1__超声波的基本特性及在生物组织中的传播

第三章超声医学原理声音的实质机械振动在连续媒质中的传播——机械波抽气声波频率10-4-2020-2*1042*104-109109-1013可听声次声超声特超声目前，人类研究与使用的声波频率从10-4到1013Hz,足足跨越了17个数量级。将声波依其频率高低和人耳对声波的感受能力，区分与命名如下频率超出了人耳所能感受的上限，因而人耳听不见，正如人的眼睛看不见紫外光一样，都是由于人的感官生理局限性所引起的。超声机械波机械波•都具有一定的传播速度，且与媒质有关；电磁波•电磁波与声波一样不能再真空中传播。•都能产生反射、折射、干涉和衍射现象；水波的产生小球点击水面，会形成水波一个质点的振动会带动邻近质点的振动而邻近质点的振动又会引起较远质点的振动这样，振动就以一定的速度在弹性介质中由近及远地传播产生机械波的条件：1、波源；2、弹性介质问题：波动是波源的振动状态或波动能量在介质中的传播机械波在介质中传播时，质点随波前进1、横波2、纵波波长、波的周期和频率、波速1、波长——反映波动的空间周期性xyoλ2、周期和频率——反映波动的时间周期性T/1f＝波源作一次完全的振动，波就前进一个波长的距离，因此波的周期只与振源有关，而与传播介质无关。问题：3、波速C——描述振动状态传播快慢程度的物理量波动过程中，某一振动状态在单位时间内所传播的距离。*固体媒质横波和纵波的波速K为媒质的体变模量*在液体和气体纵波波速(不能产生横向的剪切力,故无横波)KCGC横波EC纵波G为媒质的切变模量E为媒质的弹性模量4、三者关系式fCT在一个周期中，波前进一个波长，故小结：频率、周期：决定于波源波速：决定于传输介质波长：由波源和传输介质共同确定第三章超声医学原理第一节超声波的基本特性及在生物组织中的传播第二节超声的生物效应第三节超声诊断的概述一、超声波的基本特性二、超声场第一节超声波的基本特性及在生物组织中的传播三、超声波在生物组织中的传播一、超声波的基本特性1.1超声波的传播速度1.2声压1.3声波的声强1.4特性阻抗1.5超声波的产生1.1超声波的传播速度*固体媒质横波和纵波的波速K为媒质的体变模量*在液体和气体纵波波速KCGC横波EC纵波fCT声波在介质中传播的速度受介质密度和弹性的影响，在空气和液体中传播的是纵波，在固体中可以有纵波和横波。G为媒质的切变模量E为媒质的弹性模量例：声波在人体软组织中的传播速度大约为1500m/s。如超声理疗机向人体发射率为1MHz的超声波，试求在人体内的声波波长？mmfc5.1101/15006即1MHz的超声波在人体软组织中的声波波长为1.5mm.人体绝大部分是软组织，其声学特性与水相似，所以其中传播的基本上是纵波。但由于传播条件的改变会发生波型的转换，如超声通过骨骼时会发生由纵波转变为横波。1.2声压定义：媒质中有声波传播时的压强与没有声波传播时的压强之差，以符号P表示，单位为帕（Pa）。当有纵波声波传播时，媒质出现周期相间的稠密与疏稀状态稠密区：压强大于没有声波传播时的静压强，即声压为正值；疏稀区：压强小于静压强，声压为负值。因此，媒质的声传播可表现为声压随时间（或空间）的周期变化。在超声诊断中常用的是平面波，对于平面波，声压：tCVCVPsin0ρ为传声媒质的质量密度，C为声波的传播速度；V为质点振动速度，V0为其幅值。声压单位为微巴（1ubar=1达因/厘米2）。（1）达因dyn是（CGS）力的单位1dyn代表作用于1g的物体，使其产生1cm/s2的加速度的力。蚂蚁叼草的力约100dyn1dyn=10-5N1Pa=1N/m2=10ubar=10-5bar大气压约1bar比较两个声压的大小，常用声压级(LP)参考声压P0普通谈话约为60dB-70dB载重卡车行驶80dB-90dB喷气式飞机附近140dB-150dB声压级LP=20logPi/P0（dB）以1000Hz纯音的听阈声压为基准声压（20µPa）Pi=P0，LP=01.3声波的声强超声强度：超声波在单位时间内通过与声波传播方向垂直的单位面积的能量，通常示以I。对于平面连续波其强度I为：222121mmCVCPIPm和Vm分别为声压、质点位移速度的最大值22CVCpI声强的单位是瓦/厘米2（W/cm2）或毫瓦/厘米2(mW/cm2)。声强与声压平方成正比。总功率：强度与声传播方向垂直的面积的乘积ISW若用它们的有效值P,V表示，1.4特性阻抗表征介质传播超声能力的物理量表征超声在介质中,传播过程能量损耗的特性。VPZ对于平面波，声阻抗等于介质密度与波速的乘积CZZ为传声媒质的一个物理常数特性阻抗的单位为瑞利即rayls,1rayls=1g/（cm2.s）界面声压与通过该面的质点流速之比与电路类比，声压~电压，质点流速~电流。声阻抗~电阻讨论声波传播问题时，声阻抗Z=ρC是一个极其重要的物理量。媒质Z均匀不变，那么声波在其中的传播方向将不会改变；Z不均匀，在变化处呈现出声学界面，发生反射、折射、散射。现行大部分超声诊断仪（A型、B型、M型及多普勒型），都是建立在超声回波（来自人体内）基础上的，其物理基础便是人体组织的声阻抗不均匀。组织病变常常伴随其Z值发生变化，从而引起超声回波的相应变化，人们便可以从回波变化中提取人体组织病变的信息。人体正常组织的密度、声速和特性阻抗介质名称密度（g/cm3）超声纵波速度（m/s）特性阻抗（*105瑞利）空气0.00118344.80.000407血液1.05515701.656大脑1.03815401.599脂肪0.95514761.410软组织1.01615001.524颅骨1.65838605.571对于血液：raylsscmgscmcmgCZ52310656.1)/(165635/157000/055.1对于生物软组织，声阻抗率与水的相近，约为1.5*105rayls压电式超声换能器1.5超声波的产生磁致伸缩式超声换能器1.5.2磁致伸缩式超声换能器铁磁材料的压磁效应：在外力作用下，晶体会产生磁场；反之，外加磁场则会引起晶体变形。铁磁材料中有自发磁化区（磁畴）。无外场时，磁畴取向无规律，在外磁场作用下，磁畴有转向与外磁场方向一致的倾向。外磁场愈强，转向也愈厉害。由于磁畴在各个方向上长度不一致，转向则导致了材料在磁场方向上的宏观增长。当线圈中通以直流电I0时,产生偏磁场H0。再通以交变电I，产生交变磁场H，H叠加在H0上，于是铁芯中的磁场将以H0为中心上下变化。压磁材料在交变磁场H作用下，由于磁致伸缩效应，上下两端面产生与交变电流频率相同的交替伸缩。当交变电流频率与换能器的共振频率一致时，换能器端面振动最剧烈。tHHoII0一、超声波的基本特性重点1.1超声波的传播速度1.2声压什么是机械波（与电磁波的区别）机械波产生的条件声波的频率和传播速度由什么决定超声及可听声的频率范围速度与媒质的密度和力学弹性有关速度频率波长的关系声压的定义声压级如何计算一、超声波的基本特性重点1.3声波的声强1.4特性阻抗1.5超声波的产生声强的定义及公式特性阻抗的定义及公式压电式及压磁式超声换能器的原理