第一章 医学超声学基础 课件.pptVIP

第五节 超声波的传播特性 超声波的传播特性有：波的反射、折射、透射、衍射和散射等。两波相遇时遵循叠加原理。 一、反射和折射 条件及约定： 　① 声波类型：平面波 ② 界面条件：光滑平面，且足够大（相对于波长） 　③ 字母、下标的意义 　 P－声压，I－声强，c－声速，Z－声阻抗，θ－夹角 　 1－介质１，2－介质２, i－入射，r－反射，t－折射 　 如：Pi－入射声压，Z1－介质1的声阻抗 ① 反射定律: θi＝θr 与光学定律同， ② 折射定律： 因声、光同为波 1.传播的几何特性 θi θr θt Ii，Pi Ir，Pr It，Pt 入射波 反射波 折射波 介质１，c1，Z1 介质２，c２，Z２ 界面 t ③ 发生全反射的条件 　 在c1＜c2的情况下 当θi＝θc＝sin-1(c1/c2)时，即sinθi＝c1/c2 　θt＝sin-1((c2/c1)sinθi) ＝sin-1((c2/c1)·(c1/c2) ＝90° ———— 折射波沿界面传播 当θi＞θc 时，可得：sinθt＞1 θt非实角，故没有折射波，而发生全反射 θc＝sin-1(c1/c2) 称为全反射角。 2.传播的力学特性 上述的折射波也称透射波。反射波、透射波关于 入射波的相对强弱由反射系数和透射系数来反应。 （1） 定义 声压反射系数： 　声压透射系数： 　声强反射系数： 　声强透射系数： 注意： 这里均为在界面上的波参数之比 （2）求解思路 根据界面平衡条件： ① 在界面上两边的总压力应该相等； ② 界面上两边质点的速度应该连续。得 （1） 　 （2） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 又根据声阻抗率定义， ，即 　 （2）式变为　　　　　　　　　　　　　　　　 （3） 　 联解（1）、（3）两式，可求得 （3）超声波垂直入射界面时的力学特性 介质1 介质2 透射波 反射波 入射波 界面 Pt, It Pi, Ii Pr, Ir 其中： ， 超声成像只能用于那些有液体和软组织的、且声波传播通路上没有气体或骨骼阻挡的那些区域。 在液体和软组织中，声速和声阻抗变化不大，使得声反射量适中，既保证了界面回波的显像观察，亦保证了声波可穿透足够的深度。此外，接收回波的时延与目标深度成近似的正比关系，这是B超诊断图像成功应用必要的物理基础。 二、透过薄层的波 　 在超声换能器中，超声要通过几层特性阻抗不同的介质进行传播。 　这里只讨论最简单的情况，即假设平面超声波垂直入射，通过三层介质。如图： 可以求得： 　式中：I1 ——第一层介质中的入射波能量 　　　　I3 ——第三层介质中的透射波能量 　　　　　——介质2中的波数 　　　　L2 ——中间层厚度 （1）当 ，n=1,2,··· （L2为半波长的整数倍)时 或 ，且非Z2Z1, Z2Z3（L2薄,且Z2非疏)时 可得： （或≈） 即此时声波透过中间层传播的能量仅与Z1, Z3有关,而与中间层材料的特性Z2无关。 （2）当 ，n =1,2,···，且 时 　 可得： 　 可见，当中间层厚度等于穿过其中的超声波波长的 四分之一的奇数倍，且特性阻抗等于其它两种介质特性 阻抗的几何平均值时，声波在三种不同介质中能完全透 射，而无反射。此时，称为匹配。这个中间层称为匹配层。 三、散射和绕射 前面讨论的反射和折射，有一个重要条件，即反射 界面对于超声波波长来说是无限大的：dλ。 当d与λ可比，则发生绕射。例如胆结石。 当dλ，则发生散射。例如红细胞。 绕射 散射 1. 散射 　① 条件：dλ； 　② 现象：小障碍物变成新的波源，并向四周发射超声波； 　③ 回波：散射信号的回波大小与入射角无明显关系； 　④ 应用：运动的红细胞散射——超声多普勒血流仪； 　　　　　 脏器内小结构散射——B超脏器结构性质显像。 2. 绕射 　① 条件：