醫(yī)用換能器簡(jiǎn)介

1、 桑桑 永永 杰杰為什么要學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)換能器？為什么要學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)換能器？SL-聲源級(jí)，反映發(fā)射換能器輻射聲功率大小。聲源級(jí)，反映發(fā)射換能器輻射聲功率大小。提高聲源級(jí)，即提高輻射信號(hào)的強(qiáng)度，相應(yīng)也提高回聲信號(hào)提高聲源級(jí)，即提高輻射信號(hào)的強(qiáng)度，相應(yīng)也提高回聲信號(hào)強(qiáng)度，增加接收信號(hào)的信噪比，從而增加聲吶的作用距離。強(qiáng)度，增加接收信號(hào)的信噪比，從而增加聲吶的作用距離。 主動(dòng)聲吶方程：（混響背景）主動(dòng)聲吶方程：（混響背景）（SL-2TL+TS）-RLDT 1.1.什么叫換能器什么叫換能器 換換轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換；能能能量；能量；器器器件器件 通俗的講：轉(zhuǎn)換能量的器件通俗的講：轉(zhuǎn)換能量的器件 我們關(guān)注的是我們關(guān)注的是電

2、能電能和和聲能聲能間的相互轉(zhuǎn)換：間的相互轉(zhuǎn)換： 能夠發(fā)射或接收聲波，并完成能夠發(fā)射或接收聲波，并完成聲波所攜帶的信息和能量聲波所攜帶的信息和能量與與電的信息和電的信息和能量能量轉(zhuǎn)換的裝置，稱為電聲換能器，簡(jiǎn)稱換能器轉(zhuǎn)換的裝置，稱為電聲換能器，簡(jiǎn)稱換能器。 2. 2.換能器如何實(shí)現(xiàn)換能換能器如何實(shí)現(xiàn)換能 換能材料，也叫功能材料、有源材料換能材料，也叫功能材料、有源材料受交變電場(chǎng)受交變電場(chǎng)/磁場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生伸縮應(yīng)變生伸縮應(yīng)變壓電陶瓷壓電陶瓷稀土材料稀土材料逆向壓電效應(yīng)逆向壓電效應(yīng)正向壓電效應(yīng)正向壓電效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng) 3. 3.換能器為什么要成陣換能器為什么要成陣 為為實(shí)現(xiàn)或增強(qiáng)某

3、些電聲性能（指向性、作用距離）實(shí)現(xiàn)或增強(qiáng)某些電聲性能（指向性、作用距離），將多個(gè)換能器按，將多個(gè)換能器按一定規(guī)律和形狀排列起來，形成一個(gè)陣列，就成為換能器基陣，簡(jiǎn)稱基陣。一定規(guī)律和形狀排列起來，形成一個(gè)陣列，就成為換能器基陣，簡(jiǎn)稱基陣。 按照形狀分為：平面陣、圓柱陣、球形陣、線陣、共形陣按照形狀分為：平面陣、圓柱陣、球形陣、線陣、共形陣平面陣平面陣圓柱陣圓柱陣球形陣球形陣拖曳線列陣拖曳線列陣共形陣共形陣 1.艇艏圓柱陣（收、發(fā)共用） 2.中頻基陣 3.舷側(cè)陣 4.偵察陣 5. 聲速梯度儀基陣 6.都卜勒測(cè)速儀基陣 7.被動(dòng)測(cè)距基陣 8.魚雷報(bào)警基陣 9.測(cè)深（防碰）基陣 10. 拖曳線列陣 1

4、0 9 4 8 9 4 9 5 1 7 3 9 6 2 水聲換能器基陣在潛艇上應(yīng)用實(shí)例水聲換能器基陣在潛艇上應(yīng)用實(shí)例4.4.水聲換能器的分類水聲換能器的分類發(fā)射換能器發(fā)射換能器（transducer/projector）接收換能器接收換能器（水聽器，（水聽器，hydrophone）A. A. 按照工作方式分按照工作方式分幾種常見發(fā)射換能器幾種常見發(fā)射換能器幾種常見水聽器幾種常見水聽器B.B.按功能材料分按功能材料分鎳鎳壓電單晶壓電單晶鈦酸鋇壓鈦酸鋇壓電陶瓷電陶瓷鋯鈦酸鉛鋯鈦酸鉛壓電陶瓷壓電陶瓷系列系列(PZT)稀土超磁致稀土超磁致伸縮材料伸縮材料（Terfenol-D）弛豫鐵電單晶弛豫鐵電單晶

