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📘 超声物理习题集与详解⚓︎

约 4759 个字 预计阅读时间 24 分钟

超声只需要仔细阅读小飞的习题就行了，小飞真的是无语......。chalaoshi上的评分低不是没有原因的。可以听他讲20min感受一下，建议就是千千万万不要听他讲课，活受罪啊。

学习的话，建议不学，考前补天。今年小飞出题还是挺友好的，完完全全出的是《习题集》原题超声的内容不是很多，完全可以网上先了解大概知识点，然后看学长学姐的遗留资料去学习，加以小飞的《习题集》分析。

lzc的复习资料非常全面了，完全可以就按照这个来

下面是小飞的《习题集》，答案是与 AI 核对的

一、 单选题⚓︎

1. 对于垂直入射，如果介质1和介质2的声阻抗相等，那么（ ）。 * A. 发生微弱的反射 * B. 发生很强的反射 * C. 发生微弱的透射 * D. 没有反射

参考答案：D 解析：垂直入射时的反射系数取决于声阻抗差。若 \(Z_1 = Z_2\)，反射系数 \(R=0\)，能量全部透射。

2. 组织的声阻抗大约为2MRayls，那么对于匹配层和换能器PZT材料的的声阻抗下面正确的是？（ ） * A. PZT < 匹配层 < 2MRayls * B. 2MRayls < PZT < 匹配层 * C. 匹配层 < 2MRayls < PZT * D. 2MRayls < 匹配层 < PZT

参考答案：D 解析：匹配层的作用是过渡高阻抗的PZT（约30-40 MRayls）和低阻抗的组织（约1.5-2 MRayls）。理想的匹配层阻抗应为两者的几何平均值，即 \(Z_{组织} < Z_{匹配层} < Z_{PZT}\)。

3. PRF（脉冲重复频率）的最佳定义为：（ ） * A. 两个相邻脉冲之间的时间间隔 * B. 脉冲内部的频率 * C. 脉冲内部两个波峰间的时间 * D. 每秒内发射的脉冲个数

参考答案：D 解析：PRF (Pulse Repetition Frequency) 指每秒产生或发射的脉冲数量。

4. 使用分贝的振幅形式，振幅因数10相当于多少dB？（ ） * A. 5 * B. 10 * C. 20 * D. 40

参考答案：C 解析：振幅分贝公式为 \(dB = 20 \log(\frac{A}{A_0})\)。\(20 \log(10) = 20 \times 1 = 20 dB\)。

5. 对于垂直入射，介质1和介质2的密度及波的传播速度有很大不同，但是他们的声阻抗是相同的。下面哪项是正确的？（ ） * A. 发生微弱的反射 * B. 发生很强的反射 * C. 发生微弱的透射 * D. 没有反射

参考答案：D 解析：垂直入射的反射仅由声阻抗 (\(Z=\rho c\)) 决定。只要乘积 \(Z\) 相等，无论密度 \(\rho\) 和声速 \(c\) 分别如何，都不会发生反射。

6. 下列选项哪个不会引起波长变化？（ ） * A. 周期变化 * B. 介质劲度变化 * C. 介质密度变化 * D. 发射信号幅度变化

参考答案：D 解析：波长 \(\lambda = c/f\)。周期变化影响频率 \(f\)；劲度和密度变化影响声速 \(c\)。幅度（振幅）只影响信号强弱，不改变波长。

7. 因为频率由系统和换能器决定，而波速又依赖于介质的性质，并且f，λ，c是相关的，那波长一定取决于（ ）。 * A. 系统和换能器 * B. 介质的性质 * C. 仅仅是频率 * D. 频率和传播速度

参考答案：D 解析：根据 \(\lambda = c/f\)，波长同时取决于介质决定的声速 (\(c\)) 和声源决定的频率 (\(f\))。

8. 超声换能器实际上充当两种类型的感官。发送时，将电压转换成 ( )能；接收时，将( )能转换为( )能。（ ） * A. 热；热；电 * B. 声；声；电 * C. 热；声；热 * D. 声；声；热

