物理教研室

1. 振动和波 物理教研室

2. 振动与波基本理论第一节 振动机械振动 定义：物体在一定位置附近作往复的运动。

3. 机械振动的动力学特征：受有回复力和惯性的交互作用。机械振动的动力学特征：受有回复力和惯性的交互作用。

4. 一、简谐振动 结论：简谐振动的位移、速度和加速度都是随时间作周期性变化的。

5. 二、简谐振动的图像 简谐振动的特征量：1、振幅 2、周期 3、初相位

6. 三、阻尼振动（减幅振动）定义：振幅随时间减小的振动。三、阻尼振动（减幅振动）定义：振幅随时间减小的振动。 应用：在生物医学领域，利用阻尼振动的理论可以测量哺乳动物肢体关节中的摩擦力的大小。人的关节内于存在液体的润滑，因而摩擦力一般是很小的。当坐着时，使小腿绕膝关节自由摆动，通过测量振幅减小的快慢就可以得到有关摩擦力的信息。

7. 等幅振动：给振动系统供给能量使系统损失的能量不断地得到补充，这样就可以得到等幅振动． 例如：钟摆的振动、人的呼吸、心脏的跳动等都是等幅振动．

8. 第二节 机械波1、机械波的产生 条件：波源 弹性媒质

9. 定义：机械振动在 弹 性媒质中的传播。 特点：可以传递能量 可以传递信息

10. 注意：1、机械波的传播，每一质点都在自己的平衡位置附近振动，振动质点并不沿着波的传播方向作超出本身振动范围的移动。2、振动图像与波形图像含义不同。注意：1、机械波的传播，每一质点都在自己的平衡位置附近振动，振动质点并不沿着波的传播方向作超出本身振动范围的移动。2、振动图像与波形图像含义不同。

11. 二、横波与纵波1、横波：凡媒质中质点的振动方向和波的传播方向 垂 直的 波，称为横波。

13. 2、纵波：凡媒质中质点的振动方向和波的传播方向相同的被，称为纵波。2、纵波：凡媒质中质点的振动方向和波的传播方向相同的被，称为纵波。

16. 横波和纵波的实验区别：

17. 三、波长、频率和波速v=λf 或 v=λ/T v=λf 或 v=λ/T

18. 第一节 声波声波是纵机械波。 弹性媒质可以是气体、液体、及固体。 声波划分为可闻声波、超声波与次声波三种形式。一、 声波 1、声速 声波的传播速度取决于媒质的性质和温度，与声波的频率无关。 例如：比如在0’C和标准大气压下，空气中的声速为332m／s，温度每升高(或降低)l’C，声速约增大(或减小)o．6m／s。

19. 二、声压 声强声强级1、声压:声波在介质中传播时,介质的密度将做周期性的变化,从而引起该处瞬时压强的变化,我们把这时的压强瞬时值与无声波传播时压强值(这时的大气压)之差称为声压.

20. 2 、声强：声波的强度称为声强。即单位时间内通过垂直于声波传播方向上单位面积的能量。（用每秒钟通过垂直于声波传播方向的1平方厘米面积的能量来度量,它的单位是焦耳／(秒·平方厘米)［J/(s·cm 2 )］）

21. 影响声强大小的因素：振幅和频率声强与声源的振幅有关,振幅越大,声强也越大;振幅越小,声强也越小。当声源发出的声波向各个方向传播时,其声强将随着距离的增大而逐渐减弱。基于这一原理,在超声诊断探头发射超声时,必须考虑波束的聚焦,它可以减小声能的分散,使声能向一个比较集中的方向传播,因而可以增加诊断探测的深度。影响声强大小的因素：振幅和频率声强与声源的振幅有关,振幅越大,声强也越大;振幅越小,声强也越小。当声源发出的声波向各个方向传播时,其声强将随着距离的增大而逐渐减弱。基于这一原理,在超声诊断探头发射超声时,必须考虑波束的聚焦,它可以减小声能的分散,使声能向一个比较集中的方向传播,因而可以增加诊断探测的深度。

22. 3、声强级(声压级)听阈：人耳能感觉到的最小声强叫做听阈。痛阈：声强过大的声音会引起人耳疼痛，使人耳 疼痛的最小声强称为痛阈。 人耳最敏感的频率范围：1000Hz－5000Hz。 人们发现：人耳对声音的主观感觉与声强的大小不成正比，而是与其对数大致成正比。所以通常采用对数标度表示声强的等级，称为声强级。

23. 数字声压计

24. 声波仪器的探测灵敏度: 用声强级来表示灵敏度.

