第七章超聲波物理

1、1第七章 超聲波物理第七章第七章 超聲波物理超聲波物理超聲(ultrosound，US)高頻機(jī)械波20000Hz1015Hz人耳感覺不到超聲波20Hz20000Hz診斷超聲頻率高、波長短、方向性強(qiáng)、能量大、危害小人耳聽閾1MHz(106Hz)100MHz第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性2第七章 超聲波物理第一節(jié) 超聲波物理基本性質(zhì)第二節(jié) 超聲場第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性第四節(jié) 多普勒效應(yīng)第五節(jié) 血流動力學(xué)效應(yīng)第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性第七章第七章 超聲波物理超聲波物理3第七章 超聲波物理第一節(jié) 超聲波的基本性質(zhì)一、超聲波的分類二、超聲波的產(chǎn)生機(jī)制三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在

2、介質(zhì)中的傳播特性4第七章 超聲波物理一、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12.75MHz中頻（常規(guī)）超聲310MHz高頻超聲1220MHz超高頻超聲 20MHz3.按發(fā)射方式分類連續(xù)波脈沖波第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性5第七章 超聲波物理脈沖波一、超聲波的分類第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性6第七章 超聲波物理RUWe2連續(xù)波正弦等幅波超聲頻率與振幅穩(wěn)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(fù)載阻抗10左右電功率轉(zhuǎn)變成聲功率一、超聲波的分類第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性7第七章 超聲波物理振動持續(xù)時(shí)間 1.55S兩個(gè)相鄰脈沖

3、前沿相隔時(shí)間 脈沖寬度T 脈沖重復(fù)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(fù)周期Tr間歇期 （靜止期）第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性8第七章 超聲波物理脈沖波特征量每秒內(nèi)脈沖重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)Tr + =Tf 脈沖重復(fù)頻率(PRF)f =1/T 502000 HzTr 間歇期 (靜止期) 相鄰脈沖的間歇時(shí)間一、超聲波的分類脈沖寬度 T脈沖重復(fù)周期Tr間歇期 （靜止期）第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性9第七章 超聲波物理脈沖波特征量脈沖發(fā)射期間最大輸出功率 單位時(shí)間輸出的功率S= / Tr 0.00751S 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

4、 T脈沖重復(fù)周期Tr間歇期 （靜止期）W=SW峰第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性10第七章 超聲波物理超聲探頭應(yīng)用壓電式換能法發(fā)射和接收超聲波壓電式換能法 電磁能量 機(jī)械振動發(fā)射超聲接收超聲二、超聲波的產(chǎn)生機(jī)制彈性介質(zhì)產(chǎn)生超聲波必備條件聲源第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性11第七章 超聲波物理1.壓電效應(yīng)機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能超聲接收換能器 機(jī)械力引起材料內(nèi)部正負(fù)電荷重心相對位移,產(chǎn)生符號相反的表面電荷而產(chǎn)生電場。二、超聲波的產(chǎn)生機(jī)制第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性12第七章 超聲波物理2.電致伸縮效應(yīng) 電場引起材料內(nèi)部正負(fù)電荷重心相對位移,內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致宏觀上的幾何形變。電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能壓電陶瓷超聲發(fā)

5、射換能器二、超聲波的產(chǎn)生機(jī)制第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性13第七章 超聲波物理3.壓電材料的選擇壓電效應(yīng)主要性能參數(shù)Tc居里點(diǎn)電疇結(jié)構(gòu)完全解體壓電效應(yīng)消失的溫度臨界值二、超聲波的產(chǎn)生機(jī)制第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性14第七章 超聲波物理壓電接收常數(shù) g壓電片單位形變產(chǎn)生的電位移單位 VmN-1接收型換能器選擇 g大的壓電材料壓電發(fā)射常數(shù)d電場單位場強(qiáng)而產(chǎn)生的形變發(fā)射型換能器選擇d大的壓電材料二、超聲波的產(chǎn)生機(jī)制4.壓電效應(yīng)的主要新能參數(shù)第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性15第七章 超聲波物理三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗Yc 固體中傳播縱波 Gc Y楊氏模量 G切變模量 介質(zhì)平均密度 橫波1.

