⑴ 超聲波為什麼要波形轉換
超聲應用主要有以下幾方面：
1.超聲檢驗。超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質，這一特性已被廣泛用於超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術。超聲成像是利用超聲波呈現不透明物內部形象的技術 。把從換能器發出的超聲波經聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對聲波的反射、吸收和散射的能力），經聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號輸入放大器，利用掃描系統可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術已在醫療檢查方面獲得普遍應用，在微電子器件製造業中用來對大規模集成電路進行檢查，在材料科學中用來顯示合金中不同組分的區域和晶粒間界等。聲全息術是利用超聲波的干涉原理記錄和重現不透明物的立體圖像的聲成像技術，其原理與光波的全息術基本相同，只是記錄手段不同而已（見全息術）。用同一超聲信號源激勵兩個放置在液體中的換能器，它們分別發射兩束相乾的超聲波：一束透過被研究的物體後成為物波，另一束作為參考波。物波和參考波在液面上相干疊加形成聲全息圖，用激光束照射聲全息圖，利用激光在聲全息圖上反射時產生的衍射效應而獲得物的重現像，通常用攝像機和電視機作實時觀察。
2.超聲處理。利用超聲的機械作用、空化作用、熱效應和化學效應，可進行超聲焊接、鑽孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，在工礦業、農業、醫療等各個部門獲得了廣泛應用。
3.基礎研究。超聲波作用於介質後，在介質中產生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運過程，並在宏觀上表現出對聲波的吸收（見聲波）。通過物質對超聲的吸收規律可探索物質的特性和結構，這方面的研究構成了分子聲學這一聲學分支。普通聲波的波長遠大於固體中的原子間距，在此條件下固體可當作連續介質 。但對頻率在1012赫以上的 特超聲波 ，波長可與固體中的原子間距相比擬，此時必須把固體當作是具有空間周期性的點陣結構。點陣振動的能量是量子化的 ，稱為聲子（見固體物理學）。特超聲對固體的作用可歸結為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種准粒子的相互作用。對固體中特超聲的產生、檢測和傳播規律的研究，以及量子液體——液態氦中聲現象的研究構成了近代聲學的新領域——
⑵ 超聲檢測原理
超聲就是頻率高於20kHz、超出人們耳朵辨別能力並且穿透性很強的聲波。超聲的應用有很多，比如用超聲的反射來測量距離，利用大功率超聲的振動來清除附著在鍋爐上面的水垢，利用高能超聲做成 "超聲刀"來消滅、擊碎人體內的癌變、結石等，而利用超聲的反射等效應和穿透力強、能夠直線傳播等的特性來進行檢測也是其中一個很大的應用領域。
超聲的檢測應用主要包括在工業上對各種材料的檢測和在醫療上對人體的檢測診斷，通過它人們可以探測出金屬等工業材料中有沒有氣泡、傷痕、裂縫等缺陷，可以檢測出人們身體的軟組織、血流等是否正常。
