超声波物理课件

超声波物理第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应内容第一节超声波的基本性质一、超声波的分类二、超声波的产生机制三、声速、声压、声强与声阻抗一、超声波的分类1.按振动形式分纵波横波气体、液体、固体固体2.按频率分(临床用)低频超声1～2.75MHz中频（常规）超声3～10MHz高频超声12～20MHz超高频超声>20MHz3.按发射方式分类连续波脉冲波脉冲波一、超声波的分类连续波正弦等幅波超声频率与振幅稳定不变输出电功率Ue有效电压电压峰值的0.707倍R声源负载阻抗10％左右电功率转变成声功率一、超声波的分类振动持续时间1.5～5S两个相邻脉冲前沿相隔时间脉冲宽度T脉冲重复周期(PRP)脉冲波特征量一、超声波的分类脉冲宽度

T脉冲重复周期Tr间歇期（静止期）脉冲波特征量每秒内脉冲重复出现的次数Tr+

=Tf脉冲重复频率(PRF)f=1/T50～2000HzTr

间歇期

(静止期)相邻脉冲的间歇时间一、超声波的分类脉冲宽度

T脉冲重复周期Tr间歇期（静止期）脉冲波特征量脉冲发射期间最大输出功率单位时间输出的功率S=/Tr0.0075％～1％S

占空因子脉冲宽度与静止期之比W峰峰值功率平均功率一、超声波的分类脉冲宽度

T脉冲重复周期Tr间歇期（静止期）W=S·W峰超声探头应用压电式换能法发射和接收超声波压电式换能法电磁能量机械振动发射超声接收超声二、超声波的产生机制弹性介质产生超声波必备条件声源1.压电效应机械能转变成电能超声接收换能器机械力引起材料内部正负电荷重心相对位移,产生符号相反的表面电荷而产生电场。二、超声波的产生机制2.电致伸缩效应电场引起材料内部正负电荷重心相对位移,内部产生应力导致宏观上的几何形变。电能转变成机械能压电陶瓷超声发射换能器二、超声波的产生机制3.压电材料的选择压电效应主要性能参数Tc居里点电畴结构完全解体压电效应消失的温度临界值二、超声波的产生机制压电接收常数g压电片单位形变产生的电位移单位V·m·N-1接收型换能器选择g大的压电材料压电发射常数d电场单位场强而产生的形变发射型换能器选择d大的压电材料二、超声波的产生机制4.压电效应的主要新能参数三、声速、声压、声强与声阻抗固体中传播纵波Y杨氏模量G切变模量介质平均密度横波1.

声速(c)单位ms-1超声单位时间传播的距离

B

体积弹性模量流体和气体只能传播纵波声速与介质性质有关与频率基本无关声速与温度成正比关系20℃空气中343ms-1水中1450ms-1骨骼中比软组织中快3倍以上临床应用时超声速度在软组织中近似取1500ms-1

介质密度三、声速、声压、声强与声阻抗1.

声速(c)020406080100T(℃)c(ms-1)

1550145014001500蒸馏水在标准大气压下声速与温度变化曲线三、声速、声压、声强与声阻抗2.声压(p)压强瞬时值P与无超声传播时压强值P0

之差超声介质中传播介质密度周期性变化瞬时压强P变化声压周期性变化三、声速、声压、声强与声阻抗2.声压(p)质点振动速度连续超声波运动方程质点位移速度幅值vm

=A三、声速、声压、声强与声阻抗2.声压(p)声压数学表达式仪器显示有效声压pepm

声压幅值A

声振动幅值

介质密度c

波速

声波圆频率三、声速、声压、声强与声阻抗3.声强(I)与声压关系单位时间内通过单位横截面积的周期平均能量声波传播过程是声源能量以声速传播出去的过程三、声速、声压、声强与声阻抗4.声阻抗(Z)声压与声振动速度之比当声压与振动速度同位相时单位瑞利(Rayleigh)(10-1kg·m-2·s-1)声阻抗与温度有关三、声速、声压、声强与声阻抗血液1.05515701.656血浆1.027______大脑1.03815401.599小脑1.03014701.514脂肪0.95514761.410软组织（平均值）1.01615001.542肌肉（平均值）1.07415681.684肝1.05015701.648肾___1560___脑积液1.00015221.522颅骨1.65838605.571甲状腺______1.620-1.660介质名称密度（103kgm-3）速度（ms-1）声阻抗(106

