声波的物理学性能

第一节　声波的物理学性能

声波是物体在弹性媒质(如固体、气体、液体)中机械振动，使媒质交替出现稠密区、稀疏区，而形成的一种依靠媒质传播的弹性纵波。根据弹性纵波的频率不同可分为声波(狭义)、超声波、次声波。频率为16～20000 Hz，可引起正常人耳的声音感觉的声波，称为声波(狭义)。频率在20000 Hz以上，不引起正常人耳声音感觉的声波，称为超声波。频率低于16 Hz，不引起正常人耳声音感觉的声波，称为次声波。

声波在媒质中的传播速度与媒质的特性有关，与声波的频率无关。不同频率的声波在同一媒质中的传播速度是相同的，但同一频率的声波在不同媒质中传播速度不同。超声波在各种媒质中的传播速度见表5-1。

表5-1　超声波在媒质中的传播速度

然而，超声波的传播距离既与媒质特性有关又与超声波频率有关，在同一媒质中频率愈高，传播愈近;反之亦然。

声波类似于光波，具有反射、折射、衍射、聚焦等性质。声波在不同媒质交接面发生反射的程度，与两媒质声阻有关(媒质的密度和声速的乘积称为媒质的声阻)。两媒质声阻相差越大，反射越强;声阻越相近，反射越弱。因为空气与液体或固体的声阻相差大，所以，超声波作用人体时要在体表加凡士林、液状石蜡等，以保持超声波声头与体表紧密接触，避免界面的强烈反射。

声波在空间传播的范围称为声场，主要物理量有声压和声强。声压是指声波在媒质中产生的稠密区与稀疏区的压力差。声强是指单位时间(t)内通过单位面积(cm²)的声音强度，常用单位为瓦每平方厘米(W/cm²)。声强与频率的平方、振幅的平方和媒质密度的乘积成正比，与声压的平方成正比。治疗剂量的超声波在组织中可产生的声压约2.6个大气压。

声波在媒质中传播其声强要逐渐减弱，原因有二:

(1)声波向四周散射。当声源的直径大于波长时，声波即呈直线传播。声波频率愈高，声波愈集中成束射。这均可以避免声波因散射而降低声强。因此，在临床上，超声的声头直径一般为其波长的6倍以上，以使声头束集中成束状且愈近中心声强愈强。

(2)声波可引起媒质内摩擦，使部分声能被媒质吸收，转变为热能，致声能的逐渐衰减。声波吸收与媒质的密度、黏稠度、声波的频率、声速等有关。媒质密度小、黏稠度大均可使声波吸收增大。所以声波在空气中的吸收系数比水中大1000倍。又因，在同一媒质吸收系数与声波频率平方成正比，所以，超声波作用于人体时，与体表不能有空气泡，即使很薄、很小的空气泡也可使超声波吸收急剧增加。当然，对于治疗用的超声波频率要适中，一般选择800～1000 kHz，因为频率过高，超声波穿透能力低，在深部治疗剂量太小;频率过低，超声波穿透力强，使病灶吸收的声能太少，不足以产生治疗效果。频率为800～1000 kHz的超声波的穿透深度为5 cm左右(肌肉和脂肪层)。

在临床工作中，通常以半吸收层的厚度来表示媒质对超声波吸收的强弱。半吸收层就是某种物质将超声能吸收降低为原来一半所需的厚度。根据在同一媒质中声波吸收系数与声波频率的平方成正比可知:超声波频率愈高，半吸收层值愈小;反之则大。