第七章超聲波物理超聲(ultrosound，US)高頻機械波20000Hz～1015Hz人耳感覺不到超聲波20Hz～20000Hz診斷超聲頻率高、波長短、方向性強、能量大、危害小人耳聽閾1MHz(106Hz)～100MHz第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應第七章超聲波物理第一節超聲波的基本性質一、超聲波的分類二、超聲波的產生機制三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應一、超聲波的分類1.按振動形式分縱波橫波氣體、液體、固體固體2.按頻率分(臨床用)低頻超聲1～2.75MHz中頻（常規）超聲3～10MHz高頻超聲12～20MHz超高頻超聲>20MHz3.按發射方式分類連續波脈沖波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應脈沖波一、超聲波的分類第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應連續波正弦等幅波超聲頻率與振幅穩定不變輸出電功率Ue有效電壓電壓峰值的0.707倍R聲源負載阻抗10％左右電功率轉變成聲功率一、超聲波的分類第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應振動持續時間1.5～5S兩個相鄰脈沖前沿相隔時間脈沖寬度T脈沖重復周期(PRP)脈沖波特征量一、超聲波的分類脈沖寬度

T脈沖重復周期Tr間歇期（靜止期）第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應脈沖波特征量每秒內脈沖重復出現的次數Tr+

=Tf脈沖重復頻率(PRF)f=1/T50～2000HzTr

間歇期

(靜止期)相鄰脈沖的間歇時間一、超聲波的分類脈沖寬度

T脈沖重復周期Tr間歇期（靜止期）第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應脈沖波特征量脈沖發射期間最大輸出功率單位時間輸出的功率S=/Tr0.0075％～1％S

占空因子脈沖寬度與靜止期之比W峰峰值功率平均功率一、超聲波的分類脈沖寬度

T脈沖重復周期Tr間歇期（靜止期）W=S·W峰第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應超聲探頭應用壓電式換能法發射和接收超聲波壓電式換能法電磁能量機械振動發射超聲接收超聲二、超聲波的產生機制彈性介質產生超聲波必備條件聲源第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應1.壓電效應機械能轉變成電能超聲接收換能器機械力引起材料內部正負電荷重心相對位移,產生符號相反的表面電荷而產生電場。二、超聲波的產生機制第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.電致伸縮效應電場引起材料內部正負電荷重心相對位移,內部產生應力導致宏觀上的幾何形變。電能轉變成機械能壓電陶瓷超聲發射換能器二、超聲波的產生機制第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應3.壓電材料的選擇壓電效應主要性能參數Tc居里點電疇結構完全解體壓電效應消失的溫度臨界值二、超聲波的產生機制第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應壓電接收常數g壓電片單位形變產生的電位移單位V·m·N-1接收型換能器選擇g大的壓電材料壓電發射常數d電場單位場強而產生的形變發射型換能器選擇d大的壓電材料二、超聲波的產生機制4.壓電效應的主要新能參數第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗固體中傳播縱波

Y楊氏模量G切變模量

介質平均密度橫波1.

聲速(c)單位ms-1超聲單位時間傳播的距離第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應

B

體積彈性模量流體和氣體只能傳播縱波聲速與介質性質有關與頻率基本無關聲速與溫度成正比關系20℃空氣中343ms-1水中1450ms-1骨骼中比軟組織中快3倍以上臨床應用時超聲速度在軟組織中近似取1500ms-1

介質密度三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗1.