6、聲速(c)單位ms-1超聲單位時(shí)間傳播的距離第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性16第七章 超聲波物理Bc B 體積彈性模量流體和氣體只能傳播縱波聲速與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)與頻率基本無關(guān)聲速與溫度成正比關(guān)系20空氣中 343 ms-1水 中 1450 ms-1骨骼中比軟組織中快3倍以上臨床應(yīng)用時(shí)超聲速度在軟組織中近似取1500ms-1 介質(zhì)密度三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗1. 聲速(c)第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性17第七章 超聲波物理0 20 40 60 80 100 T () c (ms-1) 1550 1450 1400 1500蒸餾水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下聲速與溫度變化曲線三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三

7、節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性18第七章 超聲波物理2.聲壓(p)壓強(qiáng)瞬時(shí)值P與無超聲傳播時(shí)壓強(qiáng)值 P0 之差超聲介質(zhì)中傳播介質(zhì)密度周期性變化瞬時(shí)壓強(qiáng)P變化聲壓周期性變化三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性19第七章 超聲波物理2.聲壓(p)(coscxtAy2)(cos)(sinmcxtcxtAtyvv質(zhì)點(diǎn)振動速度連續(xù)超聲波運(yùn)動方程質(zhì)點(diǎn)位移速度幅值 vm =A三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性20第七章 超聲波物理2.聲壓(p)2)(coscxtcAp2)(cosmcxtppcApm2mppe聲壓數(shù)學(xué)表達(dá)式儀器顯示有效聲壓 pepm 聲壓幅值A(chǔ) 聲振

8、動幅值 介質(zhì)密度c 波速 聲波圓頻率三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性21第七章 超聲波物理3.聲強(qiáng)(I)cAI2221cpcpIem222與聲壓關(guān)系單位時(shí)間內(nèi)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(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性22第七章 超聲波物理4.聲阻抗(Z)cZ聲壓與聲振動速度之比當(dāng)聲壓與振動速度同位相時(shí)單位 瑞利(Rayleigh)(10-1kgm-2s-1)聲阻抗與溫度有關(guān)三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性23第七章 超聲波物理血液 1.055 1570 1.656血漿 1

9、.027 _ _大腦 1.038 1540 1.599小腦 1.030 1470 1.514脂肪 0.955 1476 1.410 軟組織（平均值） 1.016 1500 1.542肌肉（平均值） 1.074 1568 1.684肝 1.050 1570 1.648 腎 _ 1560 _腦積液 1.000 1522 1.522 顱骨 1.658 3860 5.571甲狀腺 _ _ 1.620-1.660介質(zhì)名稱 密度（103kgm-3） 速度（ms-1） 聲阻抗(106 Nsm-3 ) 三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性24第七章 超聲波物理胎體 1.023 1505

10、1.540羊水 1.013 1474 1.493胎盤 _ 1541 _角膜 _ 1550 _水晶體 1.136 1650 1.874前房水 0.992-1.012 1495 1.486-1.513玻璃體 0.992-1.010 1495 1.483-1.510鞏膜 _ 1630 _空氣（22） 0.00118 334.8 0.000407三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性25第七章 超聲波物理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

11、、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性26第七章 超聲波物理 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(tài)和性質(zhì)。這是超聲成像及讀片的基本物理依據(jù)。超聲通過聲阻抗差達(dá)到1的介質(zhì),可在其交界面上產(chǎn)生發(fā)射三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性27第七章 超聲波物理)dB(lg100IILI聲強(qiáng)級單位5.聲強(qiáng)級(LI)與聲壓級(LP) 定義聲強(qiáng)級的生理學(xué)及物理學(xué)依據(jù)l人耳感覺聲音強(qiáng)弱與聲強(qiáng)對數(shù)成正比l人耳對聲音感覺的強(qiáng)度范圍甚大比較相差甚大的兩信號聲強(qiáng)比的對數(shù)I0 基準(zhǔn)聲強(qiáng) 10-12Wm-2貝爾（

12、 Bel、 B） 分貝（dB） 1B=10dB聲強(qiáng)級(LI)三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性28第七章 超聲波物理5.聲強(qiáng)級(LI)與聲壓級(LP)0lg20ppLppILppZpZpIIL02020lg20/lg10lg10 聲壓級聲強(qiáng)正比于聲壓的平方聲壓級與聲強(qiáng)級數(shù)值上一樣表現(xiàn)形式不同三、聲速、聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性29第七章 超聲波物理5.聲強(qiáng)級(LI)與聲壓級(LP)21lg10IIH SwI112122212121lg20lg10lg10/lg10UUUUwwSwSwH21lg20AAH I1 始波強(qiáng)度I2 儀器可探測最小強(qiáng)度臨床用

