超声波基础入门知识详细资料
32页1、超声基础部分1何谓超声波?诊断用超声波是如何产生的?人耳能感知的声波频率范围为2020000Hz。低于20Hz者称为雌声波,高于20000Hz者称为超声波。医用诊断用超声波的范围多在115MHz。超声波是机械波。可由多种能量通过换能器转变而成。医用超声波是由压电晶体(压电陶瓷等)产生。压电晶体在交变电场的作用下发生厚度的交替改变,即机械振动。其振动频率与交变电场的变化频率相同。当电场交变电频率等于压电晶片的固有频率时其电能转换为声能(电声)效率最高,即振幅最大。压电晶体只有两种可逆的能量转变效应。上述在交变电场的作用下,由电能转换为声能,称为逆压电效应。相反,在声波机械压力交替变化的作用下,晶体变形而表面产生正负电位交替变化,称压电效应。超声探头(换能器)中的压电晶片,在连接电极电压交替变化的作用下产生逆压电效应,称为超声发生器;而在超声波机械压力下产生压电效应,又成为超声波接收器。这是超声波产生和接收的物理学原理。2超声波物理特性及其在介质中传播的主要物理量有哪些?它们之间有何关系?(1)频率(frequency):质点单位时间内振动的次数称为频率(f)。(2)周期(cycle):波
2、动传播一个波长的时间或一个整波长通过某一点的时间(T)。(3)波长(wavelength):声波在同一传播方向上,两个相邻的相位相差2的质点间的距离为波长()。(4)振幅(amplitude):振动质点离开平衡位置的最大位移称振幅,或波幅(A)。(5)声速(velocity of sound,sound velocity):单位时间内,声波在介质中传播的距离称声速(C)。介质不同,超声在介质中的声速度也不同,但是在同一介质中,诊断频段超声波的声速可认为相同。声波在介质中的传播速度与介质的弹性系数(k)和介质密度()有关。其声速与k和比值的平方根成正比,即式中C为声速,E为杨式模量。根据物理学意义,c、f、T、之间有下列关系:f1/T,cf/ T,c/ f超声在人体软组织(包括血液、体液)中的声速约为1540m/s;骨与软骨中的声速约为软组织中的2.5倍;而在气体中的声速仅为340m/s左右。近年来的研究发现,不仅离体组织与活体组织有较大的声速差别,而且使用不同的固定溶液、固定速度也常影响声速。此外,声速尚与组织温度有关。通常,非脂肪组织的声速随温度上升而增快,脂肪组织的声速随温度上升而
3、减慢。当脂肪组织由20o升到40o时,声速可下降15之多。在进行精细的研究工作时,这些因素必须予以注意。(6)超声能量与能量密度:当超声波在介质中传播时,声波能到达之处的质点发生机械振动和位移。前者产生动能而后者产生弹性势能。动能和势能之和组成波动质点的总能量。也即超声波的能量。声波在介质中传播的过程,也是能量在介质中传递的过程。设介质的密度为,声波传播到的质点体积元为V,其位移为x,V将鞠有的动能为Wk,产生的势能为Wp。则:WkWp1/2A22(V)sin2(tx/c)V具有的总能量为:WWk+ WpA22(V)sin2(tx/c)从表达式中可以看出超声波传播过程中总能量传递方式为:介质振动质点的动能和势能随时间同时发生周期性变化。振动质点以获得能量又向下一质点放出(传递)能量的方式传递声波。在超声波的传播中,表示单位体积介质中所具有的能量称为能量密度(w)。即:ww/VA22sin2(tx/c)由前所述可知,w也时随时间而变化的。在一个周期中,其平均值为:w1/2A22(单位:焦耳/厘米3,J/cm3)即平均能量密度与振幅的平方、角频率的平方和介质密度成正比。因此,在能量密度一定
4、的情况下,介质密度越小,振幅越大。(7)声压:声压指声波在介质中传播时,介质单位截面积所产生的压力变化,也即介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的压强之差。根据声波传播的特点,声压也周期性变化于正常值与负值之间,一个振动周期的声压为: PmCA(单位:N/cm2)即声强与介质密度()、振动幅度(A)、振动速度()和传播速度(C)成正比。(8)声强与声强级别(分贝):超声波在介质中传播时,单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量,称为超声强度,简称声强(I)。单位为瓦/厘米2(W/cm2,mW/cm2)。声强与声场中的能量密度(w)和超声传播速度(C)成正比,即:I=CA22/2也即声强与振幅的平方、角频率的平方、介质的密度成正比。声强可以小到每平方厘米数维瓦,也可以大到每平方厘米数千瓦。人耳对声强变化的分辨能力较差,声强每增加10倍,人耳主观感觉只增加1倍。为了解决声强很大差别在表示中的不便,在时间应用中,一般采用声强的自然数来表示声强的级别,称其为声强级(L),单位为贝尔(B)。实际应用中以贝尔的1/10为单位,称为分贝(dB)。按规定以一个最低可闻声强(I0)为基准来度量实际
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