第二节　超声波的声场

一、超声波的发生与接收

超声波的发生与接收由超声探头中的压电材料（压电陶瓷、单晶硅、复合压电材料等）实现。

1.逆压电效应

在压电材料两侧施加高频交变电压，材料将发生与交变电压频率一致的膨胀与收缩（振动），可形成超高频机械振动，将电能转换为机械能，产生超声波。

2.压电效应

当压电材料在机械力的作用下发生压缩与膨胀时，两侧产生正、负电荷，称为压电效应，将机械能转化为电能，用以接收超声波。

二、声场和声束聚焦

1.声场

声波传播时能量分布的空间称为声场。如图1-1-2-1所示，阵元发出的超声波在较小的对称立体角内呈指向性传播，称为声束。其中心轴线称为声轴。声轴周围半声压（-3dB）点包络线间的距离称为声束宽度。

阵元连续发射非聚焦声束，传播到一定距离后，其直径开始迅速增大。这一距离内的声场称为近场区，此后的远侧声场称为远场区。近场的长度（L）与阵元直径的平方成正比，与发射超声波的波长成反比，即：

L≈ 0.8R2/λ≈ 0.8fR2/c

R =圆形阵元直径，λ =波长，f =频率，c =声速

由公式可见，阵元直径越大，频率越高，近场区越长。但是近场区的声强起伏较大，分布不均匀；远场区声强分布相对均匀，但声束增宽，逐渐扩散。近声轴的声强最集中，呈细窄瓣状，称为主瓣，在主瓣周围尚有旁瓣（side lobe）。

主瓣外侧边缘线与声轴的夹角称为扩散角（θ），用以表征声束扩散的程度。阵元频率越高，直径越大，则扩散角越小。

2.声束偏转与扇形扫描

如图1-1-2-2所示，根据惠更斯原理，通过延时电路以不同的延迟顺序和时间依次连续激发振子，就会获得以不同偏转角度连续发射的声束，实现声束的扇形扫描。

3.声束聚焦

用于诊断的声束必须采用多种技术使其变细，即聚焦，才可以用于诊断。实现聚焦的基本方法有：

（1）声透镜：

根据折射定律，利用凸型介质，使进入人体后的声波向中间汇聚，声束变窄。

（2）电子聚焦

1）发射聚焦：

通过控制和调整相邻振子的发射延迟时间，改变波阵面的曲率和方向，达到声束在不同距离的多段聚焦或多点动态聚焦。

2）接收聚焦：

见图1-1-1-5，根据同样的原理，控制电路延迟接收反射信号从焦点处到达振子的时间，实现电子动态接收聚焦。

3）动态可变孔径聚焦：

采用改变组成振元的振子数（相当于改变阵元的直径）发射超声束，即增加组成阵元的振子数（相当于增大直径）近场区长；减少组成阵元的振子数（相当于减小直径），近场区短，便可实现动态聚焦。

三、超声成像的分辨力

1.空间分辨力

仪器能够区分两个相邻反射体最小距离的能力称为空间分辨力，包括：

（1）轴向分辨力：

能够分辨声束方向上两个相邻回声源最小距离的能力称为轴向分辨力（AR），又称纵向分辨力，大约等于1/2空间脉冲长度。超声波的频率越高，波长就越短，轴向分辨力也越高。

（2）横向分辨力：

定义为能够分辨同一深度垂直于扫查平面两个相邻回声源最小距离的能力，约等于垂直于扫查方向的声束宽度的1/2。

（3）侧向分辨力：

与横向分辨力相似，指能够分辨平行于扫查平面且与声束垂直的两个回声源最小距离的能力。

2.时间分辨力

指能分辨图像变换最短时间的能力称为时间分辨力，是帧频率的倒数，对分析高速运动和血流动力学至关重要。

3.对比分辨力

是指显示和分辨不同回声强度差别（灰阶）的能力。但是人视觉的分辨力仅8~10个灰阶。