Nsm-3)三、声速、声压、声强与声阻抗胎体1.02315051.540羊水1.01314741.493胎盘___1541___角膜___1550___水晶体1.13616501.874前房水0.992-1.01214951.486-1.513玻璃体0.992-1.01014951.483-1.510巩膜___1630___空气（22℃）0.00118334.80.000407三、声速、声压、声强与声阻抗低声阻的气体或充气组织如肺部组织中等声阻的液体和软组织如肌肉高声阻的矿物组织如骨骼人体组织分成三大类三类组织声阻相差甚大，彼此不能传播声波超声检测主要适用第二类组织三、声速、声压、声强与声阻抗第二类组织中，声阻抗相差不大，声速大致相等，又可利用不同类组织间的声阻抗造成的反射、散射识别不同软组织与器官的形态和性质。这是超声成像及读片的基本物理依据。超声通过声阻抗差达到1的介质,可在其交界面上产生发射三、声速、声压、声强与声阻抗声强级单位5.声强级(LI)与声压级(LP)定义声强级的生理学及物理学依据人耳感觉声音强弱与声强对数成正比人耳对声音感觉的强度范围甚大比较相差甚大的两信号声强比的对数I0

基准声强

10-12Wm-2贝尔（Bel、B）分贝（dB）1B=10dB声强级(LI)三、声速、声压、声强与声阻抗5.声强级(LI)与声压级(LP)声压级声强正比于声压的平方声压级与声强级数值上一样表现形式不同三、声速、声压、声强与声阻抗5.声强级(LI)与声压级(LP)I1

始波强度I2

仪器可探测最小强度临床用声强级表示仪器的探测灵敏度w

回波功率S

探头面积U1、U2输入、输出电压A1、A2声压信号幅值(增益)三、声速、声压、声强与声阻抗第二节超声场一、圆形单晶片声源的超声场二、声束的聚焦一、圆形单晶片声源的超声场超声能量空间分布状态用声压分布或声强分布描述换能器可看成许多微小面积声源的叠加每个微小声源的超声场形状用惠更斯原理计算超声场r

任意点至点源距离dS

点源面积k

波数角频率p0

点源初始声压对点源积分可得换能器在空间任意点的超声场声压幅值分布圆形晶片换能器沿中心法线上声压1.超声场轴线上的声压分布p0

晶片表面声压幅值超声波长D

晶片直径一、圆形单晶片声源的超声场1.超声场轴线上的声压分布近场区内声压分布声场中心轴上声压幅值随声程x变化而变化，范围是0～2p0求出声场中心轴上声压最大及最小值观察近场区内声压分布一、圆形单晶片声源的超声场近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布声压极小值pm=0此时X位置即声压极小值位置一、圆形单晶片声源的超声场物理意义直径为D圆形晶片，向弹性介质辐射波长超声波，应有个极小值x不能为负晶片表面声压幅值不能为零n取小于的正整数近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布声压极小值一、圆形单晶片声源的超声场声压极大值pm=2po此时x值位置为声压极大值位置近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布一、圆形单晶片声源的超声场物理意义直径为D圆形活塞声源向弹性介质辐射波长超声波，近场有包含0在内的个极大值x不能为负且不能为零m=0公式仍有意义m取包含0在内小于正整数声压极大值近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布一、圆形单晶片声源的超声场直径D愈大愈短频率愈高n和m取值愈多,近场内声压起伏愈大,声压分布愈不均匀。一、圆形单晶片声源的超声场直径D愈大愈短频率愈高n和m取值愈多,近场内声压起伏愈大,声压分布愈不均匀。一、圆形单晶片声源的超声场近场区长度用m=0处声压极大值的位置来表示L近场长度半径a愈大，超声频率愈高，近场长度L愈长声学上称L以内的近场区为菲涅尔(Fresnel)区一、圆形单晶片声源的超声场x

