第二节　超声波的基本物理特性

上节有关机械纵波的一些基本关系对超声波都适用。随着频率的升高，超声波具有一些特殊性质。

一、超声波的方向性

对机械波来说，频率越低，其波长越长，波动的特性越显著，但方向性却越差；频率越高，波长越短，波传播的方向性越显著。超声波有很好的指向性，可在较小的目标上，产生有规律的反射信号，这就是利用超声波回声探测的基础。高频超声波在界面进行反射和折射时，其规律与光波相似。

二、超声波的传播特性

超声波在弹性介质中传播时与光波类似，也有波的叠加、干涉、反射、折射、透射、散射、衍射以及吸收、衰减等特性。

1.反射与折射

高频率的超声波是一种平面波，在均匀介质中传播时，沿传播方向作直线传播。当超声波从一种介质传播到另一种介质时，由于两种介质的声特性阻抗Z的不同，在两种介质之间形成一个声学界面，如果该界面尺寸大于超声波波长，则一部分超声波能量从该声学界面处反射，回到原介质，形成反射波，另一部分超声波能量进入到另一介质，形成折射（透射）波（图1-2-1）。

当超声波垂直投射到声学界面时，若声学界面两侧介质的声特性阻抗分别为Z1和Z2，入射声波（声强为I）投射到达界面，则有声强为I1的反射声波返回到前一介质，反向传播。有声强为I2的折射声波进入第二种介质中沿同方向继续传播。则声强反射系数（IRC）：

声强折射系数（ITC）：

由上述关系式可知：若两种介质的声特性阻抗差别越大，反射就越强。由于能量守恒，反射波能量与折射波能量之和应等于入射波能量，因此，反射越强，进入到第二种介质的声波能量就越弱。利用反射产生的超声回波信息可用来诊断。回波的强弱，是反映了界面两边介质的声特性阻抗差异的程度。实际上，超声波投射到声学界面时，并不一定是垂直入射，声波的反射和折射还与投射角度有关，在此不再赘述。

2.衍射与散射

声波传播时遇到的障碍物的尺寸与声波相近（1～2个波长）时，声波可绕过这一障碍物界面边缘向前传播、偏离原来方向，这一现象称为衍射或绕射。距离越近障碍物，衍射现象越明显，声波远离障碍物后仍按直线传播。声波传播遇到线度小于波长的粒子，微粒吸收声波能量后，向四周辐射声波，这种现象称为散射，这些粒子称为散射体。在散射波中，把与声波的前进方向反方向上的声波称为背向散射（back scatter）。散射截面时用以反应散射强度的重要参数。散射截面大实际上就表明单位声强产生的散射功率大。

3.惠更斯（Huygens）原理

波动的传播是由于介质中质点之间的相互作用力（弹性力），连续分布的介质中任何一点的振动源引起相邻各点的振动，因此在波动传播到的任何一点都可看作新的波源。惠更斯于1690年提出了有关波动的著名原理，它的内容就是：介质中波动传到的各点都可看作是一个新的波源——子波源，在其后的任意时刻，这些子波的包络就是新的波前（波阵面）。应用惠更斯原理，可由某一时刻波阵面的位置，用几何作图法确定下一时刻波前（波阵面）的位置，波前（波阵面）的法线方向就是波的传播方向。因此，控制振动源相互间的振动时间超前或落后就可以使波束向左或向右偏转，而控制超前或落后时间的值就可以控制波束偏转的角度，这就是后面提到的相控阵探头扫描和电子聚焦的原理。

4.波的干涉现象

声波在介质中传播时，当两列（或更多列）声波在空间某点相遇，将彼此叠加，该处质点的振动将是各个波所引起的分振动的合成，在任一时刻质点的位移是各个波在该点所引起的分位移的矢量和。换言之，每个波都独立地保持自身原有的特性对该点的振动给出自己的一份贡献，就像没遇到其他波一样。这种波动传播的独立性的事实，称为波的叠加原理。一般地说，振幅、频率、相位等都不相同的几列波在某点的叠加是很复杂的，而波的干涉是其中最主要也是最简单的一种。当频率相同，振动方向相同，相位相同或相位差恒定的两个波源发出的两列波同时作用于介质的某点产生波的叠加，由于传播途径的不同，使某些地方振动始终加强，而在另一地方始终减弱以致抵消，这种现象称波的干涉现象。产生干涉现象的波称为相干波，相应的波源称相干波源。两列相干波到达某点所经过的路程差，称为波程差。在两个相干波源为同相位时，在两个波叠加的区域内，波程差等于零或等于波长的整数倍的各点，振幅最大，在波程差等于半波长的奇数倍的各点，振幅最小。

5.声衰减

声波在介质中传播时，质点振动的振幅将随传播距离增大而减小，声强也随距离增大而减小，这种现象称为声衰减。在均匀介质中声衰减服从指数规律。声衰减的原因主要有三方面：介质对声波的吸收是声衰减的原因之一，声波的散射声波在介质传播中部分机械能量不可逆地转化为其他形式的能量，使声波具有的能量减少。声衰减的第二个原因是声波的散射，声波在介质中传播时，介质中存在着散射体，使一部分超声能量改变了传播方向，使主传播方向的能量减少。声散射引起的衰减决定于介质的性质和散射目标的情况（大小、形状、分布等），也与超声频率有关，研究表明声散射衰减系数与超声频率的四次方成正比。声束扩散是声衰减的第三个原因，随传播距离的增加，声波向传播轴线周围横向扩散，因此引起单位面积上的声波能量（声强）减小。这种扩散衰减可通过声聚焦在一定的范围内得到克服。

为了得到高分辨率的图像应该尽量选用高的频率，但是频率高的超声波比频率低的超声波衰减大，因此可探测的距离小。所以我们必须在探测距离和空间分辨率之间折中，针对不同的场合选取合适的频率。例如腹部检查需要比较大的探测深度，因此我们只能选用较低的频率。而在检查浅表小器官时，由于探测深度不大，可以选用较高的频率，以得到比较高的分辨率。