第一篇 超声应用基础及前景
第一章 超声应用基础概述
第一节 超声基础知识
一、超声波的定义
声音是介质中传播的机械振动。频率高于20kHz的声振动人耳不能感知，称为超声，具有声波的物理特性。
二、声波的类型
1.纵波
质点振动的方向与波的传播方向一致的波称为纵波。纵波在介质内传播，介质发生周期性的压缩和拉伸，形成交替的疏（负压）、密（正压）周期变化（图1-1-1-1）。
2.横波
质点振动的方向与波的传播方向垂直的波称为横波。横波在介质内传播，介质发生周期性交替的剪切应变。因此，横波又称剪切波。液体和气体没有切变弹性，因此只能传播纵波，而不能传播横波。
3.连续波
周期和振幅都固定的无间隙波称为连续波。
4.脉冲波
波间有时间间隔的非连续性波称为脉冲波。超声成像几乎都使用脉冲波。
图1-1-1-1 正弦波示意图
三、超声波常用物理参量
1.周期
声波完成一次振动（一个波长）所需要的时间（t）。
2.频率
声波在1秒内完成周期性变化的次数，称为频率，单位是赫兹（Hz）。
3.波长
声波在一个振动周期内传播的距离，称为波长。
4.振幅
介质质点振动离开平衡位置最大位移。
5.声压
声波传播时，介质中的压力（P）与静压力（P0）的差值称为声压（p）。单位：帕斯卡（Pa）。即
p=P-P0
声波使介质压缩或伸张，导致介质内压强相对于静压强的周期性变化，即声压正、负周期性交替。
6.声强
单位时间内与声传播方向相垂直的单位面积所通过的平均声能量，称为声强（I）；单位为毫瓦每平方厘米（mW/cm2）。自由平面波或者球面波在传播方向的声强为：
式中：p为有效声压；ρ0为介质密度；c为声速。
7.声功率
声源在单位时间内发射出的总能量，单位：瓦（W）。
在声学领域，声源功率（W）或声压（P）与基准声功率（Wref）或声压（Pref）的比值用分贝（dB）标量。其计算是基于声功率级或声压级，分别为：
（1）声功率级= 10×lg
（2）声压级=20×lg
注意：二者的数值有所不同。
8.脉冲波的物理量
（1）脉冲频率（PF）：
单个声脉冲波本身固有的频率。
（2）脉冲重复周期（PRP）：
一个脉冲开始发射到下一个脉冲开始发射所需要的时间。
（3）脉冲重复频率（PRF）：
单位时间内发射的脉冲数，与脉冲重复周期互为倒数。
（4）脉冲持续时间：
脉冲波所占的时间或脉冲宽度，简称“脉宽（pulse width）”，单位为ms。
（5）空间脉冲长度（SPL）：
单个脉冲波所占用的空间长度。
（6）脉冲间隙时间：
两个相邻脉冲波的间隔时间，简称“脉间（interpulse）”。
（7）占空比：
单个脉冲持续时间所占脉冲重复周期的比率。
（8）频带：
探头发射的声频率通常包含多个频率，称为频带。
（9）频带宽度：
简称“带宽（band width）”。一个脉冲波所包括的频率范围称带宽。
根据频谱分析［傅里叶变换（Fourier transform）］，声脉冲越长，其带宽越窄；连续波只有一个频率。
四、超声波的传播
1.声速
单位时间内声波在介质中传播的距离，称为声波的传播速度，简称“声速（c）”；单位为米每秒（m/s）。不同介质中，超声的传播速度不同（表1-1-1-1），在人体软组织中的平均传播速度为1 540m/s。
c等于波长（λ）与频率（f）的乘积，即
c = λf
可见，同一频率的超声波，在不同介质中传播，其波长会不同。
表1-1-1-1 人体组织、空气及水的声学参量
2.声特性阻抗
用于标量介质的声学特性；单位为帕斯卡秒每米（Pa·s/m）。其值等于介质的密度和声速的乘积，即
Z = ρ0c
式中Z为声特性阻抗，ρ0为介质密度，c为声速。
