Grundläggande ultraljudsfysik
Till skillnad från ljus, som kan fortplantas i vakuum, så kan ljud endast fortplantas i ett fysikaliskt medium. Detta medium kan exempelvis vara luft, vatten, metall eller vävnader och vätskor i kroppen. En ljudvåg uppstår när en ljudkälla genererar mekaniska vibrationer i mediet. Vibrationerna skapar en tryckvåg som fortplantas i mediet. Således är en ljudvåg egentligen en tryckvåg.
Ett närliggande exempel är människans tal. Vi talar genom att stämbanden i rörelse. När stämbanden vibrerar så uppstår vibrationer i luften och dessa vibrationer fortplantas i form av en tryckvåg i luften. Om tryckvågorna stöter på ett nytt medium så kommer vissa ljudvågor reflekteras (vända tillbaka) medan andra kommer överföra tryckvågens energi till det nya mediet som då kan börja vibrera. Vibrationerna i det nya mediet kan ge upphov till nya tryckvågor som fortplantas vidare (Figur 1).
Ljudvågor uppstår alltså när en ljudkälla skapar vibrationer som fortplantas i form av en tryckvåg i mediet. Rent matematiskt kan ljud beskrivas med den klassiska sinuskurvan (Figur 2A). Denna kurvan kännetecknas av följande variabler: våglängd, amplitud, frekvens, hastighet och riktning. De matematiska principer som beskriver dessa variabler är enkla och viktiga att förstå.
Våglängd
Våglängd definieras som avståndet mellan två på varandra följande punkter som befinner sig i samma fas av vågen. På sinuskurvan är det enklast att mäta avståndet mellan två toppar (maximum) eller två dalar (minimum). I Figur 2A mäts våglängden som avståndet mellan två toppar.
Ljud som människan kan höra (20 Hz till 20 kHz) har i luft våglängder mellan cirka 17 millimeter (mm) och 17 meter (m). Våglängd anges i enheten m (meter) och betecknas med bokstaven λ (lambda).
Amplitud
Amplituden beskriver ljudvågornas styrka, vilket motsvarar höjden på sinuskurvan (Figur 2A). Hög amplitud innebär högt ljud och vice versa. I Figur 2A ses två ljudvågor med olika amplitud. Amplituden beskriver egentligen tryckskillnaden mellan den högsta och den lägsta partikeltätheten längs ljudvågen (Figur 2B). Höga ljud leder alltså till stora tryckskillnader längs ljudvågen, medan låga ljud leder till små tryckskillnader längs ljudvågen. Ljudets styrka anges oftast i en relativ, logaritmisk skala med enheten decibel (dB).
Frekvens
Frekvens är antalet vågcykler per sekund. Enheten för frekvens, som betecknas med bokstaven f, är Hertz (Hz). I Figur 2A har ljudvågorna olika amplitud och olika frekvens. Om den högra ljudvågen i Figur 2A skulle vara registrerad under en sekund, så skulle frekvensen vara 5 Hz (eftersom det ses 5 vågcykler på 1 sekund). Om en ljudvåg har 1000 Hz så innebär det att 1000 vågcykler passerar varje sekund.
Det mänskliga örat kan uppfatta ljudvågor vars frekvens är mellan 20 Hz och 20.000 Hz (20.000 Hz kan också skrivas som 20 kHz). Ljudvågor vars frekvens är högre än 20.000 Hz (20 kHz) kan inte uppfattas av det mänskliga örat och dessa ljudvågor kallas ultraljud. Det skall dock nämnas att det föreligger stor individuell variation avseende intervallet för hörbart ljud. De allra flesta kan faktiskt inte höra ljud med frekvens över 15 kHz. Unga människor kan höra mycket höga frekvenser (ibland >20 kHz), särskilt om amplituden är hög.
Ultraljud som används för klinisk diagnostik har frekvens mellan 2 och 10 miljoner Hz (2–10 MHz), vilket innebär att vi aldrig kan höra ljudvågorna.
Hastighet
Hastigheten beskriver hur fort ljudvågor fortplantas genom mediet. Denna hastighet beror på mediets styvhet (hur svårt det är att komprimera) och densitet. Tryckvågor fortplantas fortare i styva medier, exempelvis ben, och långsammare i lättkomprimerade medier som luft. I luft är ljudets hastighet cirka 340 m/s och i människokroppen (som huvudsakligen består av vatten) är hastigheten cirka 1540 m/s. Hastigheten i människokroppen är tämligen konstant. Hastigheten betecknas med bokstaven c och anges med enheten m/s.
Riktning
Riktning beskriver helt enkelt ljudvågornas riktning i mediet.
Matematiska samband
Det finns ett enkelt matematiskt samband mellan hastighet (c), våglängd (λ) och frekvens (f):
c = f • λ
Enligt formeln är ljudvågens hastighet produkten av frekvensen och våglängden. Med hjälp av denna formel kan vi beräkna våglängden (λ) för ultraljud med frekvens 3 miljoner Hz (3 MHz), vilket används vid ultraljudsdiagnostik:
λ =1540 / 3000000 = 0,000513 meter
0,000513 meter är 0.513 mm (millimeter). Ultraljudets våglängd är således mycket kort, vilket är önskvärt vid ekokardiografi eftersom man vill erhålla hög upplösning på strukturer som är belägna nära ljudkällan.