超声的物理基础

超声的物理基础包括超声的发生、波动特性、声场特性、超声在介质中的传播、介质中界面对入射超声的作用，以及入射超声对介质的作用。
超声的发生（超声发射） 用压电效应或磁致伸缩效应可发生超声，超声发生体称为声源(参见“超声换能器”条)。
波动特性 超声为一种机械振动波，具有频率、声速及波长三个基本参数。超声最低频率(f)在16～20kHz以上； 声速(c)在不同物质（介质）中不等，波长(λ)为相邻两个声波的相应点间的距离，λ=c/f。
声场特性 声源直径为波长的10倍以上时，声发射集中在一个倒圆锥体中，具较好方向性（指向性）；声源直径在波长20倍以上时，指向性良好，声束接近圆柱形，其远方稍行扩散。声束开始扩散前的声场区称为近场区； 声束开始扩散后的声场区称为远场区。近场区虽声场较平行，但内部有无数声浪高低起伏，其剖面如花瓣分布，其中处于声场中轴的最强声场为主瓣，其他均为副瓣（或旁瓣），并依其与主瓣的距离分别称为第一副瓣、第二副瓣……等等。第一副瓣与主瓣之间夹角为±10°～15°，声强为主瓣的21%左右。副瓣产生图象伪差。远场区中声强分布均匀，无副瓣。用聚焦法使声束变窄，可提高侧向与横向分辨力(参见“超声换能器”条)。
超声传播 波动可分为纵波、横波、板体波、表面波等。在人体软组织中主要以纵波传播； 在骨胳中以纵波及（或）横波传播。在同样为纵波的情况下，软组织中声速接近相等，平均值为1540m/s；骨胳中声速增大，约为软组织的3倍。声速与温度密切相关。在同一组织如骨胳中，横波声速较纵波声速为低。诊断用超声多为兆赫级(1～10MHz)，其在软组织中波长为毫米级(1.5～0.15mm)。
介质、界面对入射超声的反应（作用） 超声在其中传播的物体称为介质。介质自身的密度与超声在其中的声速乘积称为声阻抗。声阻抗不同的介质接触在一起所形成的声阻抗不连续的接触面称为界面。界面和介质对入射超声产生多种反应。
(1)散射： 入射声传播途径中遇较声束宽度更小的界面时，此小界面吸收入射声能后转为自身的振动，向整个周围空间发生回声。回声无方向性而使返回声源的能量极为低弱。脏器内部组织结构粒子尺寸微小，散射信息多表现内脏细小结构的情况，在超声图象诊断中有极大价值。
(2)反射及透射： 入射声传播途径中遇到大于声束宽度的大界面时，一部分入射声按一定角度反射，称为反射声束； 另一部分穿透此界面继续前进称为透射声束。反射声束和透射声束均有方向性。
(3) 折射与全反射： 透射声束的方向根据界面两侧介质的声速决定。两侧介质内声速相等时，透射声束按原入射方向不变；深部介质声速与浅部不等时，透射声束即偏向，称为折射。折射声束与法线间角度称为折射角。折射角的大小与入射角及深部介质内声速成正比。折射角超过90°时，折射声束完全折回浅部介质，称为全反射。
(4) 绕射： 声束遇到大界面的边缘而向界面背侧偏转的现象称为绕射。声束遇小界面时，除产生散射外，小界面的两侧边缘同样发生绕射。绕射使小界面后方应有的声影消失，模糊图形特征，因而妨碍判断。
(5)衰减： 超声在介质内传播时因反射、散射、弹性摩擦、组织粘滞性及吸收等多种因素的影响，声能迅速减低。各种软组织中对声能的吸收以脂肪较小，而眼球晶体最大。水肿性病变或积液会使吸收大为减少； 胶原蛋白与纤维组织含量增加会使吸收加大； 钙化或结石吸收更大； 气体及含气脏器吸收达最大。在软组织中衰减与所用频率成正比，与到达的距离深度成正比。
(6) 色散： 用频率甚宽的入射超声(宽带或 “白色超声”)送入人体后，因浅部组织高频衰减小，故回声较多反射其高频部分；愈至深部高频衰减愈大，回声较多反射其低频部分。这样，从浅至深其回声中心频率由高逐渐向低变化，成为超声的色散。不同组织或不同病变其色散规律不同。
(7)频移：在衰减极低的组织中，界面运动引起入射声发生频率改变的现象称为多普勒效应。界面朝向声源运动使回声频率增高，称为正频移；界面离开声源运动使回声频率降低，称为负频移。频移值的大小与界面运动速度成正比。用超声多普勒频移可分析诊断心瓣膜、心脏及大血管内血流及实质性脏器血管中血流的正常与异常状态。
入射超声对介质的作用 不同声强的入射超声对介质产生压力和负压（拉）力，即声压。声压使介质内质点运动产生速度和加速度。一般情况下，其压力在几个大气压之间。负压过大时可将液体“拉断”而产生空泡，这一现象称为空化。空泡群随声波的频率胀缩，经历甚短时间即行闭合。闭合时空泡附近瞬时压力可达数千个大气压，产生放电，并辐射紫外线及发可闻声。空化作用或非空化时的超声可造成下列效应：
(1) 机械效应：低声强的超声使介质粒子来回运动，对组织产生按摩效应，促进组织的新陈代谢；高声强的超声可直接造成介质粒子振动过大而表面剥落、粉散，生物细胞会被直接破坏、杀伤。
(2)热效应：机械摩擦、组织的粘滞吸收以及空泡闭合时均可产热，使介质或人体组织温升。轻度温升对深部组织起热敷作用；温升控制在一定程度(约43℃)可有选择性杀伤癌细胞的作用； 温升过高则可使正常细胞损伤甚至焦化。
(3)化学效应： 由空泡闭合时放电、发光，造成水光化分解成活性很强的H⁺及OH^-根，这是化学效应的主要原因；压力、温度上升及机械振荡加速化学反应过程。空泡闭合时尚可产生各种化合物及化学基团，如H₃O、H₂O₂、〔O〕等，在甚短期间发生一系列的氧化还原反应。对于人体则可导致一系列生化变化。超声可使CCl₄中释出〔Cl〕。
(4)生物效应：为上述机械、热与化学效应等的复杂总和(参见“超声的生物效应”条)。
医学超声在工程学上按工作频率可分为千赫 (kHz)级、兆赫(MHz)级及吉赫(GHz)级三种；按声强分为毫瓦(mW/cm²)、瓦(W/cm²)及千瓦(kW/cm²)级；按工作方式可分为连续式与脉冲式两类。通常，脉冲式兆赫级其空间峰值时间平均声强(SPTAI)在mW/cm²级的超声用于诊断；千赫级(可包括1兆赫)并瓦级（连续式或脉冲式）超声用于治疗； 吉赫级超声用于研究（如超声显微镜）；千瓦级（包括百瓦级）用于破坏性治疗或灭菌等。