第三章 超声医学原理
抽气
声音的实质
机械振动在连续媒质中的传播——机械波
声波频率
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
次声
可听声
超声
特超声
10-4-20
20-2*104
2*104-109
109-1013
参考声压P0 以1000 Hz纯音的听阈声压为基准声压（20µ Pa） Pi = P0， LP = 0
普通谈话约为 载重卡车行驶 喷气式飞机附近 60dB-70dB 80dB-90dB 140dB-150dB
1.3 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：
Z C
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。
达因 dyn 是（CGS）力的单位 1 dyn代表作用于1g的物体，使其产生1cm/s2的加速度的力。
பைடு நூலகம்
蚂蚁叼草的力约100 dyn
1 dyn = 10-5N 1Pa = 1N/m2 = 10 ubar = 10-5 bar 大气压约 1 bar
声压级
比较两个声压的大小，常用声压级(LP)
LP=20logPi/P0（dB）
2 1 Pm 1 2 I CVm 2 C 2
Pm和Vm分别为声压、质点位移速度的最大值
若用它们的有效值P,V表示，
p2 I CV 2 C
声强与声压平方成正比。
声强的单位是瓦/厘米2（W/cm2）或毫瓦/厘米2(mW/cm2)。 总功率：强度与声传播方向垂直的面积的乘积
W IS
超 声
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。
机械波
机械波
电磁波
•都具有一定的传播速度，且与媒质有关； •都能产生反射、折射、干涉和衍射现象；
•电磁波与声波一样不能再真空中传播。
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：
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，
C
小结：

T
f
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
第一节 超声波的基本特性及在生物组织中的传播
一、超声波的基本特性 二、超声场
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
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。
* 在液体和气体纵波波速
C K

G C
K为媒质的体变模量
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
y
λ
x
o
2、周期和频率——反映波动的时间周期性
f＝1 / T
问题：
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。
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：
P CV CV0 sin t
（1）
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（1 u bar=1达因/厘米2）。
*固体媒质横波和纵波的波速
横波 纵波 G为媒质的切变模量
C
E

E为媒质的弹性模量
C

T
f
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？
c
f
1500/ 110 1.5mm
6
即1MHz的超声波在人体软组织中的声波波长为1.5 mm.
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。
P Z V
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 Z为传声媒质的一个物理常数 对于平面波，声阻抗等于介质密度与波速的乘积 特性阻抗的单位为瑞利即rayls, 1rayls = 1g/（cm2.s）
对于血液：
Z C 1.055g / cm3 157000 cm / s 165635 g /(cm2 s) 1.656105 rayls
对于生物软组织，声阻抗率与水的相近，约为1.5*105 rayls
1.5 超声波的产生
压电式超声换能器
磁致伸缩式超声换能器
1.5.2 磁致伸缩式超声换能器
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。
H I t
Ho
I0
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。
一、超声波的基本特性
机械波产生的条件
重点
什么是机械波（与电磁波的区别）
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。
* 在液体和气体纵波波速(不能产生横向的剪切力,故无横波 )
C K

G C
K为媒质的体变模量
*固体媒质横波和纵波的波速
横波 纵波 G为媒质的切变模量
C
E

E为媒质的弹性模量
4、三者关系式
在一个周期中，波前进一个波长，故
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
1.1 超声波的传播速度
速度与媒质的密度和力学弹性有关 速度 频率 波长的关系
1.2 声 压
声压的定义 声压级如何计算
一、超声波的基本特性
1.3 声波的声强
声强的定义及公式
重点
1.4 特性阻抗
特性阻抗的定义及公式
1.5 超声波的产生
压电式及压磁式超声换能器的原理
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 空气 血液 大脑 脂肪 软组织 颅骨 密度（g/cm3） 超声纵波速度 （m/s） 0.00118 1.055 1.038 0.955 1.016 1.658 344.8 1570 1540 1476 1500 3860 特性阻抗 （*105瑞利） 0.000407 1.656 1.599 1.410 1.524 5.571
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