参考答案：B 解析：发射：逆压电效应（电\(\rightarrow\)声）；接收：压电效应（声\(\rightarrow\)电）。

9. 决定超声波频率的是什么?（ ） * A. 介质 * B. 脉冲发生器 * C. 病人人体 * D. 波长

参考答案：B 解析：频率由声源（脉冲发生器/换能器）决定，与传播介质无关。

10. 幅度增大2倍等价于( )dB。 * A. 1 * B. 2 * C. 3 * D. 6

参考答案：D 解析：\(20 \log(2) \approx 20 \times 0.301 = 6 dB\)。

11. 下列哪些不是电磁波？（ ） * A. X射线 * B. 可见光 * C. 声音 * D. 电视信号

参考答案：C 解析：声音是机械波，需要介质；其他选项均为电磁波。

12. 声音是（ ）和（ ）。( ) * A. 纵波，电磁波 * B. 纵波，机械波 * C. 横波，电磁波 * D. 横波，机械波

参考答案：B 解析：超声在软组织中主要以纵波形式传播，且本质是机械波。

13. 对于纵波来说，能量是通过介质质点一系列的（ ） 和（ ）传播的。（ ） * A. 压缩，加热 * B. 膨胀，反射 * C. 反射，折射 * D. 压缩，膨胀

参考答案：D 解析：纵波的特征是质点的压缩（Compression）和稀疏/膨胀（Rarefaction/Expansion）。

14. 下列哪两个选项表达相同信息？（ ） * A. frequency=3kHz，period=0.1msec * B. frequency=3kHz，period=10ksec * C. frequency=10kHz，period=0.1msec * D. frequency=10kHz，period=10ksec

参考答案：C 解析：\(T = 1/f\)。\(10 kHz = 10,000 Hz \rightarrow T = 1/10000 s = 0.0001 s = 0.1 ms\)。

15. 若波速不变而频率改变，波长会（ ）。 * A. 改变 * B. 持续不变 * C. 不能确定

参考答案：A 解析：由 \(\lambda = c/f\) 可知，c不变，f变，\(\lambda\) 必变。

16. 对于镜面反射，入射角等于（ ）。 * A. 直角 * B. 折射角 * C. 反射角 * D. 透射角

参考答案：C 解析：反射定律：入射角等于反射角。

17. 换能器是一种将一种形式的（ ） 转换成另一种形式。 * A. 波 * B. 声音 * C. 振动 * D. 能量

参考答案：D 解析：换能器的广义定义是能量转换器。

18. 下面哪个与横向分辨力不同？( ) * A. 径向 * B. 角度方向 * C. 方位角方向 * D. 横向

参考答案：A 解析：径向（Radial）通常指轴向（Axial）分辨力。B、C、D 均是横向（Lateral）分辨力的别称。

19. 声波在人体软组织中的平均传播速度约为：（ ） * A. 340 m/s * B. 1540 m/s * C. 3000 m/s * D. 5000 m/s

参考答案：B

20. 吸收随着频率的（ ）而增加，造成穿透力减弱。 * A. 增加 * B. 减弱 * C. 与频率无关

参考答案：A 解析：频率越高，衰减（吸收）越快。

21. 超声换能器实际上充当两种类型的感官。发送时，超声换能器将电压信号转换成（ ）能。 * A. 热 * B. 声 * C. 磁

参考答案：B

22. 密度的定义是（ ） * A. 质量/体积：\(kg/m^3\) * B. 质量/体积：\(kg/m^2\) * C. 体积/质量：\(m^3/kg\) * D. 质量×体积：\(m^3kg\)

参考答案：A

23. 电磁波（ ） * A. 不传输能量 * B. 不能通过介质传播 * C. 包含声波 * D. 以上都不是

参考答案：D 解析：电磁波传输能量，且可以在真空中传播。A、B、C描述均错误。

24. （ ）大多通过周期性变化传播形成了波。 * A. 粒子 * B. 能量 * C. 电压 * D. 温度

参考答案：B

25. “无回声”在超声图像中表示：（ ） * A. 高反射 * B. 中等反射 * C. 无反射或极弱反射 * D. 折射强烈

参考答案：C

26. 下面哪一项可能是超声波中的PRF？( ) * A. 1MHz * B. 2MHz * C. 10KHz * D. 10Hz

参考答案：C 解析：超声频率通常是 MHz 级别，而 PRF（脉冲重复频率）通常是 kHz 级别（如 1-10kHz）。

27. 在超声波成像中，使用耦合凝胶的主要目的是：（ ） * A. 增强吸收 * B. 增强皮肤表面反射 * C. 排除空气，减少声阻抗不匹配 * D. 增加频率

