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1、超声基础知识一． 超声波的定义及其特性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。频率范围在20～20000Hz内的波称为可听声波,频率范围在20Hz内的波称为次声波,频率范围在2×104～108Hz的波称为超声波,频率范围在108～1012Hz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。可见，整个声波频谱是比较宽的，其中只有可听声波才能为人耳所听到，而次声、超声、特超声虽然属于声波却不能为人耳所察觉。在自然界存在着多种多样的超声波,如某些昆虫和哺乳动物就能发出超声波,又如
2、风声、海浪声、喷气飞机的噪声中都含有超声波成分。在医学诊断上所使用的超声波是由压电晶体一类的材料制成的超声探头产生的。眼科方面所使用的超声频率在5～15MHz范围内,心和腹部所使用的超声频率在2～10MHz范围内。2.超声波的特性超声波和可听声波一样,也是一种机械波,它是由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。
3、与普通声波(可闻波)相比,超声波具有许多特性,其中最突出的有:①由于超声波的频率高,因而波长很短,它可以像光线那样沿直线传播,使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波;②由超声波所引起的媒质微粒的振动,即使振幅很小,加速度也非常大,因此可以产生很大的力量。超声波的这些特性,使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日益广泛的应用。例如,我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群、暗礁、潜水艇等。在工业上,则可以用超声波来检测金属内部的气泡、伤痕、裂隙等缺陷。在医学领域则可以用超声波来灭菌、清洗,更重
4、要的用途是做成各种超声波治疗和诊断仪器。二． 超声波的物理基础振动是声学的基础，只有声源的振动才能发射出声波。超声波与普通声波一样，是振动在弹性介质中的传播。因此机械振动源和弹性介质是超声波产生的物理基础。机械振动中最简单的形式是一个自由度振动系统，如图2-1，一个弹簧振子，质量元件的质量为m，置于无摩擦的表面上，弹簧的弹性系数为k。如果系统具有一初始位移量，则必然有一个弹性力使系统产生振动。根据虎克定律，弹性力Fk=-kξ。即是说，在弹簧的弹性限度内，弹性力Fk的变化与位移量的变化成正比，弹性力的方向与位
5、移方向相反。2-1弹性质点振动系统在振动过程中，它只是自身做能量的转换，由势能转化为动能。在平衡位置处，动能最大，势能为零；在最大振幅处，势能最大，动能为零。对于无阻尼的自由振动来说，振子的势能和动能的和保持恒定值，所以孤立质点的振动不会发生能量的传递。但是，在连续的弹性介质中，当某一质点受到外界作用而在其平衡位置做机械振动时，通过质点间的弹性力作用，就会把这个振动传给与它相邻的质点，使后者也在自己的平衡位置附近振动，如此继续下去，机械振动就在整个媒质中传播开来。换句话说，机械振动的能量在弹性介质中传播开来
6、，这就形成机械波。如超声波，由超声换能器产生振动，引起接触器的振动，接触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。由此可见，获得超声波要有两个条件：（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媒质，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。三． 超声波的分类1、按质点振动方向和波传播方向的关系分类相对于波的传播方向，质点的振动方向可以不同。纵波是质点的振动方向与波的传播方向相
7、同的波。例如音叉在空气介质中振动所产生的声波,空气介质中的质点沿水平方向振动,振动的方向与声波的传播方向一致,传播时介质的质点发生疏密的变化。纵波可以在固体、液体、气体介质中传播。横波是质点振动方向与波的传播方向垂直的波。一个典型的例子便是软绳上的波,我们不妨把软绳看成密集质点的集合,如果不断地摆动软绳的一头,则一系列的横向振动的波就由绳子的左端向右端移去,而绳上各质点并不随波的传播方向移去,只是在各自的平衡位置附近作横向(剪切形式)的振动。不能在液体及气体介质中传播,这是因为液体和气体无切变弹性。2-2波
8、的传递2、按波阵面的形状分类波从波源出发，在介质中向各个方向传播。在某一时刻介质中周相相同的各点组成的面为波面。显然波面有无数个，最前面的一个波面也就是波源最初振动状态传播的各点组成的面，通常又叫波阵面。波面有各种形状，波面为平面的波称为平面波，波面为球面的波称为球面波，波面为柱面的波称为柱面波。2-3平面波球面波柱面波平面波对于研究问题来说最为简单，超声诊断中，探头发射的超声波在近场可视为平面波，在远场可视为球