13、聲強(qiáng)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(qiáng)與聲阻抗第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性30第七章 超聲波物理第二節(jié) 超 聲 場一、圓形單晶片聲源的超聲場二、聲束的聚焦第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性31第七章 超聲波物理dSkrtrpdpps)cos(10一、圓形單晶片聲源的超聲場超聲能量空間分布狀態(tài)用聲壓分布或聲強(qiáng)分布描述換能器可看成許多微小面積聲源的疊加每個(gè)微小聲源的超聲場形狀用惠更斯原理計(jì)算超聲場r 任意點(diǎn)至點(diǎn)源距離dS 點(diǎn)源面積k 波數(shù) 角頻率p0 點(diǎn)源初始聲壓對點(diǎn)源積分可得換能器在空間任意點(diǎn)的超聲場第三節(jié)

14、聲波在介質(zhì)中的傳播特性32第七章 超聲波物理)sin()4(sin2220DtxxDpp)4(sin2220 xxDppm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三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性33第七章 超聲波物理1.超聲場軸線上的聲壓分布近場區(qū)內(nèi)聲壓分布)4(sin2220 xxDppm聲場中心軸上聲壓幅值隨聲程x變化而變化，范圍是02 p0求出聲場中心軸上聲壓最大及最小值觀察近場區(qū)內(nèi)聲壓分布一、圓形單晶片聲源的超聲場第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性34第七章 超聲波物理近場區(qū)內(nèi)聲壓分布1.超聲場

15、軸線上的聲壓分布l聲壓極小值nxxDsin)4(sin22pm=0)4(sin2220 xxDppmnnDxx8)2(22min此時(shí)X位置即聲壓極小值位置nxxD)4(22一、圓形單晶片聲源的超聲場第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性35第七章 超聲波物理Dn2物理意義直徑為D圓形晶片，向彈性介質(zhì)輻射波長超聲波，應(yīng)有個(gè) 極小值x不能為負(fù)晶片表面聲壓幅值不能為零0)2(22nDD2n 取小于的正整數(shù)Dn2nnDxx8)2(22min近場區(qū)內(nèi)聲壓分布1.超聲場軸線上的聲壓分布l聲壓極小值一、圓形單晶片聲源的超聲場第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性36第七章 超聲波物理l聲壓極大值)212sin()4(sin

16、22mxxD)212()4(22mxxD) 12(4) 12(222maxmmDxxpm=2po此時(shí)x值位置為聲壓極大值位置近場區(qū)內(nèi)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三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性37第七章 超聲波物理0) 12(222mD2Dm2D物理意義直徑為D圓形活塞聲源向彈性介質(zhì)輻射波長 超聲波，近場有包含0在內(nèi)的 個(gè)極大值x不能為負(fù)且不能為零m=0 公式仍有意義m 取包含0在內(nèi)小于 正整數(shù)l聲壓極大值近場區(qū)內(nèi)聲壓分布1.超聲場軸線上的聲壓分布2Dm一、圓形單晶片聲源的超聲場第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性38第七章 超聲波物理直徑D愈大愈短 頻率愈高n和m 取

17、值愈多,近場內(nèi)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三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性39第七章 超聲波物理直徑D愈大愈短 頻率愈高n和m 取值愈多,近場內(nèi)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三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性40第七章 超聲波物理4)0(22maxDxLaDx22max4)0(2aL 22D近場區(qū)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(xué)上稱L以內(nèi)的近場區(qū)為菲涅爾(Fresnel)區(qū)一、圓形單晶片聲源的超聲場第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性41第七章 超聲波物理)41(sin2220 xxDxp

