第七章-超声波物理

1第七章超声波物理第七章超声波物理超声(ultrosound，US)高频机械波20000Hz～1015Hz人耳感觉不到超声波20Hz～20000Hz诊断超声频率高、波长短、方向性强、能量大、危害小人耳听阈1MHz(106Hz)～100MHz第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应2第七章超声波物理第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应第七章超声波物理3第七章超声波物理第一节超声波的基本性质一、超声波的分类二、超声波的产生机制三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应4第七章超声波物理一、超声波的分类1.按振动形式分纵波横波气体、液体、固体固体2.按频率分(临床用)低频超声1～2.75MHz中频（常规）超声3～10MHz高频超声12～20MHz超高频超声20MHz3.按发射方式分类连续波脉冲波第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应5第七章超声波物理脉冲波一、超声波的分类第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应6第七章超声波物理RUWe2连续波正弦等幅波超声频率与振幅稳定不变输出电功率Ue有效电压电压峰值的0.707倍R声源负载阻抗10％左右电功率转变成声功率一、超声波的分类第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应7第七章超声波物理振动持续时间1.5～5S两个相邻脉冲前沿相隔时间脉冲宽度T脉冲重复周期(PRP)脉冲波特征量一、超声波的分类脉冲宽度T脉冲重复周期Tr间歇期（静止期）第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应8第七章超声波物理脉冲波特征量每秒内脉冲重复出现的次数Tr+=Tf脉冲重复频率(PRF)f=1/T50～2000HzTr间歇期(静止期)相邻脉冲的间歇时间一、超声波的分类脉冲宽度T脉冲重复周期Tr间歇期（静止期）第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应9第七章超声波物理脉冲波特征量脉冲发射期间最大输出功率单位时间输出的功率S=/Tr0.0075％～1％S占空因子脉冲宽度与静止期之比W峰峰值功率平均功率一、超声波的分类脉冲宽度T脉冲重复周期Tr间歇期（静止期）W=S·W峰第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应10第七章超声波物理超声探头应用压电式换能法发射和接收超声波压电式换能法电磁能量机械振动发射超声接收超声二、超声波的产生机制弹性介质产生超声波必备条件声源第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应11第七章超声波物理1.压电效应机械能转变成电能超声接收换能器机械力引起材料内部正负电荷重心相对位移,产生符号相反的表面电荷而产生电场。二、超声波的产生机制第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应12第七章超声波物理2.电致伸缩效应电场引起材料内部正负电荷重心相对位移,内部产生应力导致宏观上的几何形变。电能转变成机械能压电陶瓷超声发射换能器二、超声波的产生机制第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应13第七章超声波物理3.压电材料的选择压电效应主要性能参数Tc居里点电畴结构完全解体压电效应消失的温度临界值二、超声波的产生机制第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应14第七章超声波物理压电接收常数g压电片单位形变产生的电位移单位V·m·N-1接收型换能器选择g大的压电材料压电发射常数d电场单位场强而产生的形变发射型换能器选择d大的压电材料二、超声波的产生机制4.压电效应的主要新能参数第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应15第七章超声波物理三、声速、声压、声强与声阻抗Yc固体中传播纵波GcY杨氏模量G切变模量介质平均密度横波1.声速(c)单位ms-1超声单位时间传播的距离第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应16第七章超声波物理BcB体积弹性模量流体和气体只能传播纵波声速与介质性质有关与频率基本无关声速与温度成正比关系20℃空气中343ms-1水中1450ms-1骨骼中比软组织中快3倍以上临床应用时超声速度在软组织中近似取1500ms-1介质密度三、声速、声压、声强与声阻抗1.声速(c)第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应17第七章超声波物理020406080100T(℃)c(ms-1)1550145014001500蒸馏水在标准大气压下声速与温度变化曲线三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应18第七章超声波物理2.