5、（PMNPT和和PZNPT ）最早的最早的換能材換能材料，磁料，磁致伸縮致伸縮如石英，如石英，1917年，朗之萬制年，朗之萬制成第一個(gè)實(shí)用成第一個(gè)實(shí)用換能器換能器1940s，較，較強(qiáng)壓電性能強(qiáng)壓電性能1950s，機(jī)電轉(zhuǎn)，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高，工作換效率高，工作溫度寬，溫度寬，至今仍至今仍是主力功能材料是主力功能材料1970s。鋱、鏑與鐵的合金。應(yīng)變量比鎳。鋱、鏑與鐵的合金。應(yīng)變量比鎳大大4050倍，比倍，比PZT大大58倍；能量密度倍；能量密度比鎳大比鎳大400500倍，比壓電陶瓷大倍，比壓電陶瓷大1014倍；與倍；與PZT相比，楊氏模量小、聲速低，相比，楊氏模量小、聲速低，尤其適合制作低頻、大功率

6、、寬帶水聲換尤其適合制作低頻、大功率、寬帶水聲換能器能器1997，壓電系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)比通，壓電系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)比通常的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷常的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷PZT（d33600pC/N,k33=70%）高出許多，分）高出許多，分別達(dá)到別達(dá)到2000 pC/N和和92以上。其應(yīng)以上。其應(yīng)變量比通常的壓電陶瓷高出變量比通常的壓電陶瓷高出10倍以上，倍以上，達(dá)到了達(dá)到了1.7其他：壓電聚合物（其他：壓電聚合物（PVDF)、 壓電復(fù)合材料等壓電復(fù)合材料等復(fù)合棒換能器分解圖復(fù)合棒換能器分解圖Paul.LangevinC.C.按結(jié)構(gòu)分按結(jié)構(gòu)分 復(fù)合棒換能器（朗之萬換能器、復(fù)合棒換能器（朗之萬換能器、T

7、onpilzTonpilz換能器）換能器）后蓋板采用重金屬，前蓋板采用輕金屬，獲取較高的前后振速比；后蓋板采用重金屬，前蓋板采用輕金屬，獲取較高的前后振速比；預(yù)應(yīng)力螺栓施加預(yù)應(yīng)力，可實(shí)現(xiàn)大功率輸出；預(yù)應(yīng)力螺栓施加預(yù)應(yīng)力，可實(shí)現(xiàn)大功率輸出；前蓋板呈喇叭形，可增加輻射面積，調(diào)節(jié)前蓋板呈喇叭形，可增加輻射面積，調(diào)節(jié)Q Q值。值。特點(diǎn)：特點(diǎn)：功率容量大、效率高、易形成寬帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、耐靜水壓、便于成陣等。功率容量大、效率高、易形成寬帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、耐靜水壓、便于成陣等。 主要應(yīng)用于艦艇主動(dòng)探測(cè)、通訊聲吶基陣、魚雷聲制導(dǎo)基陣等。主要應(yīng)用于艦艇主動(dòng)探測(cè)、通訊聲吶基陣、魚雷聲制導(dǎo)基陣等。復(fù)合棒換能器實(shí)