聲速(c)第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應020406080100T(℃)c(ms-1)

1550145014001500蒸餾水在標準大氣壓下聲速與溫度變化曲線三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.聲壓(p)壓強瞬時值P與無超聲傳播時壓強值P0

之差超聲介質中傳播介質密度周期性變化瞬時壓強P變化聲壓周期性變化三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.聲壓(p)質點振動速度連續超聲波運動方程質點位移速度幅值vm

=A三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.聲壓(p)聲壓數學表達式儀器顯示有效聲壓pepm

聲壓幅值A

聲振動幅值

介質密度c

波速

聲波圓頻率三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應3.聲強(I)與聲壓關系單位時間內通過單位橫截面積的周期平均能量聲波傳播過程是聲源能量以聲速傳播出去的過程三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應4.聲阻抗(Z)聲壓與聲振動速度之比當聲壓與振動速度同位相時單位瑞利(Rayleigh)(10-1kg·m-2·s-1)聲阻抗與溫度有關三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應血液1.05515701.656血漿1.027______大腦1.03815401.599小腦1.03014701.514脂肪0.95514761.410軟組織（平均值）1.01615001.542肌肉（平均值）1.07415681.684肝1.05015701.648腎___1560___腦積液1.00015221.522顱骨1.65838605.571甲狀腺______1.620-1.660介質名稱密度（103kgm-3）速度（ms-1）聲阻抗(106

Nsm-3)三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應胎體1.02315051.540羊水1.01314741.493胎盤___1541___角膜___1550___水晶體1.13616501.874前房水0.992-1.01214951.486-1.513玻璃體0.992-1.01014951.483-1.510鞏膜___1630___空氣（22℃）0.00118334.80.000407三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應低聲阻的氣體或充氣組織如肺部組織中等聲阻的液體和軟組織如肌肉高聲阻的礦物組織如骨骼人體組織分成三大類三類組織聲阻相差甚大，彼此不能傳播聲波超聲檢測主要適用第二類組織三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應第二類組織中，聲阻抗相差不大，聲速大致相等，又可利用不同類組織間的聲阻抗造成的反射、散射識別不同軟組織與器官的形態和性質。這是超聲成像及讀片的基本物理依據。超聲通過聲阻抗差達到1的介質,可在其交界面上產生發射三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應聲強級單位5.聲強級(LI)與聲壓級(LP)定義聲強級的生理學及物理學依據人耳感覺聲音強弱與聲強對數成正比人耳對聲音感覺的強度范圍甚大比較相差甚大的兩信號聲強比的對數I0

基準聲強

10-12Wm-2貝爾（Bel、B）分貝（dB）1B=10dB聲強級(LI)三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應5.聲強級(LI)與聲壓級(LP)聲壓級聲強正比于聲壓的平方聲壓級與聲強級數值上一樣表現形式不同三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應5.聲強級(LI)與聲壓級(LP)I1

始波強度I2

儀器可探測最小強度臨床用聲強級表示儀器的探測靈敏度w

回波功率S

探頭面積U1、U2輸入、輸出電壓A1、A2聲壓信號幅值(增益)三、聲速、聲壓、聲強與聲阻抗第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應第二節超聲場一、圓形單晶片聲源的超聲場二、聲束的聚焦第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應一、圓形單晶片聲源的超聲場超聲能量空間分布狀態用聲壓分布或聲強分布描述換能器可看成許多微小面積聲源的疊加每個微小聲源的超聲場形狀用惠更斯原理計算超聲場r

任意點至點源距離dS

點源面積k

波數角頻率p0

點源初始聲壓對點源積分可得換能器在空間任意點的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應聲壓幅值分布圓形晶片換能器沿中心法線上聲壓1.超聲場軸線上的聲壓分布p0

