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声波是一种机械波，是介质中的质点在机械力的作用下，产生的周期性振动，能在介质中传播而不能在真空中传播。频率为20kHz至100MHz的声波称为超声波，用于临床诊断的超声波频率通常为1～20MHz。根据质点振动方向与声波波传播方向的关系，超声波可分为纵波和横波。纵波是质点的振动方向与波的传播方向相同的波，横波是质点振动方向与波的传播方向垂直的波。超声诊断设备所发射的超声波，在人体组织中以纵波的方式传播。横波在人体组织中不能传播。
纵波在弹性介质内传播过程中造成介质质点的位移，质点密度疏密变化形成压力，被称为声压，单位是Pa。通常用声压级 LP 表示声压， LP = 20lg（ P / P 0 ），其中 P 0 为参考声压， P 0 常取为20μPa。在超声测量中，回波信号的动态范围为100dB，指最大回波信号与最小回波信号之比为100 000倍。声强指在单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的超声能量，单位是W·m -2 。声源振幅越大，声强也越大；离开声源的距离越远，声强越小。声强级 LI 是声强 I 与参考声强 I 0 的比值，即 LI = 10lg（ I / I 0 ）。超声强度太大会破坏人体正常细胞组织，引起不可逆的生物效应，诊断用超声强度安全剂量为20mW/cm 2 ，检查胎儿时，安全剂量应小于10mW/cm 2 。
声场中某一位置的声压 P 与该处质点的振动速度 v 之比定义为声阻抗，即 Z = P / v 。声阻抗仅与介质的固有声学特性有关。声波在声阻抗突变处产生反射，这正是超声成像的物理基础。人体组织可按声速和阻抗分成三类：气体占较大比例的组织（如充气的肺）；体液和软组织；骨骼和矿物化后的组织。超声成像通常只用于声阻抗变化不大的体液和软组织区域，既能在界面产生回波用以显像，也保证了声波可穿透足够的深度，同时接收回波的延时与目标深度成近似的正比关系。
超声能量作用的弹性介质空间称为超声场。当振源尺寸极小时，可以视为一个子波声源（点声源），所产生的声场是没有指向性的球面波。如果振源尺寸较大，可以将其辐射面视为由多个子波声源组成，由于各个子波叠加，其声场区域具有指向性。
超声波通过声阻抗不同的两种介质时，在界面上会产生反射和透射。声阻抗差别越大，反射的强度越大。反射能量与入射能量之比值，称为反射系数。在超声波垂直入射时，当介质有5%的声阻抗改变，反射能量为入射能量的0.25%，大部分能量透过界面继续向前传播，而反射能量被换能器接收并放大用以成像。如果有三个介质，超声波从介质1穿过介质2进入介质3，在每个界面上都会发生声波的反射，但当介质2厚度为四分之一波长的奇数倍，且特性阻抗等于其他两种介质阻抗的几何平均值时，超声波垂直通过介质2时可以完全透射。因此在超声换能器材料与人体组织之间增加中间匹配层，可以帮助声波有效地进入人体内。
超声在介质中传播时，其能量与传播距离成反比，即会发生衰减。超声衰减的因素有两类：一类是声束本身扩散，以及反射、散射，使能量不能再沿着原来的方向传播，但声波的总能量并没有减少。另一类是由于介质的吸收，声能转换成为热能，导致声能减小。对于给定的频率的超声波，其声强和声压都随着距离的增大而按指数规律下降。在1～15MHz频率范围内，人体组织的超声波衰减系数与频率成反比。不同脏器组织的衰减系数不同，软组织对超声的平均衰减系数约为0.81dB/（cm·MHz），如果使用频率为3MHz超声波探查深度为20cm的组织，其反射回波的衰减为97dB。
当波源以一定的传播速度 c 向外辐射某一频率 f 的波时，如果波源与波的接收系统产生相对运动，则所接收到的信号频率 f ′会发生变化（频移），两个频率的差值为 Δf = f ′- f 。在声源与接收系统同向运动时， f ′升高， Δf 为正值；而在相背运动的情况下， f ′降低， Δf 为负值，即多普勒效应。通过分析超声发射和接收频率的差异，可以判断血流的方向。