参考答案：C

28. 场深宽表明波束聚集到焦点处再发散这一过程( ) * A. 快 * B. 慢 * C. 不变 * D. 以上均不是

参考答案：B 解析：场深（Depth of Field）宽意味着波束在较长距离内保持狭窄，即发散过程慢。

29. 下列哪种物质的声阻抗最高？（ ） * A. 空气 * B. 水 * C. 脂肪 * D. 骨骼

参考答案：D

30. 若超声波从肌肉（Z≈1.6 MRayls）垂直入射到骨骼（Z≈5.5 MRayls），反射能量约为：（ ） * A. 10% * B. 30% * C. 50% * D. 75%

参考答案：B 解析：\(R = (\frac{5.5 - 1.6}{5.5 + 1.6})^2 = (\frac{3.9}{7.1})^2 \approx 0.55^2 \approx 0.30\)。

31. “高回声”区域在图像中表现为：（ ） * A. 黑色 * B. 灰色 * C. 白色 * D. 无信号

参考答案：C

32. 下列选项中，不属于超声的生物学效应的是？（ ） * A. 热效应 * B. 空化效应 * C. 机械效应 * D. 多普勒效应

参考答案：D 解析：多普勒效应是物理原理，不是生物效应。

33. 下列哪项不属于换能器的主要组成部分？（ ） * A. 压电晶体 * B. 衬底材料 * C. 声透镜 * D. 射频发生器

参考答案：D 解析：射频发生器在主机中。

34. 以下哪一种器官或结构是常规诊断性超声难以清晰成像的？（ ） * A. 肝脏 * B. 充满尿液的膀胱 * C. 心脏 * D. 肺

参考答案：D 解析：肺部含气，全反射导致无法成像。

35. 在人体组织中，超声波传播速度最快的是在？（ ） * A. 脂肪 * B. 血液 * C. 肝脏 * D. 骨骼

参考答案：D

36. 关于波的幅度，以下描述错误的是？（ ） * A. 幅度是信号强度的量度 * B. 幅度与频率是相互关联的 * C. 功率正比于幅度的平方 * D. 幅度可以用于度量声学变量

参考答案：B 解析：频率和幅度是波的两个独立参数。

37. 诊断超声的频率范围（2-12 MHz）选择，主要是在哪两个因素之间进行权衡？（ ） * A. 频率与周期 * B. 横波与纵波 * C. 分辨率与穿透力 * D. 幅度与功率

参考答案：C

38. 诊断超声常用的频率范围是：（ ） * A. 20Hz–20kHz * B. 1kHz–100kHz * C. 2MHz–12MHz * D. 100MHz–200MHz

参考答案：C

39. 以下哪一项是导致超声波难以对胃和肺部进行清晰成像的主要原因？ * A. 胃壁和肺部的肌肉组织过于肥厚... * B. 胃和肺内部缺乏可以作为声波传导介质的液体... * C. 胃和肺是空腔脏器，其内部或边界存在大量气体，导致声波几乎被全反射。 * D. 胃和肺的位置在身体深处，周围有骨骼阻挡，声波无法到达。

参考答案：C

40. 超声波通常不用作成人颅脑常规检查的主要成像工具，原因是什么？ * A. 脑组织密度不均... * B. 颅骨结构致密，声阻抗高，对超声波具有强烈的衰减和反射作用。 * C. 颅内血流速度过快... * D. 脑脊液的声学特性，脑脊液的声学特性与脑组织过于接近，无法产生足够的对比度。

