3振动与波ppt课件

物理教研室 振动和波 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 机械振动的动力学特征 受有回复力和惯性的交互作用 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 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 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 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 第二节机械波1 机械波的产生 条件 波源弹性媒质 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 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 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 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 横波和纵波的实验区别 三 波长 频率和波速v f或v T v f或v T 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 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 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 cm2 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 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 数字声压计 声波仪器的探测灵敏度 用声强级来表示灵敏度 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 注意 对一定频率的声波来说 它只决定于媒质密度 和波速c的乘积 Zs P V 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 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 第二节超声波在介质中的传播特性 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 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 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 超声成像可以是反射成像 也可以是透射成像或散射成像 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 三 衍射当障碍物的直径等于或小于 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 和衍射有关的超声现象 声影 太小的病灶 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 散射模型图 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 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 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 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 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 Acousticattenuation 衰减的原因 扩散衰减 在空间传输中由能量分布的改变 散射衰减 本质部分声能转化为热能而散失掉 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 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 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 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 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 八 声束通过介质薄层 透射系数为 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 2 2 2 2 2 d n 2 4 n为不等于零的偶数 或d 2时 相当于声束垂直通过Z Z3的情况 即相当于介质隙层消失了 3 当 且d为 2 4的奇数倍时 相当于两个介质界面都不存在了 这点是研制耦合剂材料性能的重要依据 第四节压电效应超声波的发射和接受 超声探头 目前医学上最常用的是电声转换法中的压电式换能法 一 压电效应 使机械能转变为电能的现象 应用 超声接收换能器 二 电致伸缩效应 使电能转变为机械能的现象 应用 超声发射换能器 三 压电材料的性质 压电效应和温度的关系 居里点 压电材料的选择 1 压电接收常数个g就是压电片单位形变所产生的电位移 表示换能器接收性能的好 其单位常用v m N表示 对于接收型的换能器 应选择接收系数g大的压电材料 2 压电发射常数dd是在压电材料片上由所加的电场单位场强而产生的形 其单位常用m v表示 对于发射型换能器 应选择d大的压电材料 第四节超声场探头是超声速断仪中重要的部件 探测的灵敏度高低 分辨力优劣都与探头直接相关 人们常希望振源能够发出一束均匀的超声波 