实验3.7 单源换能器辐射声场特性的研究及伪像识别
实验目的
1.深入理解单源换能器的辐射声场；
2.比较超声脉冲宽度和声波频率对纵向分辨力的影响；
3.理解超声成像中出现伪像的原因。
实验器材
A型超声诊断仪、2.5MHz和5.0MHz的探头（各一只）、有机玻璃水槽（方形、长方形各一个）、中间有空气薄层的有机玻璃片、有机玻璃薄片4个、耦合剂等。
实验原理
1.在圆活塞形单源换能器所辐射的超声场中，沿换能器轴线上声压极大值和极小值的分布如图3-37所示。由图可见，近场区声压起伏剧烈，并有多处声压极小值点，因而在近场区内超声波遇到反射面时，不可能获得幅度均匀稳定的反射回波，因此近场区不利于超声探测。最后一个声压极大值所对应的长度称为超声场的近场长度，用L表示。
式中a为圆活塞的半径，λ为超声波的波长。显然，a愈大或超声波频率愈高，近场区域就愈长，超声探测愈不利。
图3-37 近场声压分布
在圆探头轴线的周围，由于声波的叠加，沿不同方向的声压以轴线为对称而起伏变化，形成一个沿轴线方向的声束主瓣和若干旁瓣组成的声场。其中声束主瓣的半发散角
对比（3-7）和（3-8）式，仅仅改变圆探头的半径只能顾此失彼。如果将a减小，盲区变短，但却使声束的指向性随之下降，这是我们所要避免的，目前改进声束特性的办法是在探头的结构上采用遮幅和聚焦等技术。
2.成像系统的分辨力是决定图像质量的主要因素，它是由超声束的性能决定的。声波频率和声束的截面线度决定了成像系统的纵向分辨力、横向分辨力和厚度分辨力。纵向分辨力是指声束分辨沿轴线方向上两个小物点的能力：
如图3-38所示，若由B处反射的脉冲波bb′前沿b恰与A处反射的脉冲波aa′的后沿a′首尾相接，探头有可能分别接收到2个脉冲，A与B刚刚能被分辨，则A与B间的距离即为ΔX，所以
式中c为声速，t是声波脉冲的时间宽度。
图3-38 纵向分辨力示意图
由于脉冲时间宽度t与脉冲的最大能量发射频率f0有如下的关系：
故f0愈高，系统的纵向分辨力也愈高。
3.医学超声诊断设备大都采用了脉冲回声技术，而在超声成像中由于诊断对象的组织结构特点和超声本身的物理特性等方面的原因会产生伪像，伪像因发生的条件不同而有多种，如多重反射伪像、声影、侧壁失落等。本实验通过人为设置伪像产生条件，利用A型超声示波，通过观察回波位置、回波的多少、回波的缺失或回波幅度等现象来理解B超辉度显示中出现的伪像，为识别和利用伪像打下基础。
实验内容与步骤
调节超声波诊断仪，使之处于正常工作状态。将深度“粗调”置于1，调节深度“微调”，使时标一格对准刻尺一大格，此时时标每格代表1cm。以下各实验步骤，仪器均处于此工作状态。
1.半扩散角的测定
（1）在底部贴有坐标纸的方形有机玻璃水槽中注入适量的蒸馏水。
（2）探头涂液体石蜡后紧贴水槽外部中间处固定不动。
（3）在离探头距离y为4cm处的水槽内放置有机玻璃片，并与探头垂直。左右移动有机玻璃片，记下反射回波消失时有机玻璃片左右两个边缘之间的距离x，并记入表3-2中。
（4）在离探头分别相距6cm和8cm处的水槽内放置有机玻璃片，重复步骤1～3。
（5）根据实验数据，按公式θ=arctan（x/2y）计算出半扩散角，并与理论计算值θ=arcsin（0.61λ/a）比较。
2.纵向分辨力的测定
（1）将方形水槽换成外侧带有标尺的长形水槽（后同），将2.5MHz的探头涂上液体石蜡后置于标尺刻度为零的水槽外侧。
（2）在距离探头6cm处放置一有机玻璃片1，并使之与探头垂直。
（3）将另一有机玻璃片2置于距离探头7cm处的水槽中，并使之与探头垂直，观察两个界面的回波情况。(https://www.daowen.com)
（4）将玻璃片2逐渐向玻璃片1推进，直到两片的反射回波重叠，记下两片之间的距离ΔX于表3-3中。
（5）根据公式1/ΔX计算出2.5MHz探头的纵向分辨力。（6）将探头换成5.0MHz，重复步骤1～5。
（7）比较频率对纵向分辨力的影响。
3.伪像的模拟
（1）多重反射伪像：
①将有机玻璃片置于水槽中距离探头3.0cm处，并使之与探头垂直。适当调节“增益”和“衰减”旋钮，使屏幕上出现多个清晰回波，记录下所观察到的各回波间的距离，填入表3-4中。
②将有机玻璃片先后移至距探头2.0cm和4.0cm处，并使之与探头垂直。观察回波个数的变化情况及各回波之间的距离，填入表3-4中。
③总结所观察到的实验现象。
（2）声影：
①将“多重反射伪像”中的有机玻璃片换成中间有空气薄层的有机玻璃片2，置于距离探头6.0cm处。记录回波位置，填入表3-5中。
②将另外两有机玻璃片1，3分别置于距离探头4.0cm和8.0cm处，记录回波情况。
③撤掉中间有空气薄层的有机玻璃片2，记录所观察到的回波情况。
④总结所观察到的实验现象。
（3）界面失落现象与超声沿直线传播物理假定的验证：
①在距离探头5.0cm和7.0cm处分别放置有机玻璃片1，2，并使之与探头垂直。观察并记录回波情况，填入表3-6中。
②保持有机玻璃片2不动，缓慢转动有机玻璃片1，直到回波1消失，观察并记录有机玻璃片2的回波情况，填入表3-6中。
③取走有机玻璃片1，观察并记录有机玻璃片2的回波情况，填入表3-6中。
④总结观察到的实验现象。
（4）多重反射伪像：
①将有机玻璃片1置于方形水槽中与探头相距4.0cm处，并与探头垂直。观察并记录回波1位置，填入表3-7中。
②转动有机玻璃片1至回波消失为止。
③在有机玻璃片1反射回波的方向上放置中间带有空气薄层的有机玻璃片2，调整界面2方向，直到重新在屏幕上观察到反射回波2为止。记录此时反射回波2的位置，填入表3-7中。
④保持界面2位置不变，取走有机玻璃片1，观察回波情况。
⑤总结观察到的实验现象。
数据记录与处理
表3-2 半扩散角的测定
表3-3 纵向分辨力的测定
表3-4 多重反射伪像
表3-5 声影的观测
表3-6 界面失落现象与超声沿直线传播物理假定的验证
表3-7 多重反射伪像
