超声波物理特性

声速声速与介质的体弹性系数和密度有关。由于介质的弹性系数与温度有关，因此声速也与温度有关。在超声诊断的频段中，人体组织的超声速度与频率无关，而且软组织中的声速都很接近，约为1540m/s。波长、周期和频率声波在介质中传播时，两个相邻的同相位点之间的距离，如相邻两点稠密部之间的距离（超声波在人体中一般是以纵波方式传播），称为声波的波长，以λ表示。波向前移动一个波长的距离所需的时间，称为声波的周期，以T表示。介质中任何一给定点在单位时间内通过的波敝，称为声波的频率，以f表示。它们之间的关系为λ=C/f=CT式中为声波的传播速度。医学诊断中采用的超声波频率在1-20MHz范围内。声阻抗介质中任意点的密度ρ与该点处声波的传播速度C之积为此介质在该点处的声阻抗，以Z表示，即Z=ρC。它是表征介质的声学特性的一个重要物理量。声阻抗的变化将影响超声波的传播。声阻抗是采用反射回波法进行超声诊断的物理基础。声压级与声强级声压级LP是以分贝表示的某个声压P与参考分压P0的比值，即LP=20lg(P/P0)声强级LI是以分贝表示的某个声强I与参考声强I0的比值，即LI=10lg(I/I0)声强是表示声的客观强弱的物理量，它表示通过垂直于传播方向上单位面积的能流率。声强为I=1/2(ρCω02A2)=p02/(2Z)声强的单位是mW/cm2或W/m2。声强与声源的振幅有关，振幅越大，声强也越大。对于平面超声波，他的总功率为强度I和面积S的乘积，即W=IS。由于超声强度太大会破坏人体正常细胞组织，因其不可逆的生物效应。因此，国际上对诊断用超声强度安全剂量作出规定，一般接受的安全剂量为20mW/cm2。超声波的指向性对于平面园片换能器，在无吸收的介质中其波束形状有两个不同的区域即园柱形区和发散区或称为近场区和远场区。近场区的长度为D2/4λ，D为晶片直径，λ为该介质中传播的超声波长。在远场区，发散角由sinθ=1.22λ/D给出。可见，减小直径可缩短近场长度和增大，即加宽了波束。增加频率即减小波长时，加长了近场区，减少了发散角，可获得较窄的波束。声强度沿中心轴距离的分布，近场区声强度有剧烈的起伏变化，存在着许多声强度为极小值的节点。这些节点可引起不希望有的盲点。在远场区声强都变化趋于平稳，单随着距离的增加，声强逐渐减弱。超声波的反射与折射当一束平面超声波入射到两种介质交界面上时，或者声阻抗的不连续处时，会产生反射和折射，并遵从反射和折射定律。θI=θRSinθI/SinθT=C1/C2超声波的衰减超声在介质中传播，其能量将随着距离的增加而减小，这种现象称为超声波的衰减。噪声衰减的因素主要有两类。一类是声束本身扩散，使单位面积上的能量下降，或反射，散射的结果，使能量不能再沿着原来的方向传播。在这一类事件中，声波的总能量并没有减少。另一类是，超声传播中，由于介质的吸收，将声能转换成为热能，因而使声能减小。着后一类的机理比较复杂，主要有粘滞吸收；弛豫吸收、相对运动吸收及空化气泡吸收。对于给定的频率的超声波，其强度和压强幅度都随着距离的增大而按指数规律下降，可表示为：I(x)=I0e-2αxP(x)=P0e-αx式中α为衰减系数。α是频率的函数。αmm=βfMHz。为常数。衰减系数在很大程度上依赖于频率。这一点，我们在设计还是临床操作上都具有重大影响意义。实验结果表明，在医学超声频率范围内，人体组织对超声波的吸收系数几乎与超声波频率成正比。