25. 三、声阻抗 Z声阻抗是指介质对声波传递的阻尼和抵抗作用, 等于声压与介质容积位移速度之比,Z=P/v单位是瑞利或声欧姆(1达因的力使空气产生1m1／s的位移其声阻抗即定义为1声Ω)

26. 注意：对一定频率的声波来说,它只决定于媒质密度ρ和波速c的乘积。注意：对一定频率的声波来说,它只决定于媒质密度ρ和波速c的乘积。 Zs= P／V= ρ c 理解：声阻抗和电学的阻抗相似,其中声压相当于电压,振速相当于电流强度,声阻抗率相当于电阻。 和材料有关．

28. . • 人体组织可分三类: 1. 低声阻的气体或充气组织.如肺泡组织. 2. 高声阻的矿物组织.如骨骼. 3. 中等声阻的液体和软组织,如肌肉. 超声检测主要适用于第三类组织

29. 第二节　超声波在介质中的传播特性

30. 一、声波的反射和透射　　超声通过声阻抗不同的两种媒质，在其分界面上将产生反射。例如从软组织到骨骼的分界面上，有50％～70％的能量反射回去。除反射外，还有一部分能量从界面上透射通过。一、声波的反射和透射　　超声通过声阻抗不同的两种媒质，在其分界面上将产生反射。例如从软组织到骨骼的分界面上，有50％～70％的能量反射回去。除反射外，还有一部分能量从界面上透射通过。

31. 声波在传播过程中遇到两种声阻不同介质的界面时，将发生反射和折射．反射声强与入射声强之比，叫做声强反射系数：透射声强与入射声强之比，叫做声强透射系数。声波在传播过程中遇到两种声阻不同介质的界面时，将发生反射和折射．反射声强与入射声强之比，叫做声强反射系数：透射声强与入射声强之比，叫做声强透射系数。

32. 表明：当两种介质的声阻相差较大时，反射强而透射弱；而两种介质的声阻相近时，透射强而反射弱． 应用举例：在做超声检查时在探头上涂抹液体石蜡油或甘油的目的就是防止在探头和体表间产生空气层，使有良好透声性，减少声能的损失。耦合剂材料的选择应使其自身的声阻大小介于探头与皮肤声阻的中间值，这样才能增加超声的初始透射率。另外，人体各部分组织的声阻是不同的，因此超声波入射到人体内各组织界面时会产生反射。实验指出，两种组织的声阻相差0．1％，就能产生出可检测的反射信号。超声脉冲反射诊断法就是依据了超声的这一性质。

33. 超声成像可以是反射成像，也可以是透射成像或散射成像超声成像可以是反射成像，也可以是透射成像或散射成像

34. 二、全反射超声波的折射规律与光波的折射定律相同．当入射角超过临界角时，相应的折射波消失，出现全反射现象。 　　我们在进行超声检查时，需要尽可能地将声束垂直于界面，避免入射角过大，否则将会引起反射体的实际位置与显示位置发生错位，甚至出现全反射，从而导致超声无法检查该界面以下的组织器官。全反射现象对超声诊断无意义，应尽量避免．

35. 三．衍射当障碍物的直径等于或小于λ／2，超声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为衍射（Diffraction）．　　故超声波波长越短（即频率越高），能发现障碍物越小，也就是说分辨力越好，超声图象也越清晰，不过对组织的穿透力较差。所以临床上高频探头多应用于儿童和浅表器官的检查。三．衍射当障碍物的直径等于或小于λ／2，超声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为衍射（Diffraction）．　　故超声波波长越短（即频率越高），能发现障碍物越小，也就是说分辨力越好，超声图象也越清晰，不过对组织的穿透力较差。所以临床上高频探头多应用于儿童和浅表器官的检查。