人体组织的声特性阻抗见表1-1-1-1。
3.反射、折射和透射
反射是声波在两种不同声学特性阻抗介质传播时在界面发生返回原介质的现象，当声波入射角超过一定角度（临界角）时可发生全反射；折射是因介质中声速的变化而引起声传播方向改变的现象；透射是声波穿过界面继续传播的现象。
声波pi以入射角θi斜射到由介质Ⅰ和介质Ⅱ构成的平滑界面上，若介质Ⅰ和介质Ⅱ的声特性阻抗分别为Z1、Z2，那么反射波pr、反射角θr、折射波pt、折射角θt的几何关系如图1-1-1-2。
（1）反射定律：
声波倾斜入射时，入射角等于反射角（θi=θr）。即声波的反射定律。
（2）折射定律：
入射角的正弦与折射角的正弦之比等于介质的折射率，即
，其中n称为介质的折射率。
声束由声速快的介质进入声速慢的介质（c1 > c2），折射角小于入射角（θt < θi）；反之，则θt > θi。
声波垂直入射，即入射角θi = 0，那么反射角θr = 0，折射角θt = 0。
4.散射
是指声波在介质中遇到界面线度小于波长的散射体时，产生朝各个方向辐射声波的现象，称为散射。将沿入声束返回的散射称为背向散射。
图1-1-1-2 斜入射声波的反射、折射和透射示意图
5.衰减
超声波在介质内传播的过程中，由于介质的黏滞性、热传导性、分子吸收以及散射等原因导致声能逐渐减小的现象称为衰减。频率越高，衰减越严重。导致超声衰减的原因主要有：
（1）扩散：
由于声波传播空间的扩大而引起的单位面积声能减少。
（2）散射：
因散射体导致声波向不同方向散射而减弱的现象。
（3）吸收：
声波机械振动引起介质内摩擦转化为热能而被介质吸收的现象。
6.非线性传播
超声在传播的过程中，由于声压正负变化对介质的压缩和拉伸，使对称的正弦波逐渐畸变为锯齿波（图1-1-1-3）。按傅里叶变换原理，这种畸变波形相当于以正弦波为基波（f0），再叠加两倍（2f0）、三倍（3f0）等数倍于基波频率的谐波（harmonic wave）。其中以2f0谐波的强度较大，称为二次谐波（second harmonic）。
正弦波传播过程中畸变为锯齿波，含有多个频率（包括为基波整数倍的谐波频率）。
图1-1-1-3 非线性传播示意图
7.多普勒效应
因声源与接收器相对运动而使声频率发生改变的现象称为多普勒效应（Doppler effect）。频率变化的大小称为频移（图1-1-1-4），频移的大小与相对运动的速度成正比。
图1-1-1-4 多普勒效应
当发射频率为f0的声源以速度（V）朝向接收者运动时，接收到的频率增加（f1）；背向接收者运动时，接收到的频率减低（f2）。f2 < f0 < f1。
五、声波传播的惠更斯原理
声源发出的超声波在各向同性的均匀介质中传播，被激发质点产生的振动都可以视为新声源（子波）。由子波到达的各质点所连成的包络构成新的波阵面，称波前。如图1-1-1-5所示，波前的法线方向就是波的传播方向。这一规律称为惠更斯原理（Huyghens principle）。波前为平面的称为平面波；波前为球面的称为球面波。
从图1-1-1-5可见，控制振动源的激发顺序和时间就可以使超声波束向不同方向和角度偏转，实现声束的扇形扫描和电子聚焦。
图1-1-1-5 惠更斯原理示意图
A.平面波若各个振动源同时振动，波前（波阵面）平行于振源组连线，传播方向与振源组连线垂直；B.一组振动源1~8的依次延迟Δt激发振动，振源1~8发出的振动波的传播距离都依次相差c·Δt，将各子波到达的振动质点连接，其波阵面及传播方向如图，传播方向偏转，偏转角度的大小取决于延迟时间（Δt）的长短；C.与B相似，若振源8最先振动，振源1最后振动，波阵面及传播向反方向偏转。