较大A为圆形晶片面积泰勒(Taylor)级数运算得远场区内声压分布声程x大于近场长度L区域内声压呈单值变化一、圆形单晶片声源的超声场一般远场满足三角函数性质(很小sin)一、圆形单晶片声源的超声场声压P与距离x按反比例减弱P与x反比关系在x>5L时才明显表现一般远场满足三角函数性质(很小sin)声压P与距离x按反比例减弱P与x反比关系在x>5L时才明显表现一、圆形单晶片声源的超声场主瓣

副瓣

20Ｏ

10Ｏ

0Ｏ

10Ｏ

20Ｏ2.超声场的角分布换能器指向性即描述声束集中程度声压不但随距离而变=0

声压最大在中心轴及其以外的声压不均匀分布中心部出现一主瓣，主瓣旁出现许多副瓣。还随方向角而变表现为主瓣称主声束一、圆形单晶片声源的超声场单晶片的指向性2.超声场的角分布声压空间角分布表示r

圆片中心到场点距离

r与轴线间的夹角J1第一类贝塞尔函数一、圆形单晶片声源的超声场主瓣

副瓣

单晶片的指向性20Ｏ

10Ｏ

0Ｏ

10Ｏ

20ＯDc

指向性因数距晶片中心距离为r并与声场中轴线成角处的声压与中心轴线上同样距离r处的声压之比超声强度角分布的相对值当kasin=3.83，7.02，10.17等时J1等于零Dc等于零数值相应的角方向上没有辐射波一、圆形单晶片声源的超声场半扩散角Dc=0的第一点即kasin=3.83时相应的角度D

圆形晶片直径主瓣指向角的Franhofer公式越小D越大L越大、θ越小超声成束性越好d

方形晶片边长一、圆形单晶片声源的超声场近场内超声束平行度最高，反射界面与晶片垂直性最好，反射声强较高，失真度小，但在近场近晶片端，由于发射干扰可存在盲区远场有声束扩散，声束不平行反射声强较弱，失真度高医学诊断要求超声束扩散角在±3.5以下超声束截面积太大可使超声横向分辨力降低一、圆形单晶片声源的超声场B为常数二、声束的聚焦1.超声聚焦原理声束宽度限制横向分辨力使用声聚焦探头减小声束宽度集中治疗肿瘤不损坏正常组织声程x及焦距f大于晶片半径a(x>a，f>a)聚焦声束轴上声压幅值焦点上声压增加到

倍表示声压在焦点处上升程度愈短，p上升幅度越高，聚焦效果愈好但焦距f不能比近场长度L小得太多否则焦点后面声束迅速扩散，无法探测信息(一般f在L附近)。Ｐ值表达式二、声束的聚焦焦点处超声强度不得超过安全值为获得细长声束，须综合考虑半径a、波长和焦距fd的大小影响超声诊断的横向分辨力实际应用希望焦点直径d小，焦距f大，但这是矛盾的a

探头晶片半径理想球面透镜焦点直径d与波长和焦距f的关系超声功率小于200Wm-2对人体无害二、声束的聚焦2.声聚焦方法声透镜聚焦凹透镜曲面换能器聚焦晶片型探头电子聚焦多晶片电子聚焦换能器两边延迟时间最小并对称中央延迟线延迟时间最大由两边向中间依次振动形成圆形波阵面圆心即聚焦点二、声束的聚焦电子聚焦二、声束的聚焦2.声聚焦方法改变晶片间相对延迟时间，能改变声束的方向。对各晶片依次加上线性递变延迟激励脉冲，超声束方向偏转一个角度，不断改变这个角度，可得到扇形扫描超声束，即相控扇形扫描。为提高横向分辨力，常采用相控阵聚焦方法，用不同超声换能器实现线性扫描成像、扇形扫描成像及各种复合扫描成像。电子聚焦换能器是B超诊断仪采用的一种换能器。二、声束的聚焦一、反射与透射二、衍射与散射三、声波在介质中的衰减规律四、声波的波形转换和声学谐波五、声波通过介质薄层的特征第三节声波在介质中的传播特性声学中介质是以声阻抗划分，声波介质界面就是声阻抗不同的介质分界面。在声学介质中，两物质物理性质不同，或由不同的原子、分子组成，如果其声阻抗相同，则认为它们是声学的同种均匀介质，其间不存在界面。一、反射与透射超声波传播遵循几何声学原则反射或透射的条件介质声阻抗界面处突变“不连续”界面线度远大于声波波长及声束直径直线传播遇到界面发生反射和透射临床上反射回声带来体内脏器及大界面信息一、反射与透射研究声波传播特性基本依据声压连续法向速度连续能量守恒界面两侧声压相等质点振动速度在垂直界面的分量相等一、反射与透射1.反射系数Z2Z1c1c2rvrprtvtpt反射声压pr和入射声压pi之比pt