18、pm1422xDxAxxDx12)41(22x 較大)12sin(20 xAppmA為圓形晶片面積泰勒(Taylor)級數(shù)運(yùn)算得遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi)聲壓分布聲程x大于近場長度L區(qū)域內(nèi)聲壓呈單值變化一、圓形單晶片聲源的超聲場第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性42第七章 超聲波物理一般遠(yuǎn)場滿足三角函數(shù)性質(zhì)(很小 sin)一、圓形單晶片聲源的超聲場第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性xApxApxAppm1122)12sin(2000聲壓P與距離x按反比例減弱P與x反比關(guān)系在x5L時(shí)才明顯表現(xiàn)43第七章 超聲波物理一般遠(yuǎn)場滿足三角函數(shù)性質(zhì)(很小 sin)聲壓P與距離x按反比例減弱P與x反比關(guān)系在x5L時(shí)才明顯表現(xiàn)一、圓形

19、單晶片聲源的超聲場第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性xApxApxAppm1122)12sin(200044第七章 超聲波物理主瓣 副瓣 20 10 0 10 202.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(xiàn)一主瓣，主瓣旁出現(xiàn)許多副瓣。還隨方向角而變表現(xiàn)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三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性45第七章 超聲波物理2.超聲場的角分布sin)sin(210kakaJrApp 聲壓空間角分布表示rAprAppm112200r 圓片中心到場點(diǎn)距離 r與軸線間的夾角J1 第一類貝塞爾

20、函數(shù)一、圓形單晶片聲源的超聲場主瓣 副瓣 單晶片的指向性20 10 0 10 20第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性46第七章 超聲波物理sin)sin(2)0 ,(),(1kakaJrprpDcDc 指向性因數(shù)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2cD超聲強(qiáng)度角分布的相對值當(dāng)kasin=3.83，7.02，10.17等時(shí)J1等于零Dc等于零數(shù)值相應(yīng)的角方向上沒有輻射波一、圓形單晶片聲源的超聲場第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性47第七章 超聲波物理aaka61. 0sin)2(83. 3sin83. 3sin1111D22. 1sin1 半擴(kuò)散角Dc=0的第

21、一點(diǎn)即kasin=3.83時(shí)相應(yīng)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、越小超聲成束性越好d1sind 方形晶片邊長一、圓形單晶片聲源的超聲場第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性48第七章 超聲波物理 近場內(nèi)超聲束平行度最高，反射界面與晶片垂直性最好，反射聲強(qiáng)較高，失真度小，但在近場近晶片端，由于發(fā)射干擾可存在盲區(qū)遠(yuǎn)場有聲束擴(kuò)散，聲束不平行反射聲強(qiáng)較弱，失真度高醫(yī)學(xué)診斷要求超聲束擴(kuò)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三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性49第七章 超聲波物理)1 ()1 (2sin20fxfxxfBppfa

22、B2B為常數(shù)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(xa，fa)聚焦聲束軸上聲壓幅值第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性50第七章 超聲波物理焦點(diǎn)上聲壓增加到 倍Bpp02aL fLB 表示聲壓在焦點(diǎn)處上升程度B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(diǎn)后面聲束迅速擴(kuò)散，無法探測信息 ( 一般 f 在L附近 )。faB2fx f值表達(dá)式二、聲束的聚焦第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性51第七章 超聲波物理焦點(diǎn)處超聲強(qiáng)度不得超過安全值為獲得細(xì)長聲束，須綜合考慮半徑a、波長和焦距

23、 fd 的大小影響超聲診斷的橫向分辨力實(shí)際應(yīng)用希望焦點(diǎn)直徑d小，焦距f大，但這是矛盾的afd2 . 1a 探頭晶片半徑理想球面透鏡焦點(diǎn)直徑 d 與波長 和焦距 f 的關(guān)系超聲功率小于200 Wm-2對人體無害二、聲束的聚焦第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性52第七章 超聲波物理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(shí)間最小并對稱中央延遲線延遲時(shí)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(diǎn)二、聲束的聚焦第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性53第七章 超聲波物理電子聚焦二、聲束的聚焦2.聲聚焦方法第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性54第七章 超聲波物

24、理 改變晶片間相對延遲時(shí)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(lì)脈沖，超聲束方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，不斷改變這個(gè)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(shí)現(xiàn)線性掃描成像、扇形掃描成像及各種復(fù)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、聲束的聚焦第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性55第七章 超聲波物理一、反射與透射二、衍射與散射三、聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波五、聲波通過介質(zhì)薄層的特征第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性56第七章 超聲波物理 聲學(xué)中介質(zhì)是以聲阻抗劃分，聲

