一、超声波
（一）基本概念
超声波（ultrasound wave）是一种振动频率高于20 000 Hz的机械波，超过了人耳能感知的声波频率（20～20 000 Hz）。
（二）物理特性
超声波是纵波，即在介质中传播时，质点振动的方向与声波传播的方向一致（图1-2-1）。质点振动时离开平衡位置的最大距离称为振幅，代表声波的强度或能量。声波传播过程中同一方向上的两个相邻的相位相差为2π的质点间的距离为波长（λ），即一个完整波的长度。形成一个波长所需要的时间称为周期（T）。单位时间内完成周期性变化的次数，即形成完整波的数目称为频率（f），单位为赫兹（Hz）。
图1-2-1 超声波传播示意图
声波在介质中传播的速度为声速（c）。超声波在介质中传播时，固体中的速度>液体中的速度>气体中的速度，其在人体软组织中传播的速度一般为1 540 m/s，不同介质中的声速参见图1-2-2。在特定的介质中，声速（c）与波长（λ）及频率（f）满足下列公式（1）：
（三）传播特性
1.声阻抗（acoustic impedance，Z）
又称声阻抗率，单位为瑞利（Rayl），指介质在波阵面某个面积上的声压与通过该面积的体积速度的复数比值。声阻抗作为介质的声学特性用以表征声波传播的能量损耗，其与介质密度（ρ）及介质声速（c）密切相关，公式（2）如下：
图1-2-2 不同介质中的声速
人体软组织的声阻抗值差别较小，约为1.524×105Rayl，但是声阻抗值在软组织与骨及软组织与空气之间差别较大。超声波在不同介质中传播时，不同介质之间的接触面构成了声学界面，当声阻抗差大于0.1%时，入射声波即可发生反射。声学界面的线度小于声波的波长者，称为小界面；大于波长者称为大界面。
2.反射、折射和散射
超声波在传播过程中遇到大界面时，一部分超声波的能量从界面处朝同一介质另一个方向折返，称为反射（reflection）；另一部分超声波能量进入另一介质中继续传播，但方向发生改变，称为折射（refraction）（图1-2-3）。
当入射角增大到某一角度，使折射角等于90°时，折射波完全消失，只剩下反射波，这种现象叫做全反射（total reflection）。反射的声波称为回声（echo）。超声波传播过程中遇到小界面而向四周各个方向辐射的现象，称为散射（scattering）（图1-2-4、图1-2-5）。
3.多普勒效应
多普勒效应指声频率由于声源与接收器的相对运动发生改变的现象（图1-2-6）。由多普勒效应引起的探头发射的超声波频率与运动体反射或散射的超声波频率之间的频差称为多普勒频移。多普勒频移公式（3）如下：
图1-2-3 超声波的入射、反射与折射
图1-2-4 反射（A）与散射（B）示意图
图1-2-5 超声波在表皮样囊肿内的反射（A）与散射（B）
公式中，fd为频移；v为运动目标的速度，即血流的速度；θ为声束与接收器运动方向之间的夹角，即声束与血流方向的夹角。公式中的cosθ通过分速度来获取血流的真实速度，临床应用中，θ必须小于60°；c为超声波在介质中的传播速度；f0为探头发射超声波的频率；正号表示运动目标朝向探头运动，负号表示运动目标背向探头运动。
图1-2-6 多普勒效应
4.衰减
声波在介质中传播时，随着距离的增大，由于介质吸收、散射及热传导性等导致声波能量减小的现象称为声衰减，主要由反射、散射、吸收等引起，在超声图像上表现为声影。人体组织的声衰减系数见图1-2-7，其衰减量与超声频率和传播距离有关，公式（4）如下：
公式中，α为衰减系数单位为dB/（cm·MHz），指声波经过单位距离介质所减少的声强；d为传播距离；f为频率。
图1-2-7 人体组织的声衰减系数
根据公式（4），在皮肤超声中，随着超声频率的增高，衰减量增大，穿透力减小。皮肤病灶表面的异常角化、瘢痕、结痂等是引起声衰减的常见原因（图1-2-8）。
图1-2-8 衰减(https://www.daowen.com)
A.病灶表面异常角化引起后方回声衰减（箭头所指处）。B.真皮层内钙化灶引起后方回声衰减（箭头所指处）。
（四）超声波的产生和接收
1.超声探头（probe）
超声探头又称超声换能器（transducer）（图1-2-9），是超声诊断仪的必备装置，用于发射和接收超声波。探头中的关键组件是压电材料，可在施压形变时表面产生电荷，而在交替电压下发生形变，从而实现机械能和电能互相转换。这种机械能转变为电能、电能转变为机械能的现象称为压电效应（piezoelectric effect）。其中将电能转换为机械能的过程称为逆压电效应（converse piezoelectric effect），是发射超声波的过程；将机械能转换为电能的过程称为正压电效应（direct piezoelectric effect），是接收超声波的过程。
图1-2-9 超声探头基本结构示意图
超声探头发射超声束后，人体浅层组织至最深层组织的回声信号依次到达探头，并依次转换为载有不同介质界面声学特征的电信号，超声仪器接收到信号后，经过解调、滤波、相关运算、模数转换、放大等过程后成像（图1-2-10）。
图1-2-10 超声波的发生和接收
2.声场
声场（acoustic field）指声波传播时在介质中声波存在的区域。探头发出超声波的中心轴线称为声轴，是声束传播的主方向。探头连续发射非聚焦声束，随着传播距离的增加，声束直径缓慢减小至某一点后迅速增大，该点与探头间为近场区，该点远侧为远场区（图1-2-11）。
3.声束聚焦
非聚焦声束在近场区因旁瓣影响而导致能量分布混乱，而在远场区声束扩散，难以用于超声诊断，因此，采用声透镜聚焦、可变孔径聚焦、电子动态聚焦等技术使扫描声束变细，并尽可能消除旁瓣影响，这个过程称为声束聚焦（图1-2-11）。
图1-2-11 声场及声束聚焦