透射声压质点振动速度与声传播方向相同如图向下方向定为正两个连续ivipi一、反射与透射声压反射系数结合速度、声压与声阻抗关系联立导出一、反射与透射1.反射系数声波垂直入射Z2>>Z1rp≈lZ1>>Z2半波损失全反射且反射波与入射波位相突变Z1=Z2rp=0Z1>Z2rp<0rp≈-1全反射无透射全透射反射波与入射波反相一、反射与透射1.反射系数表7-2在生物介质不同界面超声垂直入射时的声压反射系数一、反射与透射1.反射系数水0.3500.5700.0070.0350.0070.0290.0200.0470脂肪0.3900.6100.0470.0490.0540.0760.067肌肉0.3300.5600.0200.0150.0130.009皮肤0.3200.5600.0290.0060.022脑0.3400.5700.00.028肝0.3200.5500.028血液0.3500.570颅骨0.290名称荧光树脂颅骨血液肝脑皮肤肌肉脂肪水查表声波由水入脑的rＩ＝0.007计算分贝1.反射系数分贝(dB)表示反射声强与入射声强之比一、反射与透射声强反射系数2.全反射超声波透射定律rZ2itZ1c1c2vivrvttib如图cl<c2

透射角随入射角增大而增大入射角达到b值透射角增大至90入射角大于b值超声在界面全反射b角称全反射临界角一、反射与透射2.全反射水作探头与皮肤间夹层，临界角7630'石蜡油作夹层，临界角67º10'实际应用中探头探测角度不超24º全反射现象对超声诊断无意义，应尽量避免。减少信号强度损失避免产生透射伪像及全反射现象一、反射与透射3.透射系数由声压连续和法向速度连续可知衡量超声在不同介质中透射能量的大小声压透射系数如图一、反射与透射rZ2itZ1c1c2vivrvtpiprpt声压透射系数3.透射系数由反射定律可知i=rpr=pt–pi

一、反射与透射rZ2itZ1c1c2vivrvtpiprpt声压透射系数3.透射系数声波垂直入射Z1>>Z2

tP0

超声强烈反射无透射Z1≈Z2

tP≈1

超声全部透射Z2>>Z1

tP≈2

驻波现象反射强烈一、反射与透射声压透射系数3.透射系数声波垂直入射超声在界面反射和透射只有垂直入射声强才能守恒一、反射与透射二、衍射与散射1.衍射超声波长与物体尺寸可以比拟甚至更大时，会发生衍射和散射现象

界面或障碍物线度与超波长相近，超声绕过障碍物传播声影声波不能完全绕过线度较大障碍物其后存在声波不能达到的空间图像表现为暗区，是探测不到的盲区1.衍射与波长相仿的病灶探测不到声波完全绕过与其波长相仿的病灶不形成反射回波不形成病灶轮廊图像可存在反向散射可判定病灶性质二、衍射与散射2.散射界面或障碍物线度ｄ小于且接近超声波波长，传播方向连续改变。悬浮粒子成为子波源（散射中心）向空间各方向发射散射波（子波）形成干涉空间（散射波场）干扰入射波（入射波与子波相干涉）超声入射悬浮粒子(尘埃、烟雾、杂质、气泡等)二、衍射与散射2.散射散射截面定量描述散射程度W

总散射功率Ii

入射声强二、衍射与散射3.结论d>>λd<<λd≈λ

散射不明显，主要是反射、透射，并有声影散射明显，散射场强度均匀分布散射声强与入射波频率四次方成反比散射场强度分布复杂，表现为角分布声强与频率四次方成正比，与距离平方成反比二、衍射与散射三、声波在介质中的衰减规律1.衰减概念声波衰减的主要原因扩散衰减散射衰减吸收衰减声波声强随传播距离增加而逐渐减弱的现象1.衰减概念S0I0=SI

