河南科技大学教案-----《医学超声学基础》
第二章 医学超声的物理基础
超声波是一种机械波，机械振动与波动是医学超声的物理基础。 它是由弹性介质中的质点受到机械力的作用而发生周期性振动产生的。
依据质点振动方向与波的传播方向的关系，超声波亦有纵波和横波之分。由超声诊断仪所发射的超声波，在人体组织中是以纵波的方式传播的。就是因为人体软组织基本无切变弹性，横波在人体组织中不能传播。
§2.1 超声波的一般概念 一、 机械振动与机械波
宇宙中的一切物质，大至宏观天体，小至微观粒子都处于一定的运动状态，振动和波动是物质运动的基本形式之一。
物体的机械振动是产生波的源泉，波的频率取决于物体的振动频率。 （一） 机械振动
物体沿着直线和曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。
一切发声物体的运动及超声波源的运动等则是人们难以觉察到的振动现象。
物体（或质点）受到一定力的作用，将离开平衡位置，产生一个位移，该力消失后，由于弹性作用，它将回到其平衡位置，并且还有越过平衡位置移动到相反方向的最大位移位置，然后再返回平衡位置。这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振动”。
振动是往复、周期性的运动，振动的快慢常用振动周期和频率两个物理量来描述。 （二）机械波
振动的传播过程，称为波动。 波动分为机械波和电磁波两大类。
机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波。 交变电磁场在空间的传播过程，称为电磁波。
介质包括各种状态的物质，可以是弹性介质（液体、气体或固体）也可以是非弹性媒质；
弹性介质传播机械波的机理可用图2-1加以说明。弹性介质是由许多很小的微粒（称为质点）所组成，质点间由弹
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性力相互联系着，恰似由小弹簧联系在一起。
当外力F作用于质点A时，A就会离开平衡位置，这时A周围的质点将对A产生弹性力使A回到平衡位置。当A回到平衡位置时，具有一定的速度，由于惯性，A不会停在平衡位置，而会继续向前运动，并在相反方向离开平衡位置。这时A又会受到反向弹性力，使A又回到平衡位置，产生振动。与此同时，A周围的质点也会受到大小相等方向相反的弹性力的作用，使它们离开平衡位置，并在各自的平衡位置附近振动。
图2-1 物质的弹性模型
当介质中的一个质点开始振动后，在弹性力的作用下，就会带动临近质点振动，临近质点又带动更远的质点振动。这样依次带动，就把振动以一定的速度由近及远地传播出去，形成了波动，形成了机械波。
产生机械波必须具备以下两个条件：
（1）一个做机械振动的物体，以持续的提供能量，即波源或振源；
（2）必须有能传播这种振动的弹性介质，固体、流体、气体都是弹性介质，都可以传播超声波，真空中没有介质存在，所以不能传播机械波，包括超声波。
振动和波动是互相关联的，振动是产生波动的根源，波动是振动状态的传播。
应当注意，在波的传播过程中，波动中介质各质点并不是随波前进，只是以交变的振动速度在各自的平衡位置附近往复运动，传播的是波源的振动状态。
波动过程是振动过程的传播过程，也是振动能量的传播过程。但这种能量的传播不是靠物质的迁移来实现的，也不是靠相邻质点的弹性碰撞来完成的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传递出去的。
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如由超声诊断仪所发射的超声波，由超声换能器产生振动，引起耦合剂的振动，耦合剂的振动又引起人体皮肤、脂肪及内脏的振动，超声波能量就这样进入了人体。 （三）超声波的基本物理量 1、声速
声波在弹性介质中单位时间内传播的距离,称为声速。用符号c表示，单位为m／s(米／秒) 或千米/秒（km/s）。声波的传播过程实质上是能量的传递过程,它不仅需要一定时间,而且其传递速度的快慢还与介质的密度、弹性以及波动的类型有关。
波速完全由介质的性质（弹性或惯性）来确定。
对于液体、气体中的纵波（波速纵向传播的平面波），其声速为
c?B?
式中: B——介质的体积弹性模量；
ρ——介质密度（惯性）。
又由于弹性模量与温度有关,因而声速还受温度的影响。 例如,空气的温度在0℃时,声速为332m/s,气温每升高1℃,则声速增加0.6m/s,至15℃时,则为341m/s。 2、周期和频率
介质中的质点在平衡位置往返振动1次所需要的时间叫周期，用T表示，单位是秒（s）；在1s的时间内完成振动的次数称为频率,用f表示,单位为Hz。常用单位为赫兹（Hz），1 Hz =1次/秒。此外还有千赫（kHz）、兆赫（MHz）。1kHz=103Hz，1 MHz=106 Hz。
周期与频率成互为倒数关系，即：
f=1／T
超声诊断常用的频率范围在0.8～15MHz之间，而最常用的为2.5～10MHz。 3、波长
在一个周期内，声波所传播的距离就是一个波长，用λ表示。对于纵波，等于两相邻密集点(或稀疏点)间的距离,如图2-2(a)所示；对于横波，则是从一个波峰(或波谷)到相邻波峰(波谷)的距离，如图2-2(b)所示。
波源或介质中任意一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离，波长的常用单位为毫米（mm），米（m）。 由波速、波长和频率的定义可得
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c=λf
或 ??f
由上式可知，当频率一定时，声速愈大，波长就愈大；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。
c
图2-2 波长的定义
（四）次声波、可听声波和超声波
次声波、可听声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，它们的主要区别在于频率不同。
人们日常所听到的各种声音，是由于各种声源的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜引起耳膜振动，牵动听觉神经，产生听觉。
但并不是任何频率的机械振动都能引起听觉，只有当频率在一定的范围内的振动才能引起听觉。
人们把能引起听觉的机械波称为可听声波，频率在20~20000Hz之间。
频率低于20Hz（1／10000Hz～20Hz）的机械波称为次声波。自然界中一些偶发事件，如大火山爆发或流星爆炸所产生的次声波。
频率范围在2×10 4 ～10 8 Hz的波称为超声波,频率范围在10 8 ～10 12 Hz的波称为特超声波。
次声波、可听声波、超声波、特超声波统称声波。
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