【A-Level物理干货】疑惑了很多年，我终于知道超声波成像原理了！

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

最常见的应用便是在医院里的B超检查

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!

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!

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)

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：

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。

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)