S=4r2，S0=4r02

扩散衰减r0rS0SI0I声波能量分布改变造成的衰减设距离声源半径ro的球面So上声强Io

传到r处强度I，不考虑介质吸收单位时间内通过波阵面能量相等平方反比定律扩散衰减与波阵面形状有关，与介质特性无关三、声波在介质中的衰减规律1.衰减概念散射衰减声波与散射中心多次相互作用部分声能转化为热能散失介质并不绝对均匀含有杂质成为散射中心同时热起伏导致介质局部密度变化声波散射能量损耗声波与散射中心相互作用生物组织更是一个不均匀介质三、声波在介质中的衰减规律吸收衰减声能转变为热能、机械能等其它形式能量吸收机制粘滞吸收热传导和热辐射吸收弛豫吸收介质吸收声能后分子势能增加一段时间后以声波形式发射吸收与声波频率关系甚大（f大吸收衰减多）三、声波在介质中的衰减规律1.衰减概念2.介质吸收衰减规律声强吸收系数平行窄束声波通过无限大均匀介质“平行”“窄束”避开散射、扩散衰减影响积分得薄层dx内强度减少量-dIx=0处强度幅值I0如图超声沿X轴正向传入均匀介质研究方法超声波的吸收特性dx

I0Ix=0x三、声波在介质中的衰减规律2.介质吸收衰减规律同理声压幅值吸收规律两吸收系数关系p0

起始声压p

传播X距离后声压p

声压吸收系数声压表示声强吸收三、声波在介质中的衰减规律3.生物组织主要声学参数衰减系数吸收衰减系数、散射衰减系数与组织厚度、超声频率有关α=βf

β平均吸收系数软组织对超声平均衰减系数频率增加1MHz，传播距离增加1cm组织对超声衰减增加0.81dB0.81×dB(cm·MHz)-1三、声波在介质中的衰减规律3.生物组织主要声学参数半价层H组织内传播的超声波其强度衰减到初始值一半时的距离，单位为cm。混响时间声源停止发射后，声场中某点振动延续时间原因界面间多次反射声波引起固有振动介质不均匀性引起散射三、声波在介质中的衰减规律声束与界面垂直无透射不产生横波1.声波类型的转换纵波以一定角度由液体射入固体产生反射和透射。反射波仍在液体中为纵波；透射波透入固体改变传方向，与振动方向成一定角度。可分解为垂直分量和平行分量两类波，即横波和纵波。介质性质不同透射角度不同，横波和纵波振幅不同。液体固体纵波纵波原传播方向振动方向四、声波的波形转换和声学谐波声波转换临床意义由脑组织射入颅骨产生横波形成伪影2.声学谐波基础线性声学中声速与声波强度无关，单频声波射入静止介质，回波频率和入射波一样。介质不符合线性关系声波强度很大精细分析非线性声学理论的应用四、声波的波形转换和声学谐波2.声学谐波基础常见声学谐波的类型波形的畸变组织谐波气泡产生的谐波四、声波的波形转换和声学谐波2.声学谐波基础波形的畸变四、声波的波形转换和声学谐波2.声学谐波基础波形的畸变频率越高振幅越大，非线性畸变越大四、声波的波形转换和声学谐波2.声学谐波基础组织谐波单频简谐波在组织中传播发生非线性畸变时，周期不变，按照傅立叶变换理论，相当于产生频率为原始频率整数倍的谐波。x=0幅度为零，x增大幅度增大。深度幅度基波谐波基频波和谐波随传播距离变化规规律四、声波的波形转换和声学谐波2.声学谐波基础气泡产生的谐波空化效应超声液体中传播声压起伏声压为负液体汽化产生气泡稳态空化周期性振动暂态空化剧烈振动四、声波的波形转换和声学谐波气泡产生的谐波2.声学谐波基础四、声波的波形转换和声学谐波气泡产生的谐波2.声学谐波基础四、声波的波形转换和声学谐波气泡产生的谐波2.声学谐波基础气泡振动是非线性的，包含各种谐波包括入射超声波的基频f0