25、波介質(zhì)界面就是聲阻抗不同的介質(zhì)分界面。在聲學(xué)介質(zhì)中，兩物質(zhì)物理性質(zhì)不同，或由不同的原子、分子組成，如果其聲阻抗相同，則認(rèn)為它們是聲學(xué)的同種均勻介質(zhì)，其間不存在界面。一、反射與透射第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性57第七章 超聲波物理超聲波傳播遵循幾何聲學(xué)原則反射或透射的條件介質(zhì)聲阻抗界面處突變 “不連續(xù)”界面線度遠(yuǎn)大于聲波波長及聲束直徑直線傳播遇到界面發(fā)生反射和透射臨床上反射回聲帶來體內(nèi)臟器及大界面信息一、反射與透射第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性58第七章 超聲波物理tppprittrriicoscoscosvvv研究聲波傳播特性基本依據(jù)聲壓連續(xù)法向速度連續(xù)能量守恒界面兩側(cè)聲壓相等質(zhì)點(diǎn)振動速度在

26、垂直界面的分量相等一、反射與透射第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性59第七章 超聲波物理tripppttrriicoscoscosvvv1. 反射系數(shù)Z2Z1c1c2 rvrpr tvtpt反射聲壓pr和入射聲壓pi之比pt 透射聲壓質(zhì)點(diǎn)振動速度與聲傳播方向相同如圖 向下方向定為正兩個(gè)連續(xù) ivipi一、反射與透射聲壓反射系數(shù)第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性60第七章 超聲波物理)coscos()coscos(2t1rr2t1iiZZpZZpt12t1i2rpcoscoscoscos)(riZZZZppr結(jié)合速度、聲壓與聲阻抗關(guān)系聯(lián)立導(dǎo)出一、反射與透射1. 反射系數(shù)第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性61

27、第七章 超聲波物理1212irpZZZZppr聲波垂直入射Z2Z1rplZ1Z2半波損失全反射且反射波與入射波位相突變Z1=Z2rp= 0Z1Z2rp0rp-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(shù)第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性62第七章 超聲波物理表7-2在生物介質(zhì)不同界面超聲垂直入射時(shí)的聲壓反射系數(shù)一、反射與透射1. 反射系數(shù) 水 0.350 0.570 0.007 0.035 0.007 0.029 0.020 0.047 0 脂肪 0.390 0.610 0.047 0.049 0.054 0.076 0.067 肌肉 0.330 0.560 0.020 0.

28、015 0.013 0.009 皮膚 0.320 0.560 0.029 0.006 0.022 腦 0.340 0.570 0.0 0.028 肝 0.320 0.550 0.028 血液 0.350 0.570 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 r0.007計(jì)算分貝dBLI43007. 0lg20第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性63第七章 超聲波物理1. 反射系數(shù)2p2ir12i12rirI)(2/2/rPPZPZPIIrp2priIlg20)1lg(10lg10rrIIL分貝(dB)表示反射聲強(qiáng)與入射聲強(qiáng)之比一、反射與透射聲強(qiáng)反

29、射系數(shù)第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性64第七章 超聲波物理2. 全反射21tisinsincc21o90sinsinccb)(sin211ccb 超聲波透射定律 rZ2 i tZ1c1c2vivrvt t ib如圖clZ2 tP0 超聲強(qiáng)烈反射無透射Z1Z2 tP1 超聲全部透射 Z2 Z1 tP2 駐波現(xiàn)象 反射強(qiáng)烈 一、反射與透射第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性69第七章 超聲波物理聲壓透射系數(shù)3. 透射系數(shù)2p2112i22titI)(/tZZZpZpIIt2r2t1i212I)coscos(cos4ZZZZt22112I)(4ZZZZt聲波垂直入射 超聲在界面反射和透射只有垂直入射聲強(qiáng)才

30、能守恒一、反射與透射第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性70第七章 超聲波物理二、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(shí)，會發(fā)生衍射和散射現(xiàn)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(dá)到的空間圖像表現(xiàn)為暗區(qū)，是探測不到的盲區(qū)第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性71第七章 超聲波物理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(zhì)二、衍射與散射第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性72第七章 超聲波物理2.散射界面或障礙物線度小于且接近超聲波波長，傳播方向