但实际上并非如此 根据理论计算 即使一个己理想的 性能均匀的压电换能器 其近场和远方区域内的声场分布都是很不均匀的 一 圆形单晶片探头作为声源时产生的超声场 定量分析 经过理论计算 圆形活塞声源产生的超声场中心轴上的声比 讨论 1 近场区内的声压分布 1 声压极小值 以D为直径的圆形晶片 当向弹性介质辐射波长为的超声波时 则应有个极小值 2 声压极大值 在近场中有包含0在内的个极大值 2 远场区内的声压分布 可以看出 声压随声程距离X作单值变化 在远场区内 声压与距离X是按反比例减弱的 3 超声场的角分布 特点 在中心部分出现一主瓣 在主瓣旁边出现许多旁瓣 这种现象叫做换能器的指向性 即声束的集中程度 这说明声场中的声压不但随距离改变 同时还随方向角改变 关于近场和远场总的结论 超声波的频率愈高 晶片的半径愈大 那么近场长度愈大 同时扩散角愈小 表示超生的成束性好 方向性显著 医学诊断上要求被检查部位在近场且在主瓣区域内 这样反射强 失真度小 二 声束的聚焦 需要聚焦原因 在超声诊断中 探头辐射的声束宽度是限制横间分辨力的主要原因 为了减小声束宽度 通常采用的方法之一 是使用声聚焦探头 在超声治疗中 聚焦声束在聚焦区域有最大的强度 这样可以集中治疗肿瘤等组织 而又不至于损坏正常组织 1 声聚焦方法 1 声透镜聚焦 超声束可以像光束一样 用透镜使之聚焦 2 声反射镜聚焦 3 曲而换能器 直接把压电晶片本身制成凹面形 由它辐射出聚焦式超声波 这种探头称自聚焦发射器 聚焦原理和 1 声透镜相类似 4 电子聚焦 相控阵聚焦 如果对各晶片依次加上线性递变延迟激励脉冲 使超声束方向偏转某一个角度 不断改变这个角度 就可以得到扇形扫描的超声束 应用在B超中 第八章超声波成像超声成像的历史 20世纪初 郎之万首次研制石英晶体超声发生器40年代开始超声医学应用的研究 1950年A超被应用于医学诊断以后B超出现三大重大突破 超声诊断的优点 非电离辐射对软组织鉴别力高仪器使用方便 第一节超声回波所携带的信息超声波诊断技术可分为两大类 基于回波基于多普勒效应一 反射和散射回波超声回波包括 大界面反射波小粒子散射波大界面反射波 位置信息小粒子散射波 结构信息 1 回波法 1 在可传播超声的介质中 存在声阻突变的界面 声阻相对变化超过1 时 将产生可探测到的反射回波 2 脉冲反射回波与介质的声阻密切相关 正常组织与病变组织的声阻不同 反射回波的强弱和形态也就不同 这就有可能从不同界面的反射回波 提供识别病灶的空间范围及其性质的可能性 3 超声探测仪直接获得的是声压信号 声振幅 超声探头对此信号的灵敏度很高 由此而建立起来的图像的信噪比也很高 这是相对于x射线成像的优点之一 超声波对生物组织的影响 上皮组织肌肉组织神经组织结缔组织 影响最大 超声成像的基本特征 脉冲回波检测技术 超声波 介质的不均匀界面 反射 检测回波信号 放大和信号处理 显示器上显示 超声诊断是超声 电子技术 计算机技术和全息信息术相结合而应用于临床医学的一种诊断方法 用于医学诊断的超声图像由来自于人体内部结构界面上的反射波形成 超声诊断成像的基本原理以三个物理假定为前提 1 声束在介质中以直线传播 2 在各种介质中声速均匀一致o3 在各种介质中介质的吸收系数均匀一致 超声诊断仪有 采用连续波的 采用脉冲波的 脉冲检测技术优点 1 除了能对回声界面定位外 还因为消除了很强的发射信号对反射信号的影响 2 具有较高的灵敏度 所以目前在临床上应用的超声诊断仪除了普通的多普勒仪外都是采用脉冲式的 三 时间增益补偿 在不同深度上的回波脉冲幅度 由于其声程不同 造成的吸收程度也不同 由于吸收衰减使回波亮度有很大差异 给成像造成困难 所以必须对不同深度上的回波进行增益补偿 可以把接收器的增益按衰减的幅度补偿 特点 从较深部位声界面反射的回声信号的放大倍数较大 而距离换能器较近的反射信号 也就是时间上较早达到的回波信号的放大倍数较小 四 检波 抑制与视频放大1 检波根据终显要求检出所需要的相应信息 有 幅度检波位相检波频率检波 抑制电路 主要用来抑制不希望有的干扰信号和杂波噪声 也就是限定视频信号的下限电平 对动态范围的下限进行压缩 去掉小信号及毛草 噪声 以便显示有用信号 为使信号轮廓增强 常在视频电路中对信号进行微分处理 第二节超声诊断仪器1 A型超声诊断仪 波形的幅度表示回波的强弱 它表征反射界面两侧声阻差的信息 波形间的距离表示超声在两界面间传播的时间 它反映两界面间的距离 A型超声原理 A型超声原理 A型超声原理 A超的缺点 由于一维扫描只能依据图形中超声波回波幅值的大小和回波的疏密对人体脏器进行诊断 这样一维超声扫描所提供的信息量较少 波形诊断即不形象也不直观 绝对大多数医院已淘汰不用 2 M型超声诊断仪M型超声诊断仪主要用于检测体内运动脏器 检查心脏的M超通常叫做超声心动图仪 它是在A超和B超的基础上发展起来的 M超与B超一样 都是利用探头向体内发射脉冲 并接收声阻不同的界面反射回的强弱不同的回波 进行辉度调制 M超的探头使用 像A超一样将探头固定于体表某一探测点上 探头并不移动 因而荧光屏上得到的回波信号是一串自上而下的光点群 水平方向代表时间 故M超所探查的是体内组织位置随时间变化的运动曲线 2 B型超声诊断仪B型超声诊断仪的工作原理显像其原理是采用超声脉冲回波辉度调制的二维灰阶显示 它形象地反映出人体某一断面的信息 强调的是 第一声像团是组织结构某一断面图像 与解剖结构相似但并不相同 如肝脏声像图中黑白灰度不等的点 片 线影像 与肝脏结构的被膜 血管 胆管 肝小叶等有关 是其形成的超声反射 散射 衰减等声像特性的综合反映 而非肝脏某结构的解别图像 第二 声像图中所显示的脏器大小 距离与介质传播速度有关 体内各种介质声速不等 故声像图中测量的大小与实际解刮大小有一定差距 第三 声像图是断层体积内组织结构的综合 该体积厚薄与探头发出声束宽度有关 第四 声像图的断面方位与探头的形态和放置于人体的位置有关 超声探头可取得人体任何部位的任意断面图像 因而声像图中要标明取图的部位和方位 此外 多数声像图是依靠检查者干法获得的 CT MRI图像比较其显示范围小 层面方位精确度低 这也影响图像的标准化 第五 彩色多普勒血流图像中的颜色 是根据血流方向 速度和性质规定的彩色 而不