河南科技大学教案-----《医学超声学基础》
相对于波的传播方向，质点的振动方向可以不同。 1、纵波
纵波是质点的振动方向与波的传播方向相同的波，用L表示。
例如音叉在空气介质中振动所产生的声波，空气介质中的质点沿水平方向振动，振动的方向与声波的传播方向一致，传播时介质的质点发生疏密的变化。
纵波可以在固体、液体、气体介质中传播。 2、横波
介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称横波，用S或T表示。
一个典型的例子便是如图2-3所示的软绳上的波，我们不妨把软绳看成密集质点的集合，如果不断地摆动软绳的一头，则一系列的横向振动的波就由绳子的左端向右端移去，而绳上各质点并不随波的传播方向移去，只是在各自的平衡位置附近作横向(剪切形式)的振动。横波不能在液体及气体介质中传播，这是因为液体和气体无切变弹性。
图2-3 波的传递
3、表面波R
当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，常用R表示，如图2—4所示。
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图2-4 表面波
表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成。同此表面波只能在固体介质中传播(介质表面)，而巳表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了。
因此，一般认为：表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。表面波是超声波的一种，仅在物体表面浅层进行传播，其能量主要集中在深度小于两倍声波波长的表面浅层。 4、板波
在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的板波。 （二）按波的形状分类
波的形状是根据波阵面的形状来区分的。 波从波源出发，在介质中向各个方向传播。
在某一时刻介质中振动相位相同的所有质点组成的面称为波阵面。
某一时刻，波动所到达的空间各点所连成的面称为波前，波的传播方向称为波线。
任意时刻，波前只有一个，而波阵面却有多个。 在各向同性的介质中，波线恒垂直于波阵面或波前。 波阵面有各种形状，根据波阵面的形状不同，可以把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波。波面为平面的波称为平面波，波面为球面的波称为球面波，波面为柱面的波称为柱面波。如图2-5。
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图2-5 平面波 球面波 柱面波
1、平面波
波阵面为互相平行的平面的波称为平面波。平面波的波源为一平面。
尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的均匀介质中辐射的波可视为平面波，平面波束不扩散，平面波各质点振幅是一个常数，不随距离而变化。
平面波的波动方程为：
2、柱面波
波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。柱面波的波源为一条线。
长度远大于波长的线状波源在各向同性的均匀介质中辐射的波可视为柱面波，柱面波波束向四周扩散，柱面波各质点的振幅与距离的平方根成反比。 柱面波的波动方程为：
3、球面波
波阵面为同心球面的波称为球面波。球面波的波源为一点。
尺寸远小于波长的点波源在各向同性的均匀介质中辐射的波可视为球面波，球面波波束向四面八方扩散，球面波各质点的振幅与距离成反比。
球面波的波动方程为： 平面波对于研究问题来说最为简单，超声诊断中，探头发射的超声波在近场可视为平面波，在远场可视为球面波
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（或球面的一部分）。但为了方便起见，我们把它都视为平面波。超声波与人体内微小障碍物（如红细胞）发生作用时，障碍物散射的超声波是球面波。 （三）按振动的持续时间分类
根据波源振动的持续时间长短，将波动分为连续波和脉冲波。如图2-6。
图2-6 连续波与脉冲波
1、连续波
波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。 2、脉冲波
波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级，1微秒=10-6秒），间歇辐射的波称为脉冲波。 三、超声波的传播速度
超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和介质的密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质，有不同的声速。超声波波型不同时，介质弹性变形形式不同，声速也不一样。因此超声在介质中的传播速度是表征介质声学特性的重要参数。 1、固体介质中的声速
固体介质不仅能传播纵波，而且可以传播横波，但它们的声速是不相同的，此外介质尺寸的大小对声速也有一定的影响，如无限大介质与细长棒中的声速不一样，当介质尺寸远大于波长时，就可以视为无限大介质。
在无限大介质中，纵波声速为 cL?横波声速为
E?1??(1??)(1?2?)
cS?
G??E?12(1??)9
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在细长棒中(棒径d≤λ)轴向传播的纵波声速与无限大介质中纵波声速不同，细长棒中的纵波声速为：
cLd?E?
以上公式中，
E----介质的杨式弹性模量，等于介质承受的拉应力F/S与相对伸长ΔL/L之比，即 E??L/L ； ρ----介质的密度，等于介质的质量M与体积V之比，
即 ??M ； VF/Sσ----介质的泊松比，等于介质横向相对缩短?1??dd与
?1?L????纵向相对伸长 L 之比，即 ?；
G----是介质的切变弹性模量，等于介质承受的切应力Q/S
Q/SG?与切应变γ之比，即 ? 。
由上两式可知：
（1） 固体介质中的声速与介质密度和弹性模量等性质有
关，不同的介质，声速不同，介质的弹性模量愈大，密度愈小，则声速愈大。 （2） 声速还与波的类型有关，同一固体介质中，纵波、横
波的声速都各不相同，并且相互之间有以下关系：
?1 即 cL?cS。
如钢材，σ≈0.28，cL≈1.8cS。 2、液体和气体介质中的纵波声速
由于液体和气体只能承受压应力，不能承受剪切应力，因此液体和气体介质中只能传播纵波，液体和气体中的纵
波波速为： cL?BcLcS?2(1??)1?2??
式中，B——液体、气体介质的体积弹性模量，表示产生单位体积相对变化量所需压强；
ρ——液体、气体介质的密度（惯性）。
由上式可知，液体、气体介质中的纵波声速与其容变弹性模量和密度有关，介质的容变弹性模量愈大，密度愈小，声速就愈大。
3、液体和气体介质中纵波声速随温度的变化
当介质温度变化时，介质的容变弹性模量和密度也会发生变化，声速也随着变化。
几乎除水以外的所有液体，当温度升高时，容变弹性模
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