参考答案：B

二、 填空题⚓︎

  1. [匹配层] 被用来最小化PZT与人体组织之间的阻抗偏差。
  2. [分辨力] 是分辨两个物体的能力。
  3. 两台不同的超声波系统在同一个病人身上的相同位置执行同样的检查。如果波长不同，那么 [频率] 一定不同。
  4. 超声换能器普遍使用的材料是 [锆钛酸铅] （英文缩写是PZT）。
  5. 超声换能器应用的是 [压电] 效应。
  6. 在软组织内， [吸收] 是引起衰减的主要因素。
  7. 吸收随着频率的增加而 [增加]，造成穿透力减弱。
  8. [占空比] 等于脉冲波所用的时间占整个脉冲时间的百分比。
  9. 如果没有匹配层，换能器与组织之间就会有很大的声阻抗偏差，导致大的 [反射] 或者说是传输少。
  10. 如果晶体的声阻抗是36MRayls，组织的声阻抗是4MRayls，那么匹配层的最佳声阻抗是 [12] MRayls。（计算：\(\sqrt{36 \times 4}=12\)）。
  11. 在不同病人身上使用相同频率的换能器，如果波长不同，那么 [传播速度] 一定不同。
  12. 如果频率和传播速度都翻倍，波长 [不变]。
  13. 声阻抗是由下式定义的：[密度乘以传播速度 (\(\rho \cdot c\))]。
  14. 衰减是由下列三种波与介质的相互作用组成的：[吸收]、[反射]、[散射]。
  15. 超声波是指频率超过人耳的听觉范围，即超过 [20000] Hz的机械波。
  16. 波是根据其是否需要介质传播来分类的。需要介质的叫做 [机械] 波，可以在真空中传播（不需要介质）的叫做 [电磁] 波。
  17. 连续的波是 [能量] 的 [连续] 传播。
  18. 机械波可以分成 [横波] 和 [纵波]。
  19. 在相邻两波峰或相同状态的两点间的距离是 [波长]。
  20. 频率，波长和波速之间关系可以组成这个方程 [\(c = f \cdot \lambda\)]。
  21. 如果超声回波的 [幅度/强度] 增大，则B超图像会更亮。
  22. 一般而言，声波在固体、液体、气体中传播速度的大小关系为 [固体] > [液体] > [气体]。
  23. 如果发射电压从2V增大到4V，频率 [不变]。
  24. [次声波] 是低于人听觉频率的声波。
  25. 对垂直入射来说，反射的量是由 [声阻抗] 不匹配决定的。
  26. 声阻抗的单位是 [Rayl (瑞利)]。
  27. 密度的单位是\(kg/m^3\)，波速的单位是\(m/s\)，所以1 Rayl等于 [\(1 kg/(m^2 \cdot s)\)]。
  28. [纵向/轴向] 分辨力为被称作轴向、径向和深度方向分辨力。
  29. [轴向] 分辨力是分辨沿着波束方向两个物体的能力。
  30. 超声成像中实际上有三个平面，但在实时2-D成像中只显示2个平面。轴向平面对应于 [深度]，横向平面对应于 [宽度/方位]，高向平面对应于切片的 [厚度]。
  31. 一个10 MHz的超声波在人体软组织中传播，其波长约为 [154] μm。
  32. 垂直入射时，两种介质（声阻抗分别为Z1，Z2）界面处的反射能量百分比计算公式为 [\((\frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1})^2\)]。
  33. [焦距] 是换能器表面到波束焦点的距离。
  34. [超声] 换能器能将电压转换成人听不到的声音，又能将声音转换成电压信号。
  35. 不是所有的波都要通过 [介质] 传播，[电磁] 波能在真空中传播。
  36. 人耳听觉范围大约是 [20] Hz到 [20] kHz。
  37. 在B型超声图像中，[无回声] 区域通常表示液体（如囊肿、膀胱），而 [强回声] 区域则表示反射强烈的组织（如骨骼、钙化斑）。
  38. 匹配层的最佳厚度通常设计为波长的 [1/4]，目的是利用波的干涉来抵消反射。
  39. 对于未聚焦的圆形换能器，在其固有焦距处的波束宽度大约为换能器直径的 [1/2]。
  40. 当信号的动态范围为10000比1时，最大信号为10V，最小信号为 [1] mV。
  41. 波束宽度最窄、横向分辨力最好的区域称为 [焦点]。
  42. 超声成像系统中，波束合成的目的是通过对多个阵元接收的信号进行 [延时/相位控制]，形成指向特定方向的波束。
  43. 某些材料，当在其两端加一压力时，则在材料的两个电极表面上将出现电荷的积累，这种效应称为 [压电效应]；当材料的两端加上一个电场时，则材料将出现形变，称为 [逆压电效应]。
  44. 为了在换能器晶体（高声阻抗）和人体组织（低声阻抗）之间实现最佳的声能传输，通常在晶体前方添加匹配层 ，其最佳声阻抗理论上应为两种介质声阻抗的 [几何平均值]。
  45. 超声在介质中传播，其能量将随着距离的增大而减小，这种现象称为 [衰减]。
  46. 一个未聚焦的圆形换能器，在其两倍焦距深度处的波束宽度，大约等于换能器的 [直径]。
  47. 若波束面积减半而功率保持不变，强度 [加倍]。
  48. [吸收] 是指介质中声波转变为热量的过程。
  49. [垂直入射] 和零度角入射式一样的意思。
  50. 在焦距处的 [波束宽度] 大约是换能器直径的一半。
  51. 在波的传播方向上，质点密集的区域称为 [密部 (Compression)]，质点稀疏的区域称为 [疏部 (Rarefaction)]。
  52. 波的 [频率] 是指单位时间内完成完整振动的次数，其国际单位是 [赫兹 (Hz)]。
  53. 声波在介质中传播时，其 [传播速度] 由介质的弹性和密度共同决定，而与波的频率无关。
  54. 超声频率越高，分辨率越 [高]，但其穿透组织的深度越 [浅/低]。