8、物照片及分解圖復(fù)合棒換能器實(shí)物照片及分解圖雙向輻射復(fù)合棒換能器雙向輻射復(fù)合棒換能器 彎張換能器彎張換能器彎張換能器的位移放大作用彎張換能器的位移放大作用常見的七種彎張換能器常見的七種彎張換能器特點(diǎn)：特點(diǎn)：頻率低、大功率、尺寸小、重量輕等。頻率低、大功率、尺寸小、重量輕等。 主要應(yīng)用于低頻主動(dòng)聲吶、各種低頻水聲實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用于低頻主動(dòng)聲吶、各種低頻水聲實(shí)驗(yàn)新型彎張換能器新型彎張換能器稀土稀土IVIV彎張換能器彎張換能器六元彎張換能器線陣六元彎張換能器線陣 圓管換能器圓管換能器壓電陶瓷圓管內(nèi)外表面鋪設(shè)電極，激發(fā)圓管的徑向壓電陶瓷圓管內(nèi)外表面鋪設(shè)電極，激發(fā)圓管的徑向振動(dòng)；大尺寸圓管換能器需由壓電陶瓷條

9、鑲拼而成。振動(dòng)；大尺寸圓管換能器需由壓電陶瓷條鑲拼而成。各種壓電陶瓷圓管各種壓電陶瓷圓管鑲拼圓管鑲拼圓管非溢流圓管換能器非溢流圓管換能器溢流圓管換能器溢流圓管換能器特點(diǎn)：特點(diǎn)：水平無指向性、大功率、耐靜水壓等。水平無指向性、大功率、耐靜水壓等。 主要應(yīng)用于吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)聲吶、各種水聽器等。主要應(yīng)用于吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)聲吶、各種水聽器等。 Helmholtz換能器換能器aarCMf121n利用液腔諧振，實(shí)現(xiàn)小體積、低頻發(fā)射利用液腔諧振，實(shí)現(xiàn)小體積、低頻發(fā)射n液腔諧振與其他模態(tài)（結(jié)構(gòu)振動(dòng)、高階液腔諧振等）一起使用，可實(shí)液腔諧振與其他模態(tài)（結(jié)構(gòu)振動(dòng)、高階液腔諧振等）一起使用，可實(shí)現(xiàn)寬帶現(xiàn)寬帶n溢

10、流結(jié)構(gòu)，幾乎不受工作深度限制溢流結(jié)構(gòu)，幾乎不受工作深度限制n工程實(shí)踐中腔體形態(tài)靈活多樣，不拘泥于傳統(tǒng)的工程實(shí)踐中腔體形態(tài)靈活多樣，不拘泥于傳統(tǒng)的HelmholtzHelmholtz腔體結(jié)構(gòu)腔體結(jié)構(gòu)Multiport Helmhotz transducerJanus Helmhotz transducer 電動(dòng)式電動(dòng)式換能器換能器輸出力：輸出力：F=BIL電動(dòng)式換能器的優(yōu)點(diǎn)：電動(dòng)式換能器的優(yōu)點(diǎn)：(1)頻率低，可做到幾赫茲頻率低，可做到幾赫茲(2)非諧振結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)寬帶非諧振結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)寬帶(2)體積小、重量輕體積小、重量輕電動(dòng)式換能器的缺點(diǎn)：電動(dòng)式換能器的缺點(diǎn)：(1)效率低，通常不足效率低，通常

11、不足1%，聲源級(jí)低，聲源級(jí)低(2)波形差，易受工作環(huán)境影響波形差，易受工作環(huán)境影響(2)工作深度不足工作深度不足 UW350 UW600SL:平均平均165dB頻帶：頻帶：20Hz-20kHz重量：重量：100kg耐壓：耐壓：188mSL:（max）188dB頻帶：頻帶：4Hz-20kHz重量：重量：1070kg耐壓：耐壓：200m哈爾濱工程大學(xué)水聲換能器研究室研制哈爾濱工程大學(xué)水聲換能器研究室研制的甚低頻電動(dòng)式聲源，最低工作頻率的甚低頻電動(dòng)式聲源，最低工作頻率5Hz5Hz性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 工作頻帶：工作頻帶： 5Hz- 1kHz 聲源級(jí)：聲源級(jí)：160dB 工作深度：工作

