• 是高頻聲波(縱波)
• 由物體振動產生，需介質傳播
• 在不同介質的傳播速度：\(v_{固體}>v_{液體}>v_{氣體}\)
• 符合波動方程:  \(v=f\lambda\)
• 頻率高於人的聽頻範圍 (f > 20000 Hz)
• 會有波動現象：反射、折射、衍射/繞射、干涉

壓電效應

• 壓電晶體被施加外力時，晶體會產生電壓，這叫做壓電效應。
  • 這可以用作偵測超聲波，將聲波轉換成電壓訊號。
• 壓電晶體被施加電勢差時，晶體會變形及振動，這叫做逆壓電效應。
  • 這可以用於產生超聲波，將交流電接駁電晶體，令電晶體以固定頻率振動，產生超聲波。

• 超聲波換能器內的壓電晶體用作產生及探測超聲波。
• 向晶體施加交流電壓，晶體振動產生超聲波脈衝 (pulse)。
• 反射回來的超聲波脈衝令晶體變形，產生電壓 / 電訊號。
• 換能器不能同時產生及探測超聲波，它會交替地產生及探測超聲波。

• 聲阻抗定義：
  \(Z=\rho c\)
  • Z 為介質的聲阻抗 \(\rm kg m^{-2}s^{-1}\)
  • \(\rho\) 為介質密度 \(\rm kg m^{-3}\)
  • c 是聲音的速度\(\rm m s^{-1}\)

• 考慮超聲波法向進入介質，反射聲強係數是反射與入射超聲波強度的比例。
• 反射聲強定義 \(\alpha\)：
  \(\alpha = \frac{I_r}{I_o}=\frac{(Z_2-Z_1)^2}{(Z_2+Z_1)^2}\)
  • \(I_r\) 為反射超聲波的強度  (\(\rm W m^{-2}\))
  • \(I_o\) 為入射超聲波的強度 (\(\rm W m^{-2}\))
  • \(Z_2\) 為反射介質的聲阻抗 (\(\rm kg m^{-2}\))
  • \(Z_1\) 為入射介質的聲阻抗 (\(\rm kg m^{-2}\))

超聲波在介質傳播時，超聲波的能量有機會被散射、吸收等，從而超聲波的強度會下降。這種能量的下降可稱為衰減。
如果超聲波的衰減較快，它就不能夠在介質中行進較遠的距離，它的介質穿透能力就會減少。

以下是一些會影響超聲波衰減程度的因素：

• 超聲波的穿透力與其頻率有關。
  • **重點**頻率越高，超聲波衰減越大。即超聲波前進時散失的能量越多。
  • 所以使用低頻率的超聲波可以提高穿透力。
  • 掃描時要考慮目的及目標器官的位置選取合適頻率的超聲波。
• 超聲波通過的介質
  • 超聲波在空氣的衰減較在水中快。
  • 在掃描人體組織時，骨頭、肺部等的組織會令超聲波衰減快；而在含水量較高的組織，例如肝臟就相對上衰減得慢一些。

• 超聲波在不同介質的表面 / 介面 (interface) 作反射。
• 超聲波會由換能器中發射，然後當超聲波通過不同介質之間的介面時，有一部分的超聲波會被反射，反射回來的超聲波會被換能器偵測到。
•  反射超聲波的時間差可以用來推斷每個介面與換能器之間的距離。
• 每個介面與換能器之間的距離計算方法：
  \( c=\frac{2d}{\Delta t}\)
  \( d=\frac{c\Delta t}{2}\)
  • • c 為超聲波速度 \(m s^{-1}\)
    • d 為反射介面與換能器的距離 (m)
    • \(\Delta t\) 為發射及反射超聲波的時間差 (s)

在醫學上，我們會透過超聲波去對人體內的器官進行造影。其中一個常見的應用，就是對孕婦的胎兒進行掃描，對胎兒進行性別判斷、監察健康狀況等。超聲波掃描技術有兩種掃描模式，分別是 A-掃描和B-掃描。

A-掃描

• 原理
  • 超聲波在不同的組織介面反射。
  • 換能器把由不同介面反射的脈衝在屏幕上顯示。
  • 反射脈衝振幅與反射脈衝的強度 成正比。
• 特點
  • 只能獲取 1 維的訊息（只知道不同組織之間的界面的深度）
  • 每次只需要單一的輻射源
  • 儀器返回的資料是不同高度的脈衝與時間之間的關係
  • 計算器官的大小時，需用上超聲波的波速以及反射回來的時脈衝之間的時間差去作計算。
• 冷知識： A-掃描的 A 是振幅的英文 Amplitude 的頭一個英文字母。

B-掃描

• 原理
  • 超聲波在不同的組織介面反射。
  • 電腦把掃描條紋排列，在屏幕上顯示二維圖像。
  • 圖像光點強度 與 反射脈衝的強度 成正比。
• 特點
  • 儀器會返回由不同灰色的像素組成的二維影像
  • 點的亮度越高，代表反射回來的超聲波強度越高
  • 需要一排輻射源
  • 量度器官大小需使用配套軟件的尺卡去進行量度
• 冷知識： B-掃描的 B 是亮度的英文 Brightness 的頭一個英文字母。

空間分辨率

• 超聲波掃描的軸向解像度(Axial Resolving Power) 是指沿超聲波前進方向的解像度。
• 軸向解像度與其 波長 有關。
• 超聲波掃描要分辨兩物體，兩物體的距離 d 必須大於或等於超聲波的半個波長\(>0.5\lambda\)，即：
  \(d\le \frac{\lambda}{2}\)
• 波長越短，解像度越高。解像度越高，則影像的細節越清楚。
• 所以使用低頻率的超聲波可以提高解像度。

穿透深度

• 超聲波的穿透力與它的頻率有關。
• 當頻率越高，超聲波衰減越大，即超聲波前進時散失的能量越多，穿透能力越低。
• 所以使用低頻率的超聲波可以提高穿透力。

根據觀測的目標而選用合適頻率的超聲波

超聲波的特點

• 若要提高空間分辨率，需要高頻的超聲波。
• 若要增強超聲波的穿透深度，需要低頻的超聲波。

頻率的選擇

• 低頻超聲波由於穿透力高，但空間分辨率較低，所以較適合為體積較大，同時比較深入體內的組織造影。
  • 例如乳房、睾丸、甲狀腺等。
• 高頻超聲波由於穿透力低，但空間分辨率較高，所以較適合為體積較小，同時比較接近皮膚的組織造影。
  • 例如肝、腎等

內窺鏡是一種利用光纖去造影的醫學工具，它運用光纖將光送到人體中，照亮體內組織，並透過光纖將影像傳出來。由於內窺鏡是幼管子，並且可以屈曲，它常被用檢查食道、胃、腸臟等。

光纖是內窺鏡的主要模成部分，而光纖的光傳導現象是利用了光的全內反射，所以接下來我們需要重溫全內反射。

全內反射

• 當光線從高折射率 \(n_1\) 的介質穿越到低折射率 \(n_2\) 的介質時，並且入射角大於臨界角 C 時，便會發生全內反射。
• 全內反射發生條件，根據斯涅耳定律：
  \(n_1 \sin {90^{\circ}} = n_2\sin C\)