晶片表面聲壓幅值超聲波長D

晶片直徑一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應1.超聲場軸線上的聲壓分布近場區內聲壓分布聲場中心軸上聲壓幅值隨聲程x變化而變化，范圍是0～2p0求出聲場中心軸上聲壓最大及最小值觀察近場區內聲壓分布一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應近場區內聲壓分布1.超聲場軸線上的聲壓分布聲壓極小值pm=0此時X位置即聲壓極小值位置一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應物理意義直徑為D圓形晶片，向彈性介質輻射波長超聲波，應有個極小值x不能為負晶片表面聲壓幅值不能為零n取小于的正整數近場區內聲壓分布1.超聲場軸線上的聲壓分布聲壓極小值一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應聲壓極大值pm=2po此時x值位置為聲壓極大值位置近場區內聲壓分布1.超聲場軸線上的聲壓分布一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應物理意義直徑為D圓形活塞聲源向彈性介質輻射波長超聲波，近場有包含0在內的個極大值x不能為負且不能為零m=0公式仍有意義m取包含0在內小于正整數聲壓極大值近場區內聲壓分布1.超聲場軸線上的聲壓分布一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應直徑D愈大愈短頻率愈高n和m取值愈多,近場內聲壓起伏愈大,聲壓分布愈不均勻。一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應直徑D愈大愈短頻率愈高n和m取值愈多,近場內聲壓起伏愈大,聲壓分布愈不均勻。一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應近場區長度用m=0處聲壓極大值的位置來表示L近場長度半徑a愈大，超聲頻率愈高，近場長度L愈長聲學上稱L以內的近場區為菲涅爾(Fresnel)區一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應x

較大A為圓形晶片面積泰勒(Taylor)級數運算得遠場區內聲壓分布聲程x大于近場長度L區域內聲壓呈單值變化一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應一般遠場滿足三角函數性質(很小sin)一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應聲壓P與距離x按反比例減弱P與x反比關系在x>5L時才明顯表現一般遠場滿足三角函數性質(很小sin)聲壓P與距離x按反比例減弱P與x反比關系在x>5L時才明顯表現一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應主瓣

副瓣

20Ｏ

10Ｏ

0Ｏ

10Ｏ

20Ｏ2.超聲場的角分布換能器指向性即描述聲束集中程度聲壓不但隨距離而變=0

聲壓最大在中心軸及其以外的聲壓不均勻分布中心部出現一主瓣，主瓣旁出現許多副瓣。還隨方向角而變表現為主瓣稱主聲束一、圓形單晶片聲源的超聲場單晶片的指向性第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.超聲場的角分布聲壓空間角分布表示r

圓片中心到場點距離

r與軸線間的夾角J1第一類貝塞爾函數一、圓形單晶片聲源的超聲場主瓣

副瓣

單晶片的指向性20Ｏ

10Ｏ

0Ｏ

10Ｏ

20Ｏ第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應Dc

指向性因數距晶片中心距離為r并與聲場中軸線成角處的聲壓與中心軸線上同樣距離r處的聲壓之比超聲強度角分布的相對值當kasin=3.83，7.02，10.17等時J1等于零Dc等于零數值相應的角方向上沒有輻射波一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應半擴散角Dc=0的第一點即kasin=3.83時相應的角度D

圓形晶片直徑主瓣指向角的Franhofer公式越小D越大L越大、θ越小超聲成束性越好d

方形晶片邊長一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應近場內超聲束平行度最高，反射界面與晶片垂直性最好，反射聲強較高，失真度小，但在近場近晶片端，由于發射干擾可存在盲區遠場有聲束擴散，聲束不平行反射聲強較弱，失真度高醫學診斷要求超聲束擴散角在±3.5以下超聲束截面積太大可使超聲橫向分辨力降低一、圓形單晶片聲源的超聲場第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應B為常數二、聲束的聚焦1.超聲聚焦原理聲束寬度限制橫向分辨力使用聲聚焦探頭減小聲束寬度集中治療腫瘤不損壞正常組織聲程x及焦距f大于晶片半徑a(x>a，f>a)聚焦聲束軸上聲壓幅值第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應焦點上聲壓增加到

倍表示聲壓在焦點處上升程度愈短，p上升幅度越高，聚焦效果愈好但焦距f不能比近場長度L小得太多否則焦點后面聲束迅速擴散，無法探測信息(一般f在L附近)。Ｐ值表達式二、聲束的聚焦第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應焦點處超聲強度不得超過安全值為獲得細長聲束，須綜合考慮半徑a、波長和焦距fd的大小影響超聲診斷的橫向分辨力實際應用希望焦點直徑d小，焦距f大，但這是矛盾的a

