超声医学的物理基础

1、超声医学的物理基础第一节 声波第二节 多普勒效应第三节 超声波及其医学应用第三章 超声物理学基础主要内容:1、了解声学的基本概念： 声速、声压、声阻、声强 等。2、理解声强级和响度级的定义和意义。3、了解多普勒效应、电致伸缩效应、压电效应的作用。4、掌握超声波的特性，了解超声波的医学应用。第一节 声波一、振动：是物体运动的一种形式。 无论宏观还是微观世界都存在振动现象。广义的讲，所有物理量在某平衡点附近，随时间周期性的变化，都称为振动。如机械振动（速度、位移），电磁振动（电压、电流、场强、磁场）。最简单的振动称为简谐振动。1、简谐振动的位移方程：2、简谐振动的特征量： 振幅:A 周期T、频率

2、、角频率 相位（t+ ） 、初相位 第一节 声波二、波动：振动在弹性媒质中的传播产生波动简称波。产生振动的装置称为波源。 波动依赖于媒质传播，因此机械波不能通过真空。电磁波的电场和磁场波动方向垂直，互为传播的媒质，可在真空中传播。1、波动的特点：波源的振动首先诱发媒质中临近质点的振动，媒质中的分子或原子相互作用，诱发振动的质点可看做新波源，并再次引起临近的质点的振动，使波源的振动状态在媒质中传播开，波动只是传播的振动状态，媒质中的质点只是在其平衡位置附近振动，并不随波动移动。2、波动分为：纵波（振动方向与传播方向平行）和横波（振动方向与传播方向垂直）。第一节 声波1、声波：引起人们听觉的机械纵

3、波。2、声波频率范围：20Hz20000Hz，人能听到。3、次声波：低于20Hz，人听不见。波长长，传播距离远。常用于水中作声纳探测或导航。次声对人体有害 。4、超声波：高于20000Hz，人听不见，波长短，传播距离近。医学上用超声做腹腔和肝胆检查，对人体无害。5、声波、次声波、超声波都是机械波，仅频率范围不同，其基本性质一样。 声带振动也产生声波，声波经空气或骨骼传播引起人耳鼓膜共振并刺激听觉神经，产生听觉。听觉具有学习特性，听到的信息传输到大脑，与记忆中的声音特性比较，并对声源做出判断。第一节 声波一、声压和声强（一）声速 声波在媒质中传播时，会引起媒质（介质）中的分子或原子的纵向振动，并

4、依此传递，将声波传播到远处。显然媒质不同，相互作用存在差异，声波的传播速度也不会相同。声波的传播速度简称声速。声速u与媒质的性质（密度、弹性）有关，并受温度影响。在空气中(m/s)：第一节 声波(二)声压与声阻1、声压 P：声波是纵波，声波在媒质中传播时，媒质中各部分时疏时密，各部分的压强相应变化。某一时刻，媒质中有声波传播时的压强与无声波传播时的压强差称为声压。声压的大小周期性变化，其声压幅值Pm为：一、声压和声强2、声阻抗Z：表征媒质传播声波能力的物理量。声波在不同媒质中传播的速度不同，显然，媒质对声波的传播能力不同，即阻碍程度不同。 声阻抗（简称声阻）定义为：第一节 声波 声阻抗与物质密

5、度和波速有关，表示媒质的声学特性。一、声压和声强 物质密度（km-3）声速u(ms-1)声阻抗Z(kgs-1m-2)空气(0)空气水钢脂肪脑肌肉密质骨1.291.21988.27800970102010401700 3313431484505014001530156836004.271024.151021.4810639.391061.361061.561061.631066.12106第一节 声波（三）声强 I 单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。国际单位：声强难以测量，但可通过测量声压和声阻计算。一、声压和声强例：测得某音响设备发出最强声波的声压幅值为8.3Pa，在20时

6、该声波的强度多大？透过面积2m2的窗口的声功率是多少？若声波频率1000Hz，其振幅与质点振动速度幅值各多大？解： 20时空气的声阻抗为：透过窗口的声功率即单位时间内通过窗口的声波能量：声波的角频率 与频率 的关系是 ，第一节 声波（四）声波的反射与折射 声波在传播过程中遇到声阻抗不同的媒质面时，会发生反射和折射现象。其规律如同光波的反射和折射规律。1、反射：声波遇到媒质界面一部分声波返回原媒质。2、折射：另一部分声波穿过界面进入另一媒质并改变传播方向。一、声压和声强3、声强反射系数ir：反射波强度与入射波强度之比。4、声强透射系数it ：透射波强度与入射波强度之比垂直入射时：（五）声波的衰减

