《物理診斷學(xué)》 二、超聲的物理特性

（一）超聲場特性：超聲在介質(zhì)內(nèi)傳播的過程中，明顯受到超聲振動(dòng)影響的區(qū)域稱超聲場。超聲場具有以下特點(diǎn)：如果超聲換能器的直徑明顯大于超聲波波長，則所發(fā)射的超聲波能量集中成束狀向前傳播，這現(xiàn)象稱為超聲的束射性（或稱指向性）。換能器近側(cè)的超聲波束寬度與聲源直徑相近似，平行而不擴(kuò)散，近似平面波，該區(qū)域稱近場區(qū)。近場區(qū)內(nèi)聲強(qiáng)分布不均勻。近場區(qū)以外的聲波以某一角度擴(kuò)散稱遠(yuǎn)場區(qū)。該區(qū)聲波近似球面向外擴(kuò)散，聲強(qiáng)分布均勻，但逐漸減弱，換能器的頻率愈高，直徑愈大，則超聲束的指向性越好、其能量越集中（圖15-1-1）。近場距離，遠(yuǎn)場擴(kuò)散角與換能直徑及頻率的關(guān)系如公式所示：

L0=r2f/C　sinθ=1.22λ/D

式中L0為近場距離，r為換能器半徑，f為頻率，C為聲速、 θ為半擴(kuò)散角、D為換能器直徑，λ為超聲波波長。

L0近場區(qū) θ半擴(kuò)散角 D聲源直徑

（二）超聲的反射與散射

1.聲阻抗：介質(zhì)的密度與超聲在介質(zhì)中傳播速度的乘積稱聲阻抗。聲阻抗值一般為固體>液>氣體。

超聲在密度均勻的介質(zhì)中傳播，不產(chǎn)生反射和散射。當(dāng)通過聲阻抗不同的介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的交界面上產(chǎn)生反射與折射或散射與繞射。

2.反射、折射與透射：凡超聲束所遇界面的直徑大于超聲波波長（稱大界面）時(shí)，產(chǎn)生反射與折射。成角入射，反射角等于入射角，反射聲束與入射聲束方向相反（圖15-1-2A）。垂直入射時(shí)，產(chǎn)生垂直反射與透射（圖15-1-2B）。反射聲強(qiáng)取決于兩介質(zhì)的聲阻差異及入射角的大小。垂直入射時(shí)，反射聲強(qiáng)最大。反射聲能愈強(qiáng)則折射或透射聲能愈弱。進(jìn)入第二介質(zhì)的超聲繼續(xù)往前傳播，遇不同聲阻抗的介質(zhì)時(shí)，再產(chǎn)生反射，依次類推，被檢測的物體密度越不均勻，界面越多，則產(chǎn)生的反射也愈多。

圖15-1-1超聲波的指向性

L近場區(qū) θ半擴(kuò)散角 D聲源直徑

3.散射與繞射：超聲在傳播時(shí)，遇到與超聲波波長近似或小于波長（小界面）的介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生散射與繞射。散射為小介質(zhì)向四周發(fā)散超聲，又成為新的聲源（圖15-1-2、C）繞射是超聲繞過障礙物的邊緣，繼續(xù)向前傳播（圖15-1-2、D）。散射回聲強(qiáng)度與超聲入射角無關(guān)。

圖15-1-2超聲波的反射與散射

A.成角入射時(shí)反射與折射。B.垂直入射時(shí)反射與透射C.散射。D.繞射。

（三）超聲衰減：超聲在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，聲強(qiáng)逐漸減弱，這種現(xiàn)象稱為超聲的衰減。引起衰竭的主要原因是介質(zhì)對(duì)超聲的吸收（粘滯吸收及熱傳導(dǎo)吸收）。超聲頻率愈高，介質(zhì)的吸收愈多；其次為能量的分散如反射、折射、散射等。使原傳播方向上的能量逐漸減弱。

（四）多普勒效應(yīng)：聲源和接收體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體在單位時(shí)間內(nèi)收到的振動(dòng)次數(shù)（頻率），除聲源發(fā)出者外，還由于接收體向前運(yùn)動(dòng)而多接收到（距離/波長個(gè)）振動(dòng)，即收到的頻率增加了。相反，聲源和接收體作背離運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體收到的頻率就減少，這種頻率增加和減少的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)（圖15-1-3）。

圖15-1-3多普勒效應(yīng)