第四節　脈沖波

前面的討論大多是針對某一頻率的連續波進行的。聲學理論中的大部分內容也是討論連續波的。但是，超聲診斷設備中除了連續多普勒模式使用連續波外，都使用脈沖波。連續波也稱簡諧波，簡諧波是在整個時間范圍內頻率和幅度固定的波，現實世界中并不存在這種理想的信號。間隔性發出的短促波稱為脈沖波。脈沖波就是持續時間很有限的信號，即在一個有限的范圍t1～t2之間有信號，之外信號為零（或非常小）。t1～t2是信號長度，也稱為脈沖寬度，簡稱脈寬。數學中的傅立葉變換理論指出，任何一個信號都可以看作是由許多不同頻率、幅度和初始相位的簡諧信號疊加而成，或者說，運用傅立葉變換可以把復雜的信號分解成許多簡諧信號的和。在一般情況下，這些簡諧信號的數目是無窮多的，它們的頻率是連續變化的，因此它們的相加在數學上要用積分表示。把信號分解成簡諧信號的疊加后，我們就可以分析信號是由哪些頻率的簡諧信號組成的。各種頻率的簡諧信號在整個信號中占的比重，也就是各種簡諧信號在頻帶內的分布情況就是信號的頻譜，這種分析方法就是譜分析，也叫作頻域分析。

以下簡單介紹幾個用來描述脈沖波基本特征的常用參數：

脈沖重復頻率（pulse repetition frequency，PRF）：單位時間內脈沖波的數量。單位：Hz或kHz。

脈沖重復周期（pulse repetition period，PRP）：一個脈沖開始發射到下一個脈沖開始發射所需時間（圖1-4-1）。單位：秒、毫秒。

圖1-4-1　脈沖重復頻率為5kHz的脈沖波波形示意圖，圖示其脈沖重復周期（pulse repetition period）為0.2毫秒

脈沖重復間期（pulse repetition interphase）：一個脈沖發射結束到下一個脈沖開始發射所需時間。單位：秒、毫秒。

空間脈沖長度（spatial pulse length，SPL）：每個脈沖的總的波長度。SPL=脈沖的總波長=脈寬×聲速。

超聲診斷中的脈沖常常是由一定頻率范圍之內的簡諧信號疊加而成的，即幅度譜和復頻譜在一段頻率范圍。這個頻率范圍為信號的頻帶，稱為帶寬。頻帶的中心稱為中心頻率。

根據譜分析的概念，脈沖波的性質是由組成它的簡諧信號的性質決定的。窄帶信號的性質非常接近于中心頻率的簡諧信號的性質。窄帶信號的脈寬和帶寬成反比，它們的乘積為常數。對于一般的信號，脈沖越短，帶寬越寬。脈沖短有利于提高圖像的縱向分辨率。因此為了提高縱向分辨率應該盡量采用高的中心頻率和寬的相對帶寬。脈沖波傳播時，它所包含的連續波的頻率也是不變的，但是由于介質對于不同頻率的超聲波有不同的衰減作用，高頻的超聲波比低頻的衰減得快，因此脈沖的中心頻率會降低，帶寬也會減小（圖1-4-2）。

圖1-4-2　超聲波衰減致中心頻率降低

實線代表脈沖波發射時的頻譜，A點為其中心頻率；虛線代表脈沖波衰減后的頻譜，B點為其中心頻率