第五章 超声波成像 第一节 超声波的物理性质,第一节 超声的物理特性,人耳朵感知的声音范围： 20Hz-20kHz超声： 20KHz 次超声： 100MHZ高频超声,一、物理特性,两种介质声阻抗Z不同必有有传播介质直线传播,反射,当一束平面声波到达声阻抗Z不同的两种介质的大界面（即界面宽度远大于声束直径），且界面尺寸远大于波长时，在两介质的界面上发生反射。,全反射,随着入射角逐渐增大，折射角也增大，若入射角大于某一临界角时，折射角增大至90度，此时声音在介质分界面上全部反射称为全反射。,折射,当超声束倾斜入射到声阻抗不同的两种介质大界面时，因声速发生变化而引起声束通过界面后前进方向改变的现象，称为折射。 Sina/sinb=c1/c2,投射,声波垂直入射或倾斜入射到两种介质的界面上时，有部分能量穿过介质界面进入下一介质中的现象称为投射。,衍射,声音传播过程中，遇到界面或障碍物的线径与声波波长相近时，声音会绕过这一界面或障碍物的边缘，几乎无阻碍地向前传播，只在界面或障碍物的后面留下一点声影的现象叫衍射。,散射,界面 障碍物,四、超声多普勒现象, （一）多普勒效应 （Doppler effect）：声源、接收器、介质之间存在相对运动时，接收器接收到的频率与声源发射的频率之间出现差异现象。,多普勒频移（Doppler shift）：变化的频移fd。所有的波动过程都可能产生多普勒效应。,多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴约翰多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。,主要内容为： 物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。,在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 （蓝移 blue shift）；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 （红移 red shift）。,波源的速度越高，所产生的效应越大。 根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。,恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度。除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒位移的程度一般都很小。所有波动现象都存在多普勒效应。,适用,多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。科学家爱德文哈勃（Edwin Hubble）使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。,他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低,即移向光谱的红端，称为红移，天体离开银河系的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银河系。 反之，如果天体正移向银河系，则光线会发生蓝移。,在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以我们在移动通信中要充分考虑多普勒效应。 当然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了移动通信的复杂性。,交通应用,交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波同时测量反射波的频率，根据反射波的频率变化的多少就能知道车辆的速度。 装有多普勒测速仪的监视器有时就装在路的上方，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上。,（二）超声多普勒现象,设声源和接收器的相对运动发生在两者的连线上，声源发射频率 f0 ，波长，周期T，声源相对于介质运动速度S ，以朝向接收器运动为正，背离接收器运动为负；接收器相对于介质的运动速度R ，以朝向声源运动为正，背离声源运动为负；接收器所接收到的声波频率为 fR ；超声在介质中传播速度为c，与声源和接收器相对于介质的运动速度无关。,观察者接收到的声波的频率为： f=(V-Vr)f/(V-Vs),（二）超声多普勒现象,1声源与接收器均静止不动（ S=0 、R =0）： fR=c/ =cTfR=c/（cT）=1/T=fS 接收器所接收到的频率 与声源发射频率相同，多普勒频移fd为零，不产生多普勒效应。2 声源不动，接收器相对声源运动（S=0 、R 0）： fd不为零，产生多普勒效应。,（二）超声多普勒现象,3 声源相对接收器运动，接收器静止（vS0、vR=0）：多普勒频移fd不为零，产生多普勒效应。4 声源与接收器同时相对运动（vS 0、vR 0 ）：多普勒频移fd不为零，产生多普勒效应。,（三）应用多普勒效应测定血流,超声诊断中，两块换能器一般平行并列放置，一块作为发射极，另一块作为接收极。实际工作中，换能器均静止不动，主要是介质在运动。如当超声波入射到达血管内的红细胞时，作为超声波接收器的血液颗粒是运动着的，这时出现了第一次多普勒频移fd现象；而被红细胞散射的超声波返回到接收极时，作为散射体的红细胞相当于超声波的声源，它也是运动着的，就出现了第二次fd现象。,（三）应用多普勒效应测定血流,出现第二次多普勒频移时，相当于声源运动，接收器静止，接收到频率，产生超声多普勒频移fd 。超声波在血液中的传播速度c 较大（约1570m/s），血液流速不大（人体静息时主动脉内血液的平均流速v约0.180.22m/s）。c和V相比，cVcos，,（三）应用多普勒效应测定血流,当f0、c 和一定时，fd仅与血液颗粒的流动速度v有关；只要测得fd 就可以求得相应的血液流动速度。通过测量接收信号的fd ，经分析处理就可计算出人体内运动组织或血流的速度，达到非侵入性检测体内生理状况的目的。,（三）应用多普勒效应测定血流,小结与思考,一、超声的基本概念1超声2超声波3超声频率4 超声波的特点二、超声波的基本物理量 （一）声速 （二）周期和频率 （三）波长 （四）声压 （五）声强 （六）声阻抗,三、超声波在介质中的传播特性 （一）反射1声压反射系数2声强反射系数 （二）超声波的折射 （三）超声波的透射声压透射系数、声强透射系数（超声通过介质薄层） （四）超声波的衍射 （五）超声波的散射四、超声多普勒现象 （一）多普勒效应 （二）超声多普勒现象 （三）应用多普勒效应测定血流,