探頭晶片半徑理想球面透鏡焦點直徑d與波長和焦距f的關系超聲功率小于200Wm-2對人體無害二、聲束的聚焦第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.聲聚焦方法聲透鏡聚焦凹透鏡曲面換能器聚焦晶片型探頭電子聚焦多晶片電子聚焦換能器兩邊延遲時間最小并對稱中央延遲線延遲時間最大由兩邊向中間依次振動形成圓形波陣面圓心即聚焦點二、聲束的聚焦第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應電子聚焦二、聲束的聚焦2.聲聚焦方法第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應改變晶片間相對延遲時間，能改變聲束的方向。對各晶片依次加上線性遞變延遲激勵脈沖，超聲束方向偏轉一個角度，不斷改變這個角度，可得到扇形掃描超聲束，即相控扇形掃描。為提高橫向分辨力，常采用相控陣聚焦方法，用不同超聲換能器實現線性掃描成像、扇形掃描成像及各種復合掃描成像。電子聚焦換能器是B超診斷儀采用的一種換能器。二、聲束的聚焦第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應一、反射與透射二、衍射與散射三、聲波在介質中的衰減規律四、聲波的波形轉換和聲學諧波五、聲波通過介質薄層的特征第三節聲波在介質中的傳播特性第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應聲學中介質是以聲阻抗劃分，聲波介質界面就是聲阻抗不同的介質分界面。在聲學介質中，兩物質物理性質不同，或由不同的原子、分子組成，如果其聲阻抗相同，則認為它們是聲學的同種均勻介質，其間不存在界面。一、反射與透射第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應超聲波傳播遵循幾何聲學原則反射或透射的條件介質聲阻抗界面處突變“不連續”界面線度遠大于聲波波長及聲束直徑直線傳播遇到界面發生反射和透射臨床上反射回聲帶來體內臟器及大界面信息一、反射與透射第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應研究聲波傳播特性基本依據聲壓連續法向速度連續能量守恒界面兩側聲壓相等質點振動速度在垂直界面的分量相等一、反射與透射第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應1.反射系數Z2Z1c1c2rvrprtvtpt反射聲壓pr和入射聲壓pi之比pt

透射聲壓質點振動速度與聲傳播方向相同如圖向下方向定為正兩個連續ivipi一、反射與透射聲壓反射系數第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應結合速度、聲壓與聲阻抗關系聯立導出一、反射與透射1.反射系數第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應聲波垂直入射Z2>>Z1rp≈lZ1>>Z2半波損失全反射且反射波與入射波位相突變Z1=Z2rp=0Z1>Z2rp<0rp≈-1全反射無透射全透射反射波與入射波反相一、反射與透射1.反射系數第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應表7-2在生物介質不同界面超聲垂直入射時的聲壓反射系數一、反射與透射1.反射系數水0.3500.5700.0070.0350.0070.0290.0200.0470脂肪0.3900.6100.0470.0490.0540.0760.067肌肉0.3300.5600.0200.0150.0130.009皮膚0.3200.5600.0290.0060.022腦0.3400.5700.00.028肝0.3200.5500.028血液0.3500.570顱骨0.290名稱熒光樹脂顱骨血液肝腦皮膚肌肉脂肪水查表聲波由水入腦的rＩ＝0.007計算分貝第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應1.反射系數分貝(dB)表示反射聲強與入射聲強之比一、反射與透射聲強反射系數第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.全反射超聲波透射定律rZ2itZ1c1c2vivrvttib如圖cl<c2

透射角隨入射角增大而增大入射角達到b值透射角增大至90入射角大于b值超聲在界面全反射b角稱全反射臨界角一、反射與透射第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.全反射水作探頭與皮膚間夾層，臨界角7630'石蠟油作夾層，臨界角67o10'實際應用中探頭探測角度不超24o全反射現象對超聲診斷無意義，應盡量避免。減少信號強度損失避免產生透射偽像及全反射現象一、反射與透射第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應3.透射系數由聲壓連續和法向速度連續可知衡量超聲在不同介質中透射能量的大小聲壓透射系數如圖一、反射與透射rZ2itZ1c1c2vivrvtpiprpt第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應聲壓透射系數3.透射系數由反射定律可知i=rpr=pt–pi

