2. 超声物理基础

超声换能器驱动与接收系统的设计，本质上是在与声波的物理规律打交道。换能器把电信号变成机械振动，振动在介质中以声波形式传播，遇到界面再反射或透射，最终又回到换能器变成电信号。要理解驱动电压、接收增益、匹配网络为什么这样设计，就必须先掌握声波传播、声阻抗、声压、声强、频率、波长、衰减与匹配层这八个基本概念。它们不是孤立参数，而是彼此耦合、共同决定系统性能的一组物理量。

一、声波传播与频率、波长

声波是机械振动在弹性介质中的传播，属于纵波。介质质点沿传播方向往复振动，形成交替的压缩区与稀疏区。在超声检测与成像常用的 1 MHz～20 MHz 频段内，声波在人体软组织、水、金属等介质中的传播速度基本由介质本身决定，与频率关系不大。例如水中声速约 1480 m/s，人体软组织约 1540 m/s，钢中约 5900 m/s。

频率 f、波长 λ 与声速 c 满足基本关系：

λ = c / f

例：软组织 c = 1540 m/s
f = 1 MHz  → λ = 1.54 mm
f = 5 MHz  → λ = 0.308 mm
f = 10 MHz → λ = 0.154 mm

波长直接决定空间分辨率。频率越高，波长越短，轴向分辨率越好，但衰减也越严重。因此浅表器官成像常用 7.5～15 MHz，而腹部深部成像多用 2～5 MHz。驱动电路的工作频率必须与换能器谐振频率匹配，否则发射效率会显著下降。

二、声压、声强与声阻抗

声压 p 是声波传播时介质中某点的压强相对于静压的增量，单位 Pa。声强 I 是单位面积上通过的声功率，单位 W/cm²，与声压的平方成正比：

I = p² / (2ρc)

其中 ρ 为介质密度，c 为声速，ρc 即声阻抗 Z

声阻抗 Z = ρc，单位 Rayl（1 Rayl = 1 kg/(m²·s)）。它反映介质对声波传播的“阻碍”程度，是界面反射与透射的决定性参数。下表列出常见介质的典型参数：

可以看到，压电陶瓷的声阻抗约 30 MRayl，而软组织只有 1.62 MRayl，两者相差近 20 倍。若直接接触，界面反射系数极大，绝大部分声能无法进入人体，这正是必须引入匹配层的根本原因。

三、界面反射、透射与匹配层

当声波垂直入射到两种介质的界面时，反射系数 R 与透射系数 T 由声阻抗决定：

R = (Z₂ − Z₁) / (Z₂ + Z₁)
T = 2Z₂ / (Z₁ + Z₂)

PZT→软组织：
R = (1.62 − 30) / (1.62 + 30) ≈ −0.898
|R|² ≈ 0.807，即约 81% 声能被反射

为把声能有效耦合进人体，需要在压电陶瓷与负载之间插入一层或多层匹配层。单层匹配层的理想声阻抗为：

Z_match = √(Z_pzt × Z_load)
        = √(30 × 1.62) ≈ 6.97 MRayl

匹配层厚度 t = λ_match / 4 = c_match / (4f)

这就是经典的“四分之一波长匹配层”。实际设计中，匹配层材料常选用环氧树脂加金属粉、玻璃微珠复合材料等，通过调节填料比例把声阻抗调到 5～10 MRayl 区间。双层匹配层可进一步拓宽带宽，但会增加工艺复杂度与厚度控制难度。

四、衰减与频率选择

声波在介质中传播时，声压随距离按指数衰减：

p(x) = p₀ · e^(−αx)
I(x) = I₀ · e^(−2αx)

α 为衰减系数，单位 dB/(cm·MHz)
软组织典型值：α ≈ 0.5 dB/(cm·MHz)

衰减主要包括吸收、散射和声束扩散。频率越高，衰减越快。例如 5 MHz 声波在软组织中传播 5 cm，单程衰减约 0.5×5×5 = 12.5 dB，往返则约 25 dB。这意味着接收到的回波可能比发射信号弱几个数量级，接收链路必须具备足够的动态范围与低噪声前置放大能力。

下图把本节核心物理量及其相互关系集中呈现，便于建立整体认知：

五、案例与常见误区

假设设计一支 5 MHz 单层匹配层探头，压电陶瓷 Z₁ = 30 MRayl，负载 Z₂ = 1.62 MRayl。按公式计算匹配层声阻抗约 6.97 MRayl，若匹配层材料声速为 2500 m/s，则厚度应为 2500/(4×5×10⁶) = 0.125 mm。若实际厚度偏差到 0.15 mm，等效于偏离四分之一波长条件，发射效率会明显下降，回波幅度可能降低 2～4 dB。

掌握这些基本概念后，后续讨论驱动脉冲宽度、阻尼电阻、接收 TGC 曲线和匹配网络时，就能从物理量出发判断参数调整的方向，而不是盲目试错。