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1、-_超聲基礎部分1.何謂超聲波?診斷用超聲波是如何產生的?人耳能感知的聲波頻率范圍為20—20000Hz。低于20Hz者稱為雌聲波,高于20000Hz者稱為超聲波。醫(yī)用診斷用超聲波的范圍多在1—15MHz。超聲波是機械波。可由多種能量通過換能器轉變而成。醫(yī)用超聲波是由壓電晶體(壓電陶瓷等)產生。壓電晶體在交變電場的作用下發(fā)生厚度的交替改變,即機械振動。其振動頻率與交變電場的變化頻率相同。當電場交變電頻率等于壓電晶片的固有頻率時其電能轉換為聲能(電—聲)效率最高,即振幅最大。壓電晶體只有兩種可逆的能量轉變效應。上述在交變電場的作用下,由電能
2、轉換為聲能,稱為逆壓電效應。相反,在聲波機械壓力交替變化的作用下,晶體變形而表面產生正負電位交替變化,稱壓電效應。超聲探頭(換能器)中的壓電晶片,在連接電極電壓交替變化的作用下產生逆壓電效應,稱為超聲發(fā)生器;而在超聲波機械壓力下產生壓電效應,又成為超聲波接收器。這是超聲波產生和接收的物理學原理。2.超聲波物理特性及其在介質中傳播的主要物理量有哪些?它們之間有何關系?(1)頻率(frequency):質點單位時間內振動的次數稱為頻率(f)。(2)周期(cycle):波動傳播一個波長的時間或一個整波長通過某一點的時間(T)。(3)波長(wav
3、elength):聲波在同一傳播方向上,兩個相鄰的相位相差2π的質點間的距離為波長(λ)。(4)振幅(amplitude):振動質點離開平衡位置的最大位移稱振幅,或波幅(A)。(5)聲速(velocityofsound,soundvelocity):單位時間內,聲波在介質中傳播的距離稱聲速(C)。介質不同,超聲在介質中的聲速度也不同,但是在同一介質中,診斷頻段超聲波的聲速可認為相同。聲波在介質中的傳播速度與介質的彈性系數(k)和介質密度(ρ)有關。其聲速與k和ρ比值的平方根成正比,即式中C為聲速,E為楊式模量。根據物理學意義,c、f、T、
4、λ之間有下列關系:f=1/T,c=λf=λ/T,λ=c/f超聲在人體軟組織(包括血液、體液)中的聲速約為1540m/s;骨與軟骨中的聲速約為軟組織中的2.5倍;而在氣體中的聲速僅為340m/s左右。近年來的研究發(fā)現(xiàn),不僅離體組織與活體組織有較大的聲速差別,而且使用不同的固定溶液、固定速度也常影響聲速。此外,聲速尚與組織溫度有關。通常,非脂肪組織的聲速隨溫度上升而增快,脂肪組織的聲速隨溫度上升而減慢。當脂肪組織由20o升到40o時,聲速可下降15%之多。在進行精細的研究工作時,這些因素必須予以注意。(6)超聲能量與能量密度:當超聲波在介質中
5、傳播時,聲波能到達之處的質點發(fā)生機械振動和位移。前者產生動能而后者產生彈性勢能。動能和勢能之和組成波動質點的總能量。也即超聲波的能量。聲波在介質中傳播的過程,也是能量在介質中傳遞的過程。設介質的密度為ρ,聲波傳播到的質點體積元為△V,其位移為x,△V將鞠有的動能為Wk,產生的勢能為Wp。則:Wk=Wp=1/2ρA2ω2(△V)sin2ω(t-x/c)△V具有的總能量為:W=Wk+Wp=ρA2ω2(△V)sin2ω(t-x/c)從表達式中可以看出超聲波傳播過程中總能量傳遞方式為:①介質振動質點的動能和勢能隨時間同時發(fā)生周期性變化。②振動質點
6、以獲得能量又向下一質點放出(傳遞)能量的方式傳遞聲波。-_在超聲波的傳播中,表示單位體積介質中所具有的能量稱為能量密度(w)。即:w=△w/△V=ρA2ω2sin2ω(t-x/c)由前所述可知,w也時隨時間而變化的。在一個周期中,其平均值為:w=1/2ρA2ω2(單位:焦耳/厘米3,J/cm3)即平均能量密度與振幅的平方、角頻率的平方和介質密度成正比。因此,在能量密度一定的情況下,,介質密度越小,振幅越大。(7)聲壓:聲壓指聲波在介質中傳播時,介質單位截面積所產生的壓力變化,也即介質中有聲波傳播時的壓強與無聲波傳播時的壓強之差。根據聲波傳
7、播的特點,聲壓也周期性變化于正常值與負值之間,一個振動周期的聲壓為:Pm=ρCAω(單位:N/cm2)即聲強與介質密度(ρ)、振動幅度(A)、振動速度(ω)和傳播速度(C)成正比。(8)聲強與聲強級別(分貝):超聲波在介質中傳播時,單位時間內通過與傳播方向垂直的單位面積的能量,稱為超聲強度,簡稱聲強(I)。單位為瓦/厘米2(W/cm2,mW/cm2)。聲強與聲場中的能量密度(w)和超聲傳播速度(C)成正比,即:I=ρCA2ω2/2也即聲強與振幅的平方、角頻率的平方、介質的密度成正比。聲強可以小到每平方厘米數維瓦,也可以大到每平方厘米數千瓦
8、。人耳對聲強變化的分辨能力較差,聲強每增加10倍,人耳主觀感覺只增加1倍。為了解決聲強很大差別在表示中的不便,在時間應用中,一般采用聲強的自然數來表示聲強的級別,稱其為聲強級(L),單位為貝爾