声压(p)压强瞬时值P与无超声传播时压强值P0之差超声介质中传播介质密度周期性变化瞬时压强P变化声压周期性变化三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应19第七章超声波物理2.声压(p))(coscxtAy]2)(cos[)(sinmcxtcxtAtyvv质点振动速度连续超声波运动方程质点位移速度幅值vm=A三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应20第七章超声波物理2.声压(p)]2)(cos[cxtcAp]2)(cos[mcxtppcApm2mppe声压数学表达式仪器显示有效声压pepm声压幅值A声振动幅值介质密度c波速声波圆频率三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应21第七章超声波物理3.声强(I)cAI2221cpcpIem222与声压关系单位时间内通过单位横截面积的周期平均能量声波传播过程是声源能量以声速传播出去的过程三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应22第七章超声波物理4.声阻抗(Z)cZ声压与声振动速度之比当声压与振动速度同位相时单位瑞利(Rayleigh)(10-1kg·m-2·s-1)声阻抗与温度有关三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应23第七章超声波物理血液1.05515701.656血浆1.027______大脑1.03815401.599小脑1.03014701.514脂肪0.95514761.410软组织（平均值）1.01615001.542肌肉（平均值）1.07415681.684肝1.05015701.648肾___1560___脑积液1.00015221.522颅骨1.65838605.571甲状腺______1.620-1.660介质名称密度（103kgm-3）速度（ms-1）声阻抗(106Nsm-3)三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应24第七章超声波物理胎体1.02315051.540羊水1.01314741.493胎盘___1541___角膜___1550___水晶体1.13616501.874前房水0.992-1.01214951.486-1.513玻璃体0.992-1.01014951.483-1.510巩膜___1630___空气（22℃）0.00118334.80.000407三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应25第七章超声波物理低声阻的气体或充气组织如肺部组织中等声阻的液体和软组织如肌肉高声阻的矿物组织如骨骼人体组织分成三大类三类组织声阻相差甚大，彼此不能传播声波超声检测主要适用第二类组织三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应26第七章超声波物理第二类组织中，声阻抗相差不大，声速大致相等，又可利用不同类组织间的声阻抗造成的反射、散射识别不同软组织与器官的形态和性质。这是超声成像及读片的基本物理依据。超声通过声阻抗差达到1的介质,可在其交界面上产生发射三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应27第七章超声波物理)dB(lg100IILI声强级单位5.声强级(LI)与声压级(LP)定义声强级的生理学及物理学依据人耳感觉声音强弱与声强对数成正比人耳对声音感觉的强度范围甚大比较相差甚大的两信号声强比的对数I0基准声强10-12Wm-2贝尔（Bel、B）分贝（dB）1B=10dB声强级(LI)三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应28第七章超声波物理5.声强级(LI)与声压级(LP)0lg20ppLppILppZpZpIIL02020lg20//lg10lg10声压级声强正比于声压的平方声压级与声强级数值上一样表现形式不同三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应29第七章超声波物理5.声强级(LI)与声压级(LP)21lg10IIHSwI112122212121lg20lg10lg10//lg10UUUUwwSwSwH21lg20AAHI1始波强度I2仪器可探测最小强度临床用声强级表示仪器的探测灵敏度w回波功率S探头面积U1、U2输入、输出电压A1、A2声压信号幅值(增益)三、声速、声压、声强与声阻抗第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应30第七章超声波物理第二节超声场一、圆形单晶片声源的超声场二、声束的聚焦第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应31第七章超声波物理dSkrtrpdpps)cos(10一、圆形单晶片声源的超声场超声能量空间分布状态用声压分布或声强分布描述换能器可看成许多微小面积声源的叠加每个微小声源的超声场形状用惠更斯原理计算超声场r任意点至点源距离dS点源面积k波数角频率p0点源初始声压对点源积分可得换能器在空间任意点的超声场第一节超声波物理基本性质第二节超声场第三节声波在介质中的传播特性第四节多普勒效应第五节血流动力学效应32第七章超声波物理)sin()]4(sin[2220DtxxDpp)]4(sin[2220xxDppm声压幅值