A-Level物理——超声波成像原理!

A-Level物理 02/22

  在我们的生活中,超声波被广泛应用:可用于清洗、碎石、杀菌消毒等,常见的应用便是在医院里的B超检查。今天跟大家仔细聊聊超声波成像技术的基本原理,并解析A-Level物理真题考点!

  那你了解过超声波吗?知道超声波的基本原理吗?

  学习过A-Level物理的同学,会发现超声波也是常常被提起的考点之一!

  在开始详细学习前,首先需要了解几个基本概念:超声波(ultrasound)和压电晶体(piezoelectric crystal)

  

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  超声波(ultrasound)是频率超出人听觉之外的声波,常用于成像的超声波频率在十万至百万赫兹之间。

  高频的声波靠高频的电压所产生,频率越高,传入身体内部的超声波的衍射现象越少。换个角度来说,当波速固定时,波长和频率成反比,超声波的波长就相当于这种成像技术的仪器精度,频率越高,检测技术也就越精细。


  广义上讲,transducer是一切将能量从一种形式转化成另一种形式的装置。但在超声波仪器中,它的功能是将外界输入的高频交流电转化成超声波,并将接收到的超声波转化成电能的设备,简言之,transducer既是超声波的发射器(transmitter)也是接收器(receiver)。

 

  装置的核心部件是石英(也称作压电晶体 piezoelectric crystal),它和麦克风的原理一样。当外界声波能量输入时,石英晶体发生变形(distortion),行变量导致晶体两侧产生一个电势差,电势差的高低和频率的特征与接收的声波强度和频率同步。一般体检中使用的超声波频率为5000赫兹。

  了解了以上2个基本概念之后,我们来看一下超声波成像的步骤:

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  首先,高频交流电导致晶体振动,振动发声。声波与高频电压同步,当交流电压的频率等于晶体的固有频率时,产生共振。随后,发射进入身体的超声波在密度差异比较大的肌肉-脂肪或者肌肉-骨骼的界面发生反射。

  

  最后,transducer根据发射与反射的时间差,根据简单的“回声原理”计算出反射面的厚度。由点及面,多个“厚度”数据组合成体内结构的二维图,也就是我们做B超检查时,电脑屏幕上所形成的照片。

  

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  在历年真题中,超声波的考查范围包括声波的产生、接收以及超声波的吸收性和反射比率的计算。

  接下来以2道真题为例,带大家感受一下A-Level物理中超声波的考查难度。

  (1)(2020年10月P43)Explain the principles of the generation of ultrasound waves for use in medical diagnosis. [4]

  【解析】对超声波的产生原理的解释,需要扣到能量输入(交流电)、转化(压电晶体)和形式(超声波), 输入交流电和超声波之间的关联在于“共振”,因为二者频率相同,符合共振的发生条件。具体答题思路如下:

  quartz crystal

  alternating p.d. across crystal causes it to vibrate

  resonance occurs when frequency of p.d. matches natural frequency of crystal natural frequency of crystal is in ultrasound range

  备注:超声波的产生(上)和超声波的接收(下)原理示意图

  (2)(2020年5月P42)Explain the principles of the detection of ultrasound waves for medical diagnosis. [4]

  【解析】超声波的检测过程需要覆盖到波源、接收装置和后续处理三部分。具体答题思路为:

  pulses of ultrasound

  ultrasound incident on quartz crystal

  waves make crystal oscillate

  oscillations (of crystal) generates an e.m.f. (across the crystal)