那麼人們是怎麼樣利用超聲來進行檢測的呢？現在通常是對被測物體（比如工業材料、人體）發射超聲，然後利用其反射、多普勒效應、透射等來獲取被測物體內部的信息並經過處理形成圖像。其中多普勒效應法是利用超聲在遇到運動的物體時發生的多普勒頻移效應來得出該物體的運動方向和速度等特性；透射法則是通過分析超聲穿透過被測物體之後的變化而得出物體的內部特性的，其應用目前還處於研製階段；這里主要介紹的是目前應用最多的通過反射法來獲取物體內部特性信息的方法。
反射法是基於超聲在通過不同聲阻抗組織界面時會發生較強反射的原理工作的，正如我們所知道，聲波在從一種介質傳播到另外一種介質的時候在兩者之間的界面處會發生反射，而且介質之間的差別越大反射就會越大，所以我們可以對一個物體發射出穿透力強、能夠直線傳播的超聲波，然後對反射回來的超聲波進行接收並根據這些反射回來的超聲波的先後、幅度等情況就可以判斷出這個組織中含有的各種介質的大小、分布情況以及各種介質之間的對比差別程度等信息（其中反射回來的超聲波的先後可以反映出反射界面離探測表面的距離，幅度則可以反映出介質的大小、對比差別程度等特性），從而判斷出該被測物體是否有異常。
在這個過程中就涉及到很多方面的內容，包括超聲波的產生、接收、信號轉換和處理等。其中產生超聲波的方法是通過電路產生激勵電信號傳給具有壓電效應的晶體（比如石英、硫酸鋰等），使其振動從而產生超聲波；而接收反射回來的超聲波的時候，這個壓電晶體又會受到反射回來的聲波的壓力而產生電信號並傳送給信號處理電路進行一系列的處理，最後形成圖像供人們觀察判斷。
這里根據圖像處理方法（也就是將得到的信號轉換成什麼形式的圖像）的種類又可以分為A型顯示、M型顯示、B型顯示、C型顯示、F型顯示等。其中A型顯示是將接收到的超聲信號處理成波形圖像，根據波形的形狀可以看出被測物體裡面是否有異常和缺陷在那裡、有多大等，主要用於工業檢測；M型顯示是將一條經過輝度處理的探測信息按時間順序展開形成一維的"空間多點運動時序圖"，適於觀察內部處於運動狀態的物體，如運動的臟器、動脈血管等；B型顯示是將並排很多條經過輝度處理的探測信息組合成的二維的、反映出被測物體內部斷層切面的"解剖圖像"（醫院里使用的B超就是用這種原理做出來的），適於觀察內部處於靜態的物體；而C型顯示、F型顯示現在用得比較少。
超聲檢測不但可以做到非常准確，而且相對其他檢測方法來說更為方便、快捷，也不會對檢測對象和操作者產生危害，所以受到了人們越來越普遍的歡迎，有著非常廣闊的發展前景。
⑶ 醫學超聲成像原理
我總結一下醫學超聲成像的原理
超聲波成像需要三個步驟：發射聲波，接受反射聲波，以及信號分析處理得到圖像。
超聲波探頭是通過壓電陶瓷換能器發射超聲波，不同的探頭能夠發射的聲波頻率不同。醫學超聲波頻率一般是2-13MHz，聲波頻率越高，衍射越弱，成像分別率越高；但與此同時，頻率越高，聲波衰減也越快，穿透深度就小。因此，我們在探測心臟的時候，只能用頻率較低的聲波，否則探測的深度不夠，雖然成像效果差一些；而在探測頸動脈、股動脈等表皮下方的血管時，就用頻率高的聲波，成像好清晰許多。實驗中，我們採用的心臟探頭為2-4MHz，血管探頭為10MHz。
接收反射波的依舊是同一個超聲波探頭，壓電陶瓷換能器將聲波信號轉換成電信號，之後電腦上的系統進行信號處理成像。
B型超聲波顯示的是探頭面向的組織切面的二維灰度圖。我們知道確定二維灰度圖上的每個點需要3個信息，橫坐標、縱坐標和灰度。這些是怎麼得到的呢？由於超聲波在人體內接觸到組織會反射，不同的組織聲阻抗不同，根據接收到的回波反射率計算得到聲阻抗，對應於圖上的灰度（如血管壁的組織聲阻抗差不多，在圖像上的灰度就差不多，就能看出來是血管的形狀）。假設探頭是一維的，那麼探頭上每一個探針的位置就對應一個橫坐標。縱坐標是由發射和接收聲波的時間差決定的，假設聲波在人體中傳播速度相同，那麼時間越長表示反射組織的位置越深。最後由得到的灰度圖，可以看到組織輪廓，並可以進行測量，如血管直徑，面積等等。
