超声波物理基础

超声波物理基础

冀敏复旦大学物理系超声波物理基础前言第一节超声波基本概念第二节超声波的一般性质第三节超声波与物质的作用第四节超声波的产生与探测前言

1793年意大利生物学家斯帕拉捷通过对蝙蝠的飞行观察而发现超声波.1917年法国物理学家Langevin研制出超声发射器,并用于航海.1922年德国最早获超声治疗专利.1946年Firstone提出A型诊断技术

英国唐纳德医生首先把超声应用于产科诊断.1949年第一次医学超声波学术国际会议.

前言1950年获得脑肿瘤反射波1952年开始B型超声研究,1956年D型超声研究1958年我国第一台超声诊断仪在上海诞生,复旦大学附属中山医院内科医生徐智章,上海市第六人民医院周永昌提出并参与研究.(A型)1967年适时B型超声诊断仪诞生第一节超声波的基本概念

1超声波的频率:20KHz—500MHz.机械纵波

医用超声频率:2MH—5MH,与声波传播速度相同.

可产生声压,声压幅值

Pm=ρc

ωΑ

媒质的声阻抗:Z=ρc(软组织Z=1.524×105瑞利)3超声波的强度I(与机械波强度定义相同)

超声波强度与振幅的平方成正比,与频率的平方成正比.

强度I=ρc

ω2Α2

/2

第二节超声波的性质一.超声波的一般性质

在媒质中传播时:

产生反射,折射,干涉,衍射现象

两媒质交界面处-反射强度与入射强度的关系:

Ir=(z2-z1/z2+z1)2Ii

折射强度与入射强度的关系:It=4z2z1Ii/(z2+z1)2

第二节超声波的性质二.超声波的特性

1方向性好

因频率高波长短,衍射现象不明显,易定向发射

2强度大(或能量密度大)

与频率有关,穿透性较强功率:几百瓦----几千瓦声压:可达数千大气压;高能量超声治癌.碎石

3声阻抗差较大的两媒质界面反射能量大使用时在人体表面涂耦合剂的作用?

空气中的吸收比在液体或固体中大得多(不显示肺)

4穿透能力随频率增大而减小?第三节超声波与物质的作用一.超声波的衰减规律

I=I0e-2μx

(μ为媒质的声衰减系数,x为在媒质中传播厚度)

μ=(2π2ν2/C3)[(3η/ρ)+K(1-1/γ)/ρ]

μ与频率平方成正比,与声速的3次方成反比.*频率越大衰减越快.所以探察深部组织时需用较低声频.*声速越快,在媒质中衰减越慢.第三节超声波与物质的作用二.超声波与物质作用的微观机制

1.黏滞吸收

2.热传导吸收

3.驰豫吸收

三.超声波与物质相互作用的效应1.机械作用

媒质中粒子做高频机械振动,其加速度可达g的几十万~几百万倍,强烈的机械动能破坏物质的力学结构.粉碎细胞.引起组织化学性质改变.

可用于切割,搅拌,钻孔,清洗,乳化.等,2.空化作用

产生在液体中.因纵波引起液体疏密变化.液体局部被拉断形成空腔,当此处为正声压时,空腔迅速闭合,瞬间产生局部高压,高温和放电现象.此作用用于清洗,雾化,乳化,促进化学反应等.空化作用可破坏组织.3.热作用

因媒质吸收的部分超声能量转化为热量,引起媒质温度升高的现象.4.超声的生物作用

适当能量:*对生物大分子;*对细胞;*对人体组织(升温,增加血管通透性和促进血液循环,增强细胞代谢功能和活力,消炎镇痛)

较高能量:细胞生长受到抑制,分子键断裂,生物组织坏死等安全剂量:声强值10-40mW/cm2,与照射时间也有关.

第四节超声波的产生和探测一.超声波的产生

(一)压电效应

1压电晶体

压电材料(如石英,钛酸钡,硫酸锂等)掺杂配方,在1200-1600度高温绝缘油中加3500-6000v/m的电场中极化30分钟,缓慢冷却除去电场.形状一般为半圆片状,厚度为超声波的半波长.2压电效应

当压电晶体两面受压或受拉厚度变化时,晶体两表面分别出现等量异号电荷的现象.(拉力或压力越大,两表面间电压也越大)3逆压电效应

若把某一规律的交变电压加在晶体两表面上,两表面就会做相应规律的机械振动,此现象即---.

(二)超声波的产生与探测1.超声波的产生

利用逆压电效应把超声频交变电压>压电晶体>>机械振动>>超声波2.超声波的探测

利用正压电效应

超声波>>机械振动>>压电晶体>>产生交变电压超声波的发射和探测可以共用同一探头.怎样工作呢?