 一、超声波的分类 超声波按振动方式分类：纵波和横波。在固体中声振动可以传播纵波和横波，但一般在液体和气体中，由于介质没有切变弹性，只能 传播纵波。人耳只能感受纵波。 超声波在临床按频率分类：1、低频超声 1~2.75MHz频段；2、中频超声3~10MHz； 3、高频超声12~20MHz； 超声波按发射方式分类：连续和脉冲两类。 连续超声波一般为正弦波，它的频率和振幅都不随时间变化而变化。如图： 脉冲式超声波，一般为阻尼衰减振荡波，如图7-1。临床使用的超声波就是脉冲式超声波。 脉冲式超声波的几个重要物理量： 1、脉冲宽度‫ז‬，即振动持续的时间。每个脉冲所占据的时间。临床常用是1.5~5us之间。 4、超高频超声20MHz以上。
1、超声聚焦原理 超声束可以像光束一样，利用透镜使之聚焦。在声程x大于晶片半径a及焦距f大于晶片半径a的情
况下，聚焦声束轴线上的声压幅值可以近似为：
f x x p 2 p0 sin B 1 1 2 x f f a2 L B为常数，B f f f是焦距，L是近场长度。当 x f时，p p0B, 对于理想的无球面球差 的球面透镜， d 1.2
f
a
临床应用时，希望焦点直径d越小越好，而焦距f大一些好。由上式可知：这是矛盾的。所以，要根据使用环 境综合考虑。
2、声聚焦的方法
声透镜聚焦
目前常用的声聚焦方法有如下几种：
就像光束一样，利用声透镜使之聚焦。原理是：透镜材料（固体）中声速大于镜外液体
或人体组织中的声速，用凹透镜实现聚焦。
第二节
超声场
超声场是指超声在弹性介质中传播时，超声能量在空间分布状态的描述。常用声强分布或声压分布来描述。 一、圆形单晶片声源的超声场 1、超声场轴线上声压的分布 在圆形单晶片声源的超声场中，轴线上近场区声压分布并不是均匀的，有极大值和极 小值随声程x的变化而变化。范围在0~2P0。其分布规律可用公式7-14来表达。 极大值和极小值沿声程x的分布如图7-3。晶体直径d越大，频率越高，则近场声压分布就越不均匀。 在圆形晶片的远场区，声压呈单值变化。 2、超声场的角分布 圆形活塞辐射器的声压分布除了在中心轴线上的分布不均匀以外，在中心轴的声压分布也是不
超声波：频率大于20000Hz的机械波。它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在密度较大的固体及液体中传播距离远， 可用于测距、工业探伤、医用超声（A、B、M、D）、清洗、焊接、钻孔、碎石、杀菌消毒等。 目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A型、B型、M型及D型四大类。 A型：是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、 液体或是气体是否存在等。
均匀的。其特点是中心部分出现一个主瓣，在主瓣两边出现许多付瓣，这个现象被称为换能器的指向性。如图7-4
二、声束的聚焦 在超声诊断中，探头辐射的声束宽度是限制横向分辨率的主要原因。为了减小声束宽度，常采用的方法之一是使用 声聚焦探头。
在超声治疗中，可使声束在聚焦区域有最大的强度，以集中治疗肿瘤组织等，而聚焦区以外的正常组织不被破坏。
D型：是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔是否狭窄、 闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统，可在超 声心动图解剖标志的指示下，以不同颜色显示血流的方向，色泽的深浅代表血流的流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥
2
2 c
c4Leabharlann 声阻抗 声波传导时介质位移需要克服的阻力。是声学介质的重要物理量，因介质的密度为ρ，声速为c,则声阻
抗:Z=ρ.c，单位是N.s.m-3。常见的人体组织的声阻抗见表7-1 人体组织的声阻抗可分为三类：低声阻的气体或充气组织。如：肺部组织 中等声阻抗的液体和软组织。如：肌肉 高声阻抗的矿物组织。如骨骼。 声阻抗相差1%的组织都能得到回声波而被测量和诊断。
纵波C 横波C
Y

G
其中，Y是杨氏模量；G是切变模量；p是介质的平均密度。
在医用频率内，液体、气体只能传播纵波。设人体的体积弹性模量为B， 介质的密度为p,则人体内的声速为:
C
B

超声波在人体软组织的传播速度约为1500ms-1。在骨骼中的速度约为软组织的3倍。
2、声压 平方米 )
2、脉冲重复周期T，是指两个脉冲前沿相隔的时间。
3、脉冲重复的频率f，每秒钟内脉冲重复出现的次数。常用的是50~2000Hz. 4、间歇期Tr，指相邻脉冲之间的间歇时间，又叫静止期。 5、占空因子S，指脉冲宽度与间歇期之比。通常在0.0075%~1%之间。 f=1/T
6、峰值功率P，脉冲发射期间的最大功率。
1、电致伸缩效应 由电场作用引起材料内部正负电荷重心发生相对位移，使材料内部产生应力导致宏观几何变形，这种电能转变成机械能的效
应称为电致伸缩效应。 产生机制：介质内部存在极化现象，具有类似于铁磁体的磁畴样的电畴， 这些电畴在介质中（如压电陶瓷）自发存在并形成一种分子集团，自发 产生一定的电场。电畴长度在电场方向上有差别。外加电场时，电畴发 生转到，介质内电场与外电场方向一致，介质的几何长度随之发生变化。 由此介质将随外电场的变化而发生几何变化，即机械振动。而在介质中 产生机械波，其频率与外加电场频率一致。超声探头就是利用电致伸缩 效应将电压转变为声压，向人体发射超声。