、倍频（2f0、3f0、4f0…）和次频成分(

)医学利用造影剂产生微气泡获得谐波进行谐波成像气泡产生的谐波比组织谐波强的多含有气泡的介质非线性很强四、声波的波形转换和声学谐波3.反射增强对不同深度回波信号进行不同程度放大,部位越深信号放大倍数越大,使同种均匀介质回波信号强度基本相同。若使软组织反射信号均匀一致则液体反射信号比入射波强度大,即反射增强。四、声波的波形转换和声学谐波3.反射增强四、声波的波形转换和声学谐波3.反射增强四、声波的波形转换和声学谐波得出声强透射系数五、声束通过介质薄层的特征如图声波垂直通过厚度d的介质薄层。忽略介质对声能量吸收，因入射波和反射波叠加各层间声压重新分布。IiIt

1.Z1·Z3>>Z2

如Z2为软组织间的空气薄层声束不能透射五、声束通过介质薄层的特征相当于声束垂直通过Z1、Z3

介质薄层消失

2.d=2/2，2，3/22，…，n2/4

(n不等于零的偶数)，或d<<2五、声束通过介质薄层的特征相当于两个介质界面不存在且d为奇数倍3.五、声束通过介质薄层的特征4.耦合剂(couplinggel)填充厚度极小的耦合剂，相当于声束垂直通过介质薄层探头与体表间存在声阻抗差很大的界面，使超声波难以进入人体使耦合剂厚度等于奇数倍阻抗值平方等于两侧介质阻抗的乘积可使超声尽可能完全进入人体五、声束通过介质薄层的特征4.耦合剂(couplinggel)临床使用液体石蜡最大透射率是入射强度的四分之三左右超声从高声阻探头射向低声阻皮肤时应选择声阻大小介于探头与皮肤声阻之间某一值的耦合剂，这样可增加超声的初始透射率。治疗用探头声阻16.90×105瑞利检测用探头声阻3.20×105瑞利皮肤声阻1.59×105瑞利五、声束通过介质薄层的特征第四节多普勒效应二、多普勒效应的数学表示一、声波的多普勒效应三、频移信号的采集一、声波的多普勒现象1842年奥地利数学家和天文学家多普勒效应(Dopplereffect)ChristianJohannDoppler声源或接收体或两者同时相对介质运动，接收频率发生变化1.波源和接收体相对运动发生在两者连线上f

发射频率波源相对介质运动的速度u接收体相对介质运动的速度v接收频率2.波源与接收体相对运动方向成一定的角度波源相对于介质运动方向与波源和接收体连线的夹角接收体相对于介质运动方向与波源和接收体连线的夹角u·cos

u在连线上的分量v·cos

v在连线上的分量一、声波的多普勒现象二、多普勒效应的数学表示1.多普勒频移公式第一次多普勒频移被血液颗粒散射超声波返回接收极血液颗粒作为波源相当接收体运动超声波射入血液颗粒血液颗粒作为接收体相对波源运动第二次多普勒频移1.多普勒频移公式如图所示二、多普勒效应的数学表示1.多普勒频移公式第一次多普勒频移第二次多普勒频移接收体静止波源运动接收体运动波源静止二、多普勒效应的数学表示1.多普勒频移公式c2>>v2v≠0，I、r≠90f0、c、i、r一定，fd与血流速度

v有关测得fd可求得相应血流速度v若i=r=f与fo存在差频，即多普勒频移fd二、多普勒效应的数学表示2.矢量公式及物理意义多普勒频移与入射角和反射角大小密切相关引入矢量表示更为直观速度矢量波矢量方向沿声波传播方向二、多普勒效应的数学表示2.矢量公式及物理意义多普勒频移矢量表示式超声多普勒技术理论的最基本数学模型分析超声仪器对速度矢量的检测灵敏度二、多普勒效应的数学表示二、多普勒效应的数学表示方向与成1800d

负值方向水平轴向流动灵敏度高横向流检测不灵敏发射和接受换能器处于血管两侧无法避免有碍声波传播的骨骼、气腔等缺点(a)二、多普勒效应的数学表示方向与成1800d

负值方向水平轴向流动灵敏度高横向流检测不灵敏发射和接受换能器处于血管两侧无法避免有碍声波传播的骨骼、气腔等缺点(a)(b)d=0任何方向流速都不灵敏二、多普勒效应的数学表示(b)二、多普勒效应的数学表示