一、反射與透射rZ2itZ1c1c2vivrvtpiprpt第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應聲壓透射系數3.透射系數聲波垂直入射Z1>>Z2

tP0

超聲強烈反射無透射Z1≈Z2

tP≈1

超聲全部透射Z2>>Z1

tP≈2

駐波現象反射強烈一、反射與透射第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應聲壓透射系數3.透射系數聲波垂直入射超聲在界面反射和透射只有垂直入射聲強才能守恒一、反射與透射第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應二、衍射與散射1.衍射超聲波長與物體尺寸可以比擬甚至更大時，會發生衍射和散射現象

界面或障礙物線度與超波長相近，超聲繞過障礙物傳播聲影聲波不能完全繞過線度較大障礙物其后存在聲波不能達到的空間圖像表現為暗區，是探測不到的盲區第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應1.衍射與波長相仿的病灶探測不到聲波完全繞過與其波長相仿的病灶不形成反射回波不形成病灶輪廊圖像可存在反向散射可判定病灶性質二、衍射與散射第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.散射界面或障礙物線度ｄ小于且接近超聲波波長，傳播方向連續改變。懸浮粒子成為子波源（散射中心）向空間各方向發射散射波（子波）形成干涉空間（散射波場）干擾入射波（入射波與子波相干涉）超聲入射懸浮粒子(塵埃、煙霧、雜質、氣泡等)二、衍射與散射第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.散射散射截面定量描述散射程度W

總散射功率Ii

入射聲強二、衍射與散射第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應3.結論d>>λd<<λd≈λ

散射不明顯，主要是反射、透射，并有聲影散射明顯，散射場強度均勻分布散射聲強與入射波頻率四次方成反比散射場強度分布復雜，表現為角分布聲強與頻率四次方成正比，與距離平方成反比二、衍射與散射第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應三、聲波在介質中的衰減規律1.衰減概念聲波衰減的主要原因擴散衰減

散射衰減吸收衰減聲波聲強隨傳播距離增加而逐漸減弱的現象第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應1.衰減概念S0I0=SI

S=4r2，S0=4r02

擴散衰減

r0rS0SI0I聲波能量分布改變造成的衰減設距離聲源半徑ro的球面So上聲強Io

傳到r處強度I，不考慮介質吸收單位時間內通過波陣面能量相等平方反比定律擴散衰減與波陣面形狀有關，與介質特性無關三、聲波在介質中的衰減規律第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應1.衰減概念散射衰減聲波與散射中心多次相互作用部分聲能轉化為熱能散失介質并不絕對均勻含有雜質成為散射中心同時熱起伏導致介質局部密度變化聲波散射能量損耗聲波與散射中心相互作用生物組織更是一個不均勻介質三、聲波在介質中的衰減規律第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應吸收衰減聲能轉變為熱能、機械能等其它形式能量吸收機制粘滯吸收熱傳導和熱輻射吸收弛豫吸收介質吸收聲能后分子勢能增加一段時間后以聲波形式發射

吸收與聲波頻率關系甚大（f大吸收衰減多）三、聲波在介質中的衰減規律1.衰減概念第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.介質吸收衰減規律聲強吸收系數平行窄束聲波通過無限大均勻介質“平行”“窄束”避開散射、擴散衰減影響積分得薄層dx內強度減少量-dIx=0處強度幅值I0

如圖超聲沿X軸正向傳入均勻介質研究方法超聲波的吸收特性dx

I0Ix=0x三、聲波在介質中的衰減規律第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.介質吸收衰減規律同理聲壓幅值吸收規律兩吸收系數關系p0