12、深度：0-50米米 結(jié)構(gòu)尺寸：結(jié)構(gòu)尺寸： 外徑外徑 206mm， 高度高度580mm 重量：重量： 25kg 耐海水腐蝕金屬涂耐海水腐蝕金屬涂層層(鹽霧試驗(yàn)可以達(dá)到鹽霧試驗(yàn)可以達(dá)到800小時(shí)小時(shí)) 其他換能器結(jié)構(gòu)其他換能器結(jié)構(gòu) 當(dāng)今水聲換能器朝著低頻、大功率、寬帶、小體積、高耐靜水壓方向當(dāng)今水聲換能器朝著低頻、大功率、寬帶、小體積、高耐靜水壓方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)低頻寬帶的機(jī)理和結(jié)構(gòu)成為人們探求的熱點(diǎn)。發(fā)展，實(shí)現(xiàn)低頻寬帶的機(jī)理和結(jié)構(gòu)成為人們探求的熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)寬帶的機(jī)理：實(shí)現(xiàn)寬帶的機(jī)理：利用多模態(tài)耦合、改善激勵(lì)方式、增加匹配層等利用多模態(tài)耦合、改善激勵(lì)方式、增加匹配層等實(shí)現(xiàn)低頻的結(jié)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)低頻的結(jié)構(gòu)：利用

13、低頻模態(tài)、利用液腔諧振、采用電動(dòng)（磁）式等。利用低頻模態(tài)、利用液腔諧振、采用電動(dòng)（磁）式等。開縫圓管換能器開縫圓管換能器空氣動(dòng)力型換能器空氣動(dòng)力型換能器組合式換能器組合式換能器不同類型換能器性能對(duì)比不同類型換能器性能對(duì)比等效電路法等效電路法 將換能器看為將換能器看為做機(jī)械振動(dòng)的彈性體做機(jī)械振動(dòng)的彈性體，利用機(jī)電類比，給出換能，利用機(jī)電類比，給出換能器的器的動(dòng)態(tài)電路圖動(dòng)態(tài)電路圖。由電路圖計(jì)算出換能器的電聲性能。由電路圖計(jì)算出換能器的電聲性能。水聲換能器的分析設(shè)計(jì)方法水聲換能器的分析設(shè)計(jì)方法換能器等效電路圖換能器等效電路圖優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：物理意義明確，可明確看出計(jì)算結(jié)果與哪些參量有關(guān)。物理意義明確，可

14、明確看出計(jì)算結(jié)果與哪些參量有關(guān)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：通常只能做一維分析，僅適合于通常只能做一維分析，僅適合于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的換能器。簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的換能器。壓電陶瓷的徑向及厚度振動(dòng)壓電陶瓷的徑向及厚度振動(dòng)壓電陶瓷圓管的徑向振動(dòng)壓電陶瓷圓管的徑向振動(dòng)有限元法有限元法 有限元法是以變分原理和剖分插值原理為基礎(chǔ)，將待分析模型想有限元法是以變分原理和剖分插值原理為基礎(chǔ)，將待分析模型想象的劃分成一系列單元，構(gòu)造單元插值函數(shù)，將單元內(nèi)部點(diǎn)的狀態(tài)用象的劃分成一系列單元，構(gòu)造單元插值函數(shù)，將單元內(nèi)部點(diǎn)的狀態(tài)用單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的插值函數(shù)來近似描述，這樣就將實(shí)際的物理問題轉(zhuǎn)化單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的插值函數(shù)來近似描述，這樣就將實(shí)際的物理問題轉(zhuǎn)化為

