第1節(jié) 超聲波物理性質(zhì)

第五章 超聲波成像第一節(jié) 超聲波的物理性質(zhì) 第一節(jié) 超聲的物理特性 人耳朵感知的聲音范圍： 20Hz-20kHz 超聲： 20KHz 次超聲： 20Hz 醫(yī)學(xué)診斷用： 1-40MHz 100MHZ高頻超聲 一、物理特性 兩種介質(zhì)聲阻抗Z不同 必有有傳播介質(zhì) 直線傳播 反射 當(dāng)一束平面聲波到達(dá)聲阻抗Z不同的兩種介質(zhì)的大界面（即界面寬度遠(yuǎn)大于聲束直徑），且界面尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，在兩介質(zhì)的界面上發(fā)生反射。 全反射 隨著入射角逐漸增大，折射角也增大，若入射角大于某一臨界角時(shí)，折射角增大至90度，此時(shí)聲音在介質(zhì)分界面上全部反射稱為全反射。 折射 當(dāng)超聲束傾斜入射到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)大界面時(shí)，因聲速發(fā)生變化而引起聲束通過(guò)界面后前進(jìn)方向改變的現(xiàn)象，稱為折射。 Sina/sinb=c1/c2 投射 聲波垂直入射或傾斜入射到兩種介質(zhì)的界面上時(shí)，有部分能量穿過(guò)介質(zhì)界面進(jìn)入下一介質(zhì)中的現(xiàn)象稱為投射。 衍射 聲音傳播過(guò)程中，遇到界面或障礙物的線徑與聲波波長(zhǎng)相近時(shí)，聲音會(huì)繞過(guò)這一界面或障礙物的邊緣，幾乎無(wú)阻礙地向前傳播，只在界面或障礙物的后面留下一點(diǎn)聲影的現(xiàn)象叫衍射。 散射 界面 障礙物 四、超聲多普勒現(xiàn)象 ★ （一）多普勒效應(yīng) （Doppler effect）： 聲源、接收器、介質(zhì)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的頻率與聲源發(fā)射的頻率之間出現(xiàn)差異現(xiàn)象。 ★多普勒頻移（Doppler shift）： 變化的頻移fd。 所有的波動(dòng)過(guò)程都可能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 多普勒效應(yīng)是為紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。 主要內(nèi)容為： 物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。 在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高 （藍(lán)移 blue shift）； 當(dāng)運(yùn)動(dòng)在波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低 （紅移 red shift）。 波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。 根據(jù)波紅（藍(lán)）移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。 恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。 除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。 所有波動(dòng)現(xiàn)象都存在多普勒效應(yīng)。 適用 多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波,它也適用于所有類型的波，包括電磁波。 科學(xué)家愛德文·哈勃（Edwin Hubble）使用多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。 他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低,即移向光譜的紅端，稱為紅移，天體離開銀河系的速度越快紅移越大，這說(shuō)明這些天體在遠(yuǎn)離銀河系。 反之，如果天體正移向銀河系，則光線會(huì)發(fā)生藍(lán)移。 在移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向基站時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)，頻率變低，所以我們?cè)谝苿?dòng)通信中要充分考慮多普勒效應(yīng)。 當(dāng)然，由于日常生活中，我們移動(dòng)速度的局限，不可能會(huì)帶來(lái)十分大的頻率偏移，但是這不可否認(rèn)地會(huì)給移動(dòng)通信帶來(lái)影響，為了避免這種影響造成我們通信中的問(wèn)題，我們不得不在技術(shù)上加以各種考慮。也加大了移動(dòng)通信的復(fù)雜性。 交通應(yīng)用 交通警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù)反射波的頻率變化的多少就能知道車輛的速度。 裝有多普勒測(cè)速儀的監(jiān)視器有時(shí)就裝在路的上方，在測(cè)速的同時(shí)把車輛牌號(hào)拍攝下來(lái)，并把測(cè)得的速度自動(dòng)打印在照片上。 （二）超聲多普勒現(xiàn)象 設(shè)聲源和接收器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在兩者的連線上，聲源發(fā)射頻率 f0 ，波長(zhǎng)λ，周期T，聲源相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度νS ，以朝向接收器運(yùn)動(dòng)為正，背離接收器運(yùn)動(dòng)為負(fù)； 接收器相對(duì)于介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度νR ，以朝向聲源運(yùn)動(dòng)為正，背離聲源運(yùn)動(dòng)為負(fù)； 接收器所接收到的聲波頻率為 fR ；超聲在介質(zhì)中傳播速度為c，與聲源和接收器相對(duì)于介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。 觀察者接收到的聲波的頻率為： 　　 f=(V-Vr)f/(V-Vs) （二）超聲多普勒現(xiàn)象 1．聲源與接收器均靜止不動(dòng)（ νS=0 、νR =0）： fR=c/λ λ=cT fR=c/（cT）=1/T=fS 接收器所接收到的頻率 與聲源發(fā)射頻率相同，多普勒頻移fd為零，不產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 2 ．聲源不動(dòng)，接收器相對(duì)聲源運(yùn)動(dòng)（νS=0 、νR ≠0）： fd不為零，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 （二）超聲多普勒現(xiàn)象 3 ．聲源相對(duì)接收器運(yùn)動(dòng)，接收器靜止（vS≠0、vR=0）：多普勒頻移fd不為零，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 4 ．聲源與接收器同時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)（vS≠ 0、vR≠ 0 ）：多普勒頻移fd不為零，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 （三）應(yīng)用多普勒效應(yīng)測(cè)定血流 超聲診斷中，兩塊換能器一般平行并列放置，一塊作為發(fā)

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