文档介绍：超声基础部分
?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20—20000Hz。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1—15MHz。
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。
?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2π的质点间的距离为波长(λ)。
(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(ρ)有关。其声速与k和ρ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、λ之间有下列关系:
f=1/T,c=λf=λ/ T,λ=c/ f
超声在人体软组织(包括血液、体液)中的声速约为1540m/s;;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ρ,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:
Wk=Wp=1/2ρA2ω2(△V)sin2ω(t-x/c)
△V具有的总能量为:
W=Wk+ Wp=ρA2ω2(△V)sin2ω(t-x/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:①介质振动质点的动能和势能随时间同时发生周期性变化。②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:w=△w/△V=ρA2ω2sin2ω(t-x/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:w=1/2ρA2ω2(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: Pm=ρCAω(单位:N/cm2)
即声强与介质密度(ρ)、振动幅度(A)、振动速度(ω)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=ρCA2ω2/2
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