當然，具體的成像過程遠遠比這個復雜，因為B超是實時的，如何區分發射波、反射波、如何去除噪音，放大信號，信號處理非常復雜，我也不清楚。但以上簡單的描述，已經足夠我們大致了解成像的過程。
多普勒效應我們中學物理都學過，無論是發射者還是接收者相對聲波傳播介質運動，都會引起觀察到的聲波頻率的變化。
利用多普勒效應測量血流速度如下圖，探頭發射聲波的方向和血流方向的夾角為 \theta，發射聲波頻率為 f_0，反射聲波頻率為 f'，多普勒頻率也就是頻移為f_D，聲波在人體組織中傳播速度為c，血流速度為v
則由多普勒頻率可以計算得到血流速度，公式如下
它的推導過程主要就是套兩次多普勒效應公式，發射時認為接收者（血液）相對聲波介質（人體組織）運動，而回收時認為發射者（血液反射聲波）相對介質運動。然後相加項近似兩個頻率不變得到分母的2f_0。
之前做彩超檢查子宮，我就問給我檢查的護士姐姐啥是彩色超聲波，因為我發現無論是檢查結果還是他們的顯示屏都是黑乎乎的，完全不知道彩色在哪裡。
彩超相比於B超，通過多普勒效應測量血流的速度，並在圖像中通過著色來表出來。所以這個彩色並不是直接反應人體組織顏色的，頗令人失望。一般來講，圖像中紅色表示血流方向是迎面而來，而藍色表示血流方向是離你而去。同時，顏色越深表示血流速度越快。
脈沖多普勒的原理不太懂，網上查了一下彩色多普勒和脈沖多普勒的區別，大概是方法不太一樣，也有各自的優缺點。實驗時，我們通過脈沖多普勒得到血流速度的頻譜，也就是血路速度隨時間的變化圖（波形圖），不是人體組織的成像圖。通過測量兩個血流速度脈沖之間的水平距離（時間差），就可以計算得到心率，如果在彩色多普勒圖像（B型超聲圖像也行）測量血管的直徑，進而計算出血管的面積，再乘以血流速度的波形圖一個周期內曲線下方的面積（積分），就可以得到血流量（一分鍾內流過的血流體積）
下圖就是我的頸動脈彩色多普勒成像（上部分），和脈沖多普勒成像（下部分），並且測量了血流速度的峰值、心率（2倍心率）、血管直徑和血流量（VolFlow）等信息
總結起來，醫學超聲儀器的物理原理：用壓電換能器發射和接收超聲波，通過反射率、接收時間、探針位置得到組織輪廓成像，通過多普勒效應測量血流速度。B超成像是二維的灰度圖，反應組織輪廓，彩超是二維灰度圖上加了血流速度的信息，脈沖多普勒得到的是血流速度隨時間的變化波形。
想起來一個有趣的地方，用脈沖多普勒的時候，儀器會發出跳動的聲音，無論是測量血管還是心臟。我不知道這個聲音，是我心跳或者血流脈沖聲音的放大，還是儀器自帶的聲音，配合我心跳的跳動而播放。
一些自問自答 ：
1.血流速度怎麼測量：多普勒效應
2.血流量怎麼得到：血管面積乘以血流速度的積分
3.心率怎麼得到：脈沖多普勒中，兩次血流量最大值的之間間隔為周期
4.心臟容積怎麼得到：描跡自動求面積
5.血管面積怎麼得到：描跡或者測量血管半徑
6.心功能怎麼得到：心收縮和心舒張的左心室心臟容量的比值
7.彩色多普勒和脈沖多普勒的區別：一個是二維成像圖、一個是頻譜
參考資料：
1. 維基網路：醫學超聲檢查
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我寫了幾篇博客來介紹和記錄我們的四級物理實驗： 用醫學超聲儀器研究運動對人體血流分布的影響
① 為什麼在校醫院做大物四級實驗
② 醫學超聲成像原理
③ 運動對血流分布的影響 實驗設計
④ 運動對人體血流分布的影響 實驗結果