36. 和衍射有关的超声现象：（１）声影：（２）太小的病灶：和衍射有关的超声现象：（１）声影：（２）太小的病灶：

37. 四．散射　　超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物（或一组小障碍物形式）时，将有一部分能量被散射（Scattering）。红细胞的直径比超声波要小得多，红细胞是一种散射体，声束内红细胞数量越多，背向散射强度就越大。红细胞的背向散射是多普勒超声诊断的基础。四．散射　　超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物（或一组小障碍物形式）时，将有一部分能量被散射（Scattering）。红细胞的直径比超声波要小得多，红细胞是一种散射体，声束内红细胞数量越多，背向散射强度就越大。红细胞的背向散射是多普勒超声诊断的基础。

38. 散射模型图

39. 五．干涉与驻波　　干涉　　频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。这种现象叫做波的干涉。五．干涉与驻波　　干涉　　频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。这种现象叫做波的干涉。

40. 　注意：在超声诊断上，反向散射波和反射波的存在可以与入射波形成干涉，这将使探头接受到的是它的干涉声场，造成图像分析的复杂化．应用：干涉过程中存在界面的位相信息，如将这一信息提取组图，则为超声相干成像的基础．　注意：在超声诊断上，反向散射波和反射波的存在可以与入射波形成干涉，这将使探头接受到的是它的干涉声场，造成图像分析的复杂化．应用：干涉过程中存在界面的位相信息，如将这一信息提取组图，则为超声相干成像的基础．

41. 驻波（是一种特殊的干涉）　　频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进，故称行波；上述两列波叠加后波形并不向前推进，故称驻波。驻波（是一种特殊的干涉）　　频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进，故称行波；上述两列波叠加后波形并不向前推进，故称驻波。

42. 振幅为零的点称为波节，振幅最大处称为波腹。波节两侧的振动相位相反。相邻两波节或波腹间的距离都是半个波长。 应用：利用该特点可以提高探头发射声波的效率．注意：驻波的主要特点是在驻波区域没有能量的传播，只有质点的振动，故在超声诊断仪中要采取克服措施．

43. 六．声波衰减超声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的增大，声波的能量逐渐减少，这一现象称为声波衰减（Acoustic attenuation）。衰减的原因：（１）扩散衰减:在空间传输中由能量分布的改变（２）散射衰减:本质部分声能转化为热能而散失掉（３）吸收衰减:本质是声能转变为其它形式能量　其中吸收是衰减的主要因素。

44. 衰减与超声频率有关实验结果表明,在1～15MHz超声频率范围内,人体组织对超声波的吸收衰减系数几乎与频率成正比。人体软组织对超声的平均衰减系数约为0.81dB·cm －1·MHz －1 ,其含义是超声波频率每增加1MHz或超声传播距离每增加1cm,则组织对超声的衰减增加0.81dB。

46. 注意：说明频率的因素甚为重要。因此,根据探查部位的组织不同和深度不同,合理选择使用探头的频率,对诊断效果将有较大影响。注意：说明频率的因素甚为重要。因此,根据探查部位的组织不同和深度不同,合理选择使用探头的频率,对诊断效果将有较大影响。

47. 七. 声波通过界面的特性1. 声波类型的转换当纵波以一定角度入射到液体中的固体表面时,透入固体的折射波可分解为横波和纵波.临床注意:产生伪影.但是如果声束与界面垂直就不会产生横波.

48. 2.声学谐波基础前面讨论的都是线性声学.声速和声波的强度、频率无关,反射波的频率等于入射波的频率.但这些都是近似.如果介质不太符合线性关系,或声波强度很大,或要精细地分析时,就必须考虑到非线性了.如果考虑非线性,则有:(1)波形畸变(2)组织谐波(3)气泡产生的谐波(空化作用)可分为:稳态和瞬态2.声学谐波基础前面讨论的都是线性声学.声速和声波的强度、频率无关,反射波的频率等于入射波的频率.但这些都是近似.如果介质不太符合线性关系,或声波强度很大,或要精细地分析时,就必须考虑到非线性了.如果考虑非线性,则有:(1)波形畸变(2)组织谐波(3)气泡产生的谐波(空化作用)可分为:稳态和瞬态

49. 八.声束通过介质薄层 透射系数为:

50. 讨论:1．当Z2比Zl和Z3小得多时，透射系数近似为零,则声束不能透射。2．当簿层厚度d＝λ2/2,λ2 ,2λ2…， d＝nλ2/4(n 为不等于零的偶数)，或d＜＜ λ2时，　相当于声束垂直通过Z１、Z3的情况，即相当于介质隙层消失了。