三、 简答题⚓︎

1. 简单画一张换能器主要部件图。解释每一部分起什么作用。

参考答案： 主要部件包括： * PZT晶体：核心元件，通过压电效应实现声-电能的互转。 * 背衬材料 (Backing material)：吸收背向辐射，增加阻尼，缩短脉冲长度，提高轴向分辨力。 * 匹配层 (Matching layer)：位于晶体前，过渡声阻抗，增加声波透射。 * 声透镜 (Lens)：聚焦声束，改善横向分辨力。 * 外壳与屏蔽：保护内部并屏蔽干扰。

2. 超声换能器的匹配层设为多厚最合适，并画图分析其原因。

参考答案： 最合适的厚度是 1/4 波长 (\(\lambda/4\))。 原因：当匹配层厚度为 \(\lambda/4\) 时，声波在层内往返一次行程为 \(\lambda/2\)。这使得从匹配层/组织界面反射回来的波，与晶体表面的反射波相位相反（差180度），两者发生相消干涉，从而抵消反射，最大化透射能量。

3. 10MHz的超声波在骨骼中的波长是多少(骨骼声速为4080m/s)？

参考答案： $\(\lambda = \frac{c}{f} = \frac{4080\ m/s}{10 \times 10^6\ Hz} = 0.000408\ m = 0.408\ mm\)$

4. 已知PZT晶体的声阻抗为38MRayls，组织的声阻抗近似为2MRayls。假设有一层声阻抗为10MRayls的匹配层放置在晶体与病人之间，那整个网络的效率是多少？

参考答案： 1. 界面1 (PZT-匹配层) 透射率：\(T_1 = 1 - (\frac{38-10}{38+10})^2 = 1 - 0.34 = 0.66\) 2. 界面2 (匹配层-组织) 透射率：\(T_2 = 1 - (\frac{10-2}{10+2})^2 = 1 - 0.44 = 0.56\) 3. 总透射效率：\(T \approx T_1 \times T_2 = 0.66 \times 0.56 \approx 37\%\)。

5. 次声波(infrasound)，可闻声波(audible sound)，超声波(ultrasound)和诊断超声波(diagnostic sound)之间的区别是什么？

参考答案： * 次声波：< 20 Hz * 可闻声波：20 Hz - 20 kHz * 超声波：> 20 kHz * 诊断超声波：2 MHz - 12 MHz

6. 使用分贝的振幅形式，振幅因数10相当于多少dB？使用分贝的功率形式，功率因数100相当于多少dB？

参考答案： * 振幅因数10：\(20 \log(10) = 20 dB\)。 * 功率因数100：\(10 \log(100) = 20 dB\)。

7. 计算线阵奇数接收通道的计算几何图形每个阵元在波束合成的时候所需要的延时（C＝1540m/s）。

参考答案解析： 延时计算是为了补偿不同阵元到达焦点距离的差异，使信号同相叠加。 假设焦点坐标为 \((x_f, z_f)\)，第 \(i\) 个阵元坐标为 \((x_i, 0)\)。 1. 计算阵元到焦点的距离：\(R_i = \sqrt{(x_f - x_i)^2 + z_f^2}\) 2. 找到最大距离 \(R_{max}\)（通常是孔径边缘的阵元到焦点的距离）。 3. 计算延时 \(\Delta t_i = \frac{R_{max} - R_i}{c}\)。