起始聲壓p

傳播X距離后聲壓p

聲壓吸收系數聲壓表示聲強吸收三、聲波在介質中的衰減規律第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應3.生物組織主要聲學參數衰減系數吸收衰減系數、散射衰減系數與組織厚度、超聲頻率有關α=βf

β平均吸收系數軟組織對超聲平均衰減系數頻率增加1MHz，傳播距離增加1cm組織對超聲衰減增加0.81dB0.81×dB(cm·MHz)-1三、聲波在介質中的衰減規律第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應3.生物組織主要聲學參數半價層H組織內傳播的超聲波其強度衰減到初始值一半時的距離，單位為cm

?；祉憰r間聲源停止發射后，聲場中某點振動延續時間原因界面間多次反射聲波引起固有振動介質不均勻性引起散射三、聲波在介質中的衰減規律第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應聲束與界面垂直無透射不產生橫波1.聲波類型的轉換縱波以一定角度由液體射入固體產生反射和透射。反射波仍在液體中為縱波；透射波透入固體改變傳方向，與振動方向成一定角度。可分解為垂直分量和平行分量兩類波，即橫波和縱波。介質性質不同透射角度不同，橫波和縱波振幅不同。液體固體縱波縱波原傳播方向振動方向四、聲波的波形轉換和聲學諧波聲波轉換臨床意義由腦組織射入顱骨產生橫波形成偽影第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.聲學諧波基礎

線性聲學中聲速與聲波強度無關，單頻聲波射入靜止介質，回波頻率和入射波一樣。介質不符合線性關系聲波強度很大

精細分析

非線性聲學理論的應用四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.聲學諧波基礎

常見聲學諧波的類型波形的畸變組織諧波氣泡產生的諧波四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.聲學諧波基礎

波形的畸變四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.聲學諧波基礎

波形的畸變頻率越高振幅越大，非線性畸變越大四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.聲學諧波基礎

組織諧波單頻簡諧波在組織中傳播發生非線性畸變時，周期不變，按照傅立葉變換理論，相當于產生頻率為原始頻率整數倍的諧波。x=0幅度為零，x增大幅度增大。深度幅度基波諧波基頻波和諧波隨傳播距離變化規規律四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.聲學諧波基礎

氣泡產生的諧波空化效應超聲液體中傳播聲壓起伏聲壓為負液體汽化產生氣泡穩態空化周期性振動暫態空化劇烈振動四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應氣泡產生的諧波2.聲學諧波基礎

四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應氣泡產生的諧波2.聲學諧波基礎

四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應氣泡產生的諧波2.聲學諧波基礎

氣泡振動是非線性的，包含各種諧波包括入射超聲波的基頻f0

、倍頻（2f0、3f0、4f0…）和次頻成分(

)醫學利用造影劑產生微氣泡獲得諧波進行諧波成像氣泡產生的諧波比組織諧波強的多含有氣泡的介質非線性很強四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應3.反射增強對不同深度回波信號進行不同程度放大,部位越深信號放大倍數越大,使同種均勻介質回波信號強度基本相同。若使軟組織反射信號均勻一致則液體反射信號比入射波強度大,即反射增強。四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應3.反射增強四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應3.反射增強四、聲波的波形轉換和聲學諧波第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應得出聲強透射系數五、聲束通過介質薄層的特征如圖聲波垂直通過厚度d的介質薄層。忽略介質對聲能量吸收，因入射波和反射波疊加各層間聲壓重新分布。IiIt第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應

1.

