超聲波物理特性
- 發(fā)布時間：2016-7-25
聲速
聲速與介質(zhì)的體彈性系數(shù)和密度有關(guān)。由于介質(zhì)的彈性系數(shù)與溫度有關(guān)，因此聲速也與溫度有關(guān)。在超聲診斷的頻段中，人體組織的超聲速度與頻率無關(guān)，而且軟組織中的聲速都很接近，約為1540m/s。
波長、周期和頻率
聲波在介質(zhì)中傳播時，兩個相鄰的同相位點之間的距離，如相鄰兩點稠密部之間的距離（超聲波在人體中一般是以縱波方式傳播），稱為聲波的波長，以λ表示。波向前移動一個波長的距離所需的時間，稱為聲波的周期，以T表示。介質(zhì)中任何一給定點在單位時間內(nèi)通過的波敝，稱為聲波的頻率，以f表示。它們之間的關(guān)系為
λ=C/f=CT
式中為聲波的傳播速度。
醫(yī)學(xué)診斷中采用的超聲波頻率在1-20MHz范圍內(nèi)。
聲阻抗
介質(zhì)中任意點的密度ρ與該點處聲波的傳播速度C之積為此介質(zhì)在該點處的聲阻抗，以Z表示，即Z=ρC。它是表征介質(zhì)的聲學(xué)特性的一個重要物理量。聲阻抗的變化將影響超聲波的傳播。聲阻抗是采用反射回波法進行超聲診斷的物理基礎(chǔ)。
聲壓級與聲強級
聲壓級LP是以分貝表示的某個聲壓P與參考分壓P0的比值，即LP=20lg(P/P0)
聲強級LI是以分貝表示的某個聲強I與參考聲強I0的比值，即LI=10lg(I/I0)
聲強是表示聲的客觀強弱的物理量，它表示通過垂直于傳播方向上單位面積的能流率。聲強為
I=1/2(ρCω02A2)= p02/(2Z)
聲強的單位是mW/cm2或W/m2。
聲強與聲源的振幅有關(guān)，振幅越大，聲強也越大。對于平面超聲波，他的總功率為強度I和面積S的乘積，即W=IS。
由于超聲強度太大會破壞人體正常細胞組織，因其不可逆的生物效應(yīng)。因此，上對診斷用超聲強度安全劑量作出規(guī)定，一般接受的安全劑量為20mW/cm2。
超聲波的指向性
對于平面園片換能器，在無吸收的介質(zhì)中其波束形狀有兩個不同的區(qū)域即園柱形區(qū)和發(fā)散區(qū)或稱為近場區(qū)和遠場區(qū)。近場區(qū)的長度為D2/4λ，D為晶片直徑，λ為該介質(zhì)中傳播的超聲波長。在遠場區(qū)，發(fā)散角由sinθ=1.22λ/D給出。可見，減小直徑可縮短近場長度和增大，即加寬了波束。增加頻率即減小波長時，加長了近場區(qū)，減少了發(fā)散角，可獲得較窄的波束。
聲強度沿中心軸距離的分布，近場區(qū)聲強度有劇烈的起伏變化，存在著許多聲強度為極小值的節(jié)點。這些節(jié)點可引起不希望有的盲點。在遠場區(qū)聲強都變化趨于平穩(wěn)，單隨著距離的增加，聲強逐漸減弱。
超聲波的反射與折射
當一束平面超聲波入射到兩種介質(zhì)交界面上時，或者聲阻抗的不連續(xù)處時，會產(chǎn)生反射和折射，并遵從反射和折射定律。
θI=θR
SinθI/SinθT=C1/C2
超聲波的衰減
超聲在介質(zhì)中傳播，其能量將隨著距離的增加而減小，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。噪聲衰減的因素主要有兩類。一類是聲束本身擴散，使單位面積上的能量下降，或反射，散射的結(jié)果，使能量不能再沿著原來的方向傳播。在這一類事件中，聲波的總能量并沒有減少。另一類是，超聲傳播中，由于介質(zhì)的吸收，將聲能轉(zhuǎn)換成為熱能，因而使聲能減小。著后一類的機理比較復(fù)雜，主要有粘滯吸收；弛豫吸收、相對運動吸收及空化氣泡吸收。
對于給定的頻率的超聲波，其強度和壓強幅度都隨著距離的增大而按指數(shù)規(guī)律下降，可表示為：
I(x)=I0e-2αx
P(x)=P0e-αx
式中α為衰減系數(shù)。α是頻率的函數(shù)。αmm = βfMHz。為常數(shù)。
衰減系數(shù)在很大程度上依賴于頻率。這一點，我們在設(shè)計還是臨床操作上都具有重大影響意義。實驗結(jié)果表明，在醫(yī)學(xué)超聲頻率范圍內(nèi)，人體組織對超聲波的吸收系數(shù)幾乎與超聲波頻率成正比。
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