31、連續(xù)改變。懸浮粒子成為子波源（散射中心）向空間各方向發(fā)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(zhì)、氣泡等)二、衍射與散射第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性73第七章 超聲波物理2.散射)(2imIW 散射截面定量描述散射程度W 總散射功率Ii 入射聲強(qiáng)二、衍射與散射第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性74第七章 超聲波物理3.結(jié)論ddZ2 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(zhì)薄層的特征第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性98第七章 超聲波物理1)2(cos22d0)2(sin22d23131I)(4ZZZZt相當(dāng)于聲束垂直通過Z

32、1、Z3 介質(zhì)薄層消失 2. d =2/2，2，3/22，n2/4 (n 不等于零的偶數(shù))，或d v2v0，I 、r90f0、c、i、r一定，fd與血流速度 v有關(guān)測得fd可求得相應(yīng)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(yīng)的數(shù)學(xué)表示r22roricos)cos)(cos(coscos2vvvvvcccfccf第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性109第七章 超聲波物理)c(f)cf(iorcos1cos1vv)(1)(1iiorrkfkfvv2.矢量公式及物理意義 f2 kc2k多普勒頻移與入射角和反射角大小密切相關(guān)引入矢量表示更為直觀v 速度矢量k波矢量方向沿聲波傳

33、播方向二、多普勒效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性110第七章 超聲波物理2.矢量公式及物理意義 )iiirrrk(f)k(fovv)(21)(21iirrkkvv)(irirdkkv多普勒頻移矢量表示式超聲多普勒技術(shù)理論的最基本數(shù)學(xué)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(yīng)的數(shù)學(xué)表示第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性111第七章 超聲波物理二、多普勒效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示irkk方向與成1800d負(fù)值irkk方向水平軸向流動靈敏度高橫向流檢測不靈敏v發(fā)射和接受換能器處于血管兩側(cè)無法避免有礙聲波傳播的骨骼、氣腔等缺點(diǎn)(a)第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性112第七章 超聲波物理二、多普勒

34、效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示irkk方向與成1800d負(fù)值irkk方向水平軸向流動靈敏度高橫向流檢測不靈敏v發(fā)射和接受換能器處于血管兩側(cè)無法避免有礙聲波傳播的骨骼、氣腔等缺點(diǎn)(a)第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性113第七章 超聲波物理(b)0irkkd =0任何方向流速都不靈敏二、多普勒效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性114第七章 超聲波物理0irkk(b)二、多普勒效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示d =0任何方向流速都不靈敏第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性115第七章 超聲波物理(c)軸向流不靈敏垂向流高靈敏度irkkv垂直d =0二、多普勒效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性116第七章 超聲波物理(c

35、)二、多普勒效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示軸向流不靈敏垂向流高靈敏度irkkv垂直d =0第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性117第七章 超聲波物理irkk(d)傾斜既能測定水平流速，也能測定垂直流速發(fā)送器、接收器處于同一側(cè)且比較接近，可固定在一個(gè)換能器中最實(shí)用二、多普勒效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性118第七章 超聲波物理(d)二、多普勒效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示irkk傾斜既能測定水平流速，也能測定垂直流速發(fā)送器、接收器處于同一側(cè)且比較接近，可固定在一個(gè)換能器中最實(shí)用第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性119第七章 超聲波物理三、頻移信號的采集1.血流方向的判定odcos2fcfv血流朝向超聲探頭為v的正方向，相

36、反為負(fù)方向v值代入公式，得出fd值 (正值或負(fù)值)超聲多普勒根據(jù)fd正負(fù)值判別血流方向血管v第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性120第七章 超聲波物理三、頻移信號的采集2.最大頻移信號的取得第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性進(jìn)行超聲多普勒檢查時(shí)，為了獲得最大的頻移信號，超聲束和血流方向盡可能的平行i=r=0。但這樣增加了衰減損耗，實(shí)際應(yīng)用取i=r=45。)(irirdkkvfd與超聲束和血流方向夾角余弦成正比, 聲束與血流方向平行時(shí)，多普勒頻移為最大正值，隨兩者夾角的增大，fd逐漸減小 121第七章 超聲波物理三、頻移信號的采集3.測量高速血流第三節(jié) 聲波在介質(zhì)中的傳播特性測量高速血流盡可能選用低頻探頭odcos2fcfvfd大小與發(fā)射頻率f0成正比，與聲速c成反比fd一定