Z1·Z3>>Z2

如Z2為軟組織間的空氣薄層聲束不能透射五、聲束通過介質薄層的特征第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應相當于聲束垂直通過Z1、Z3

介質薄層消失

2.

d=2/2，2，3/22，…，n2/4

(n不等于零的偶數)，或d<<2五、聲束通過介質薄層的特征第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應相當于兩個介質界面不存在且d為奇數倍3.五、聲束通過介質薄層的特征第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應4.耦合劑(couplinggel)填充厚度極小的耦合劑，相當于聲束垂直通過介質薄層探頭與體表間存在聲阻抗差很大的界面，使超聲波難以進入人體使耦合劑厚度等于奇數倍阻抗值平方等于兩側介質阻抗的乘積可使超聲盡可能完全進入人體五、聲束通過介質薄層的特征第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應4.耦合劑(couplinggel)臨床使用液體石蠟最大透射率是入射強度的四分之三左右超聲從高聲阻探頭射向低聲阻皮膚時應選擇聲阻大小介于探頭與皮膚聲阻之間某一值的耦合劑，這樣可增加超聲的初始透射率。治療用探頭聲阻16.90×105瑞利檢測用探頭聲阻3.20×105瑞利皮膚聲阻1.59×105瑞利五、聲束通過介質薄層的特征第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應第四節多普勒效應二、多普勒效應的數學表示一、聲波的多普勒效應三、頻移信號的采集第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應一、聲波的多普勒現象1842年奧地利數學家和天文學家多普勒效應(Dopplereffect)ChristianJohannDoppler聲源或接收體或兩者同時相對介質運動，接收頻率發生變化1.波源和接收體相對運動發生在兩者連線上f

發射頻率波源相對介質運動的速度u接收體相對介質運動的速度v接收頻率第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.波源與接收體相對運動方向成一定的角度波源相對于介質運動方向與波源和接收體連線的夾角接收體相對于介質運動方向與波源和接收體連線的夾角u·cos

u在連線上的分量v·cos

v在連線上的分量一、聲波的多普勒現象第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應二、多普勒效應的數學表示1.多普勒頻移公式

第一次多普勒頻移被血液顆粒散射超聲波返回接收極血液顆粒作為波源相當接收體運動超聲波射入血液顆粒血液顆粒作為接收體相對波源運動第二次多普勒頻移第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應1.多普勒頻移公式

如圖所示二、多普勒效應的數學表示第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應1.多普勒頻移公式

第一次多普勒頻移第二次多普勒頻移接收體靜止波源運動接收體運動波源靜止二、多普勒效應的數學表示第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應1.多普勒頻移公式

c2>>v2v≠0，I、r≠90f0、c、i、r一定，fd與血流速度

v有關測得fd可求得相應血流速度v若i=r=f與fo存在差頻，即多普勒頻移fd二、多普勒效應的數學表示第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.矢量公式及物理意義

多普勒頻移與入射角和反射角大小密切相關引入矢量表示更為直觀

速度矢量波矢量方向沿聲波傳播方向二、多普勒效應的數學表示第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應2.矢量公式及物理意義

多普勒頻移矢量表示式超聲多普勒技術理論的最基本數學模型分析超聲儀器對速度矢量的檢測靈敏度二、多普勒效應的數學表示第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應二、多普勒效應的數學表示方向與成1800d

負值方向水平軸向流動靈敏度高橫向流檢測不靈敏發射和接受換能器處于血管兩側無法避免有礙聲波傳播的骨骼、氣腔等缺點(a)第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應二、多普勒效應的數學表示方向與成1800d

負值方向水平軸向流動靈敏度高橫向流檢測不靈敏發射和接受換能器處于血管兩側無法避免有礙聲波傳播的骨骼、氣腔等缺點(a)第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應(b)d=0任何方向流速都不靈敏二、多普勒效應的數學表示第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應(b)二、多普勒效應的數學表示d=0任何方向流速都不靈敏第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應(c)軸向流不靈敏垂向流高靈敏度垂直d=0二、多普勒效應的數學表示第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應(c)二、多普勒效應的數學表示軸向流不靈敏垂向流高靈敏度垂直d=0第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳播特性第四節多普勒效應第五節血流動力學效應(d)傾斜既能測定水平流速，也能測定垂直流速發送器、接收器處于同一側且比較接近，可固定在一個換能器中最實用二、多普勒效應的數學表示第一節超聲波物理基本性質第二節超聲場第三節聲波在介質中的傳