7、 沿传播方向，由于媒质的吸收，声波的强度逐渐减弱，其衰减规律按负指数规律衰减。第一节 声波一、声压和声强第一节 声波（六）音乐的特性（1）基音、泛音：声源振动产生单一频率的纯音，乐器振动将产生复杂的声音，称为复音，包含多种频率成分，其中频率最低、振幅最大的纯音为基音，其它频率是基音的整数倍，称为倍频或泛音。（2）音调、响度、音色：人对音乐的主观感觉。基音高低决定音调，声音的强度决定响度，泛音成分决定音色。（3）噪音：引起人们感觉痛苦的声音。噪音影响人的心理和生理健康，甚至造成会造成病理损害。一、声压和声强第二节 声学在医学中的应用一、 听觉（区）域 听觉不仅与频率（2020KHz）有关，还与声

8、强有关。声音足够大时，人耳才能感受到，声音大到一定程度，有痛苦的感觉。1、听阈：引起听觉的最小声强称为听阈。 表示听阈与频率关系的曲线叫听阈曲线，也叫听力曲线。不同频率的声波，听阈值不同，甚至相差悬殊，人耳最敏感的频率为1KHz5KHz，鼓膜的固有频率约为3KHz。 如1KHz的声波听阈值为：2、痛阈：人能承受的最大声强称为痛阈。也可以表达为引起痛觉的最小声强。 不同频率的声波，痛阈值也不完全相同，但频率的影响不大，主要取决于声强。 痛阈约为：3、听觉区域 声强介于听阈 和痛阈 之间的范围。二者相差为1万亿倍。但人耳分辨声音的级别并没有这么高。声音的客观增强与主观感受不成正比关系。第二节 声学

9、在医学中的应用二、声强级和响度级（一）声强级 实验证明：人主观感觉到的声音增强与客观上声音强度增大倍数的对数成正比。物理学上采用对数标度声强等级称为声强级。单位为贝尔（B）单位为分贝（dB） 显然听阈为0dB，痛阈为120dB，听觉分辨率为120个级别。第二节 声学在医学中的应用常见声源的声强级和响度声源 声强级dB响度声源 声强级dB响度 雷、炮 铆钉锤 闹市 警笛 吵闹 120 110 100 90 70震耳极响响 演讲 谈话 病房 耳语 树叶微动 60 50 40 30 10 正常 轻 极轻例： 一台机器产生的噪音，声强级为50dB。再增加一台同样的机器，噪音的声强级增大到多少？解：根据

10、 得一台机器发生噪音的声强为 I1=105I0 ，两台机器发出噪音的声强为2 I1 ，对应的声强级由于声强级是取对数标尺，两个声音叠加时，总声强级不等于两个声音声强级的和 （二）响度：人耳对客观声音强弱的主观感觉程度，响度不仅与声强有关，还与频率有关。 （三）响度级：人耳对不同频率的声音敏感程度不同，同样的声强级，感觉的声音强弱不一定相同，甚至差异很大。为了描述这种差异，将声强级在同一频率下（1000Hz）的感觉分成等级就是响度级，单位为（方）。响度级也分为120个等级。 （四）等响曲线：频率不同的声音，引起同样的感觉就是同一个响度级。第二节 声学在医学中的应用多普勒效应多普勒效应：由于波源或

11、观测者的运动，造成观测频率与波源频率不同的现象1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就注意到了类似的现象，他经过认真的研究，发现波源和观察者互相靠近或者互相远离时，观察到的波的频率都会发生变化，并且做出了解释理论推导假设波源和观测者的运动方向与波传播方向共线波源相对于介质的速度为vs观测者相对于介质的速度为v0波在介质中的传播速度为u波源和观测者观测到的频率分别为v和v波源静止观测者运动相互靠近时相当于波以速度u=u+v0通过观测者，单位时间内通过观测者的完整波数即观测到的频率为相互远离时频率的改变是由于观测者观测到的波数增加或减少造成的 观测者静止波源运动相互靠近时当波源以速

12、度vs向着观测者运动时，由于一个周期T内波源已逼近观测者vsT的距离所以观察到的波长缩短为观测者实际测得的频率为 相互远离时在波源运动情况下，观测频率的改变是由于波长缩短或伸长所致 波源和观测者同时相对于介质运动观测者实际测得的频率为 符号法则：观测者向着波源运动，分子取加号观测者远离波源运动，分子取减号波源向着观测者运动，分母取减号波源远离观测者运动，分母取加号简单记忆：向着结果变大，背离结果变小多普勒效应的应用交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度。基于反射波多普勒效应的原理，雷达系统已广泛地应用于车辆、导弹

