声波传播状态图

时间：2022-05-08 理论教育版权反馈

【摘要】：为了更好地理解此类装置的原理，有必要对超声波的特性有一定的认识。超声还易于携带较高的能量，可用作工业加工和医学治疗。声波每秒钟内振动的次数称为频率，通常用f表示。这表明声阻抗率Z只与介质本身的声学特性有关，故也称特性阻抗。超声波在介质中传播的物理性质和其他类型的波动类似，即在通过两种特性阻抗不同的介质的界面时有波的反射、折射、透射、散射等现象，两波相遇时遵循叠加原理。Z1和Z2为两种介质的特性阻抗。

6．2　超声波的物理特性

超声波是大多数冲击波碎石装置使用的能量形式，尤其是体外型装置。为了更好地理解此类装置的原理，有必要对超声波的特性有一定的认识。

6．2．1　超声波的定义和重要物理参数

1．声波和超声波的定义

声波是物体机械振动状态（或能量）通过空气媒质进行传播的一种形式。人们将声波依其频率高低和人耳对声波的感受能力不同，将声波主要划分为——次声（频率10^－4～16Hz）、可听声（频率16～2×10⁴Hz）、超声（频率2×10⁴～10⁹Hz）和特超声（频率10⁹～10¹³Hz）。

超声波的频率超出了人耳所能感受的声波频率上限，因而人耳听不见。超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。同时超声波能在各种不同媒质中传播，且可以传播足够远的距离。超声还易于携带较高的能量，可用作工业加工和医学治疗。

2．声波的频率、周期与波长

声波每秒钟内振动的次数称为频率，通常用f表示。频率的常见单位包括赫兹（Hz）、千赫兹（kHz）和兆赫兹（MHz）等。

声波每振动一次的时间称为周期，通常用T表示。周期的常见单位包括秒（s）、毫秒（ms）、和微秒（μs）等。

在一个声波振动周期（T）的时间内，声波传播的距离称为声波的波长，通常以λ表示，其单位取厘米（cm）或毫米（mm）。

3．声速

在单位时间（1s）内声波传播的距离称为声波的传播速度，简称声速，通常以c表示。其单位为米/秒（m/s）。

从上述各物理参数的定义出发，它们之间存在如下关系

c＝λf＝λ/T　　（6．1）

在流体介质中，声波一般为纵波（或称为疏密波、压缩波），其声速c为

式中B为介质的体积弹性系数，ρ为介质的密度。一般来说，固体中的声速大于液体中的声速，而液体中的声速又大于气体中的声速。人体骨骼中的声速约4000m/s，软组织（主要含体液）中的声速约1540m/s，而气体（如肺泡或肠道中的气体）中的声速约350m/s。

4．声压

传声媒质中有声波传播时的压强与没有声波传播时的压强之差被定义为声压。例如，当有纵波声波传播时，在传声媒质中将引起周期相间的稠密与稀疏状态，在稠密区内压强大于原来没有声波传播时的静压强，即声压为正值；反之，在稀疏区内，压强小于原来的静压强，声压为负值。因此媒质的声传播可以表现为声压随时间（或空间）的周期变化。

对于平面声波，由声学原理可以证明，其声压幅值P可表示为

P＝ρcωA　　（6．3）

式中ωA为质点振动速度幅值。

5．声波的能量密度与声强

声波的能量密度定义为声场（指有声波传播的空间）中单位体积内声波携带的能量，以E表示，单位为焦/厘米³（J/cm³）。

声强定义为在单位时间内通过与声波传播方向相垂直的单位面积的能量，通常以I表示，单位为瓦/厘米²（W/cm²）。

由上述定义，对于平面声波可证明有如下关系：

I＝Ec＝ρc（ωA）²/2＝P²/2ρc　　（6．4）

上式表明，声强（I）与声压平方（P2）成正比。

6．声阻抗率

声波在介质中传播时，介质中某一点的声压与该处质点振动速度之比定义为介质的声阻抗率Z，即：

在线性简谐波范围，声阻抗率可以解得简单的表达式：

Z＝ρc　　（6．6）

由于流体中平面波c满足（6．2）式，故有：

这表明声阻抗率Z只与介质本身的声学特性有关，故也称特性阻抗。介质越硬，B值越高，声特性阻抗越大。声阻抗率的单位是瑞利，1瑞利＝1g/（cm²·s）。人体组织中三类组织的特性阻抗为：骨骼及钙化物约5．57×10⁶瑞利，软组织和体液约1．52×10⁶瑞利，气体及充气的肺约4×10²瑞利。

6．2．2　超声波的传播特性

超声波在介质中传播的物理性质和其他类型的波动类似，即在通过两种特性阻抗不同的介质的界面时有波的反射、折射、透射、散射等现象，两波相遇时遵循叠加原理。

1．反射和折射

（1）反射和折射的几何性质。平面超声波在无限大界面上的反射和折射定律与光学中是相同的。如图6．1（a）所示，介质1和介质2的特性阻抗分别是Z₁和Z₂，形成平面界面。P、I分别表示通过的声波在界面处的声压和声强，θ是声波与界面法线的夹角，下标i、r、t分别表示入射、反射和折射波。则有如下的反射和折射定律：

θ_i＝θ_r　　（6．8）