13、、人造卫星等运动目标的监测1）解 例1 A、B 为两个汽笛，其频率皆为500Hz，A 静止，B 以60m/s 的速率向右运动. 在两个汽笛之间有一观察者O，以30m/s 的速度也向右运动. 已知空气中的声速为330m/s，求：AOB1）观察者听到来自A 的频率2）观察者听到来自B 的频率3）观察者听到的拍频3） 观察者听到的拍频AOB3）观察者听到的拍频2）观察者听到来自B 的频率 例1 A、B 为两个汽笛，其频率皆为500Hz，A 静止，B 以60m/s 的速率向右运动. 在两个汽笛之间有一观察者O，以30m/s 的速度也向右运动. 已知空气中的声速为330m/s，求：2）解 例2 利用多普

14、勒效应监测车速，固定波源发出频率为 的超声波，当汽车向波源行驶时，与波源安装在一起的接收器接收到从汽车反射回来的波的频率为 . 已知空气中的声速为 ， 求车速 . 解 1）车为接收器2）车为波源车速第三节 超声波 超声波：频率大于20000Hz的机械纵波，是人耳听不见的声波，目前已经能产生频率大于1万亿 Hz的高频超声和功率到几千瓦的高功率超声。 超声波在医学上的应用主要有：超声诊断和超声治疗。 1、诊断应用：B超脏器检查、产前检查、多普勒血流测量等。 2、治疗应用：超声碎石，牙齿清污、药物雾化、理疗等。 超声波除具有声波的一般性质外，还具有其特性。超声波在液体传播距离远，固体中次之，在空气中

15、衰减很快。第三节 超声波 一、超声波的特性和与物质的作用（一）超声波的特性 1、方向性好：超声波频率高，波长短，象光线一样，沿直线传播，能聚焦。 2、强度大、声压大，穿透本领强。 3、超声波遇到不同介质分界面时产生显著反射。第三节 超声波（二）超声波与物质的作用 1、热作用：介质分子剧烈振动，分子间相互作用转化为介质内能，温度升高理疗原理。 2、机械作用：超声波频率高，强度大，声压大。超声波作用于介质，压力发生剧烈变化超声碎石原理。 3、空化作用：液体受超声巨大的声压作用，内部产生湮灭的细微空腔的现象超声雾化原理。第三节 超声波 二、超声波的产生和探测（一）电致伸缩效应：非对称晶体在交变电场的

16、作用下，按电场变化的频率产生伸长与缩短的现象（机械振动）。利用该效应可产生超声波。（二）压电效应：压电晶体受到压力或拉伸作用时，在晶体的两个表面上产生正负电荷的现象。压电效应是电致伸缩效应的逆效应，是机械能转化为电能。利用压电效应可探测超声波。（三）压电晶体既可发射超声波，也可接收超声波。第三节 超声波三、超声波的医学应用 1、超声诊断的优点：超声波主要用于软组织和脏器的检查，能分辨组织声阻抗发生细微的变化，灵敏度高，对人体无损害，属无创伤检查，安全无痛苦。 2、超声诊断仪原理仪器构造：高频信号发生器、探头、显示器、电源。 3、超声诊断仪分类：根据工作方式不同，分为A型超声、B型超声、M型超声

17、心动仪及彩超等。第三节 超声波（一）A型超声诊断仪 A型是单一探头，固定某点发射并接收人体内部回波，以不同幅度、不同位置的波形并在屏幕上显示出来，是幅度调制型，产生一维图像。是其它类型超声仪器的基础。第三节 超声波（二）B型超声诊断仪 基本原理同A型，不同点：第一，B型是辉度调制型，即显示的不是回波信号幅度，而是用回波幅度表示亮度。第二，采用线阵探头，以扫描的方式探查，显示的是二维断层图象。第三节 超声波 （三）M型超声诊断仪 M超调制原理同B超（辉度调制），固定单一探头同A超。不同的是显示方式，光点随时间移动。主要用于检查运动器官，获得动态图像。第三节 超声波（四）超声多普勒血流仪运动的红细胞接收的频率为：探头接收运动的红细胞反射波的频率为：红细胞运动速度为：第三节 超声波（五）