15、求解單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的代數(shù)方程組問題。為求解單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的代數(shù)方程組問題。兩款常用的設(shè)計(jì)換能器有限元軟件兩款常用的設(shè)計(jì)換能器有限元軟件指向性圓管換能器有限元模型指向性圓管換能器有限元模型彎張換能器彎張換能器1/81/8有限元模型有限元模型指向性圓管換能器模態(tài)分析結(jié)果指向性圓管換能器模態(tài)分析結(jié)果指向性圓管換能器流體中有限元模型指向性圓管換能器流體中有限元模型聲場(chǎng)分布圖聲場(chǎng)分布圖用云圖表現(xiàn)動(dòng)態(tài)位移分布用云圖表現(xiàn)動(dòng)態(tài)位移分布模擬靜水壓環(huán)境下殼體應(yīng)力分布模擬靜水壓環(huán)境下殼體應(yīng)力分布發(fā)射電壓響應(yīng)曲線發(fā)射電壓響應(yīng)曲線電導(dǎo)納曲線電導(dǎo)納曲線優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：分析任意結(jié)構(gòu)的換能器分析任意結(jié)構(gòu)的換能器 。 結(jié)果直觀、準(zhǔn)確結(jié)

16、果直觀、準(zhǔn)確 ，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方便有效，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方便有效 ，工程應(yīng)用最廣泛。，工程應(yīng)用最廣泛。描述水聲換能器電聲性能的主要參數(shù)描述水聲換能器電聲性能的主要參數(shù)（1 1）電導(dǎo)納（單位：西門子，常用）電導(dǎo)納（單位：西門子，常用msms）a.a.從電導(dǎo)納曲線圖上可立即判斷換能器是否正常：漏水、陶瓷碎裂從電導(dǎo)納曲線圖上可立即判斷換能器是否正常：漏水、陶瓷碎裂b.b.希望電導(dǎo)值越大越好（輸入換能器端的電功率希望電導(dǎo)值越大越好（輸入換能器端的電功率P=VP=V.G.G）c.c.依據(jù)電納曲線設(shè)計(jì)同功放匹配的電路依據(jù)電納曲線設(shè)計(jì)同功放匹配的電路d.d.通過阻抗分析儀測(cè)量通過阻抗分析儀測(cè)量正常情況下?lián)Q能器典型電導(dǎo)納曲

17、線正常情況下?lián)Q能器典型電導(dǎo)納曲線陶瓷碎裂時(shí)典型電導(dǎo)曲線陶瓷碎裂時(shí)典型電導(dǎo)曲線（2 2）聲功率（單位：）聲功率（單位：w w）a.a.體現(xiàn)體現(xiàn)換能器系統(tǒng)（含功放、匹配電路）換能器系統(tǒng)（含功放、匹配電路）的聲輻射能力，的聲輻射能力，Pa=1/2.Rs.Ub.b.據(jù)此可計(jì)算換能器的電聲效率：據(jù)此可計(jì)算換能器的電聲效率：=Pa/Pe（3 3）聲源級(jí)（單位：）聲源級(jí)（單位：dBdB）a. a. 使得不同種類的換能器有了統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)，使得不同種類的換能器有了統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)，b. b. 與與聲功率的關(guān)系：聲功率的關(guān)系： SL = 10 log(I / Io) = 10 log(Pa/A / Io) SL=

18、170.8+10logPa+DIb.b.直接決定聲信號(hào)傳播距離和回波信號(hào)強(qiáng)度直接決定聲信號(hào)傳播距離和回波信號(hào)強(qiáng)度聲源級(jí)越大越好嗎？聲源級(jí)越大越好嗎？混響過大，淹沒回波信號(hào)、空化腐蝕混響過大，淹沒回波信號(hào)、空化腐蝕（4 4）發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)（）發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)（ Transmitting Voltage Response,單位：?jiǎn)挝唬篸BdB）a.a.體現(xiàn)體現(xiàn)換能器自身?yè)Q能器自身的聲輻射潛力的聲輻射潛力b.b.計(jì)算公式：計(jì)算公式： TVR=20log(P.d/V)+120 dB =20log(e.d/V)+120-M dBc.與聲源級(jí)的關(guān)系：與聲源級(jí)的關(guān)系： SL=20log(V)+TVRd.顯示換

19、能器的工作帶寬顯示換能器的工作帶寬,進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù)（5 5）發(fā)射）發(fā)射/ /接收指向性接收指向性 反映換能器輻射能量的集中程度，反映換能器輻射能量的集中程度，發(fā)射和接受指向性發(fā)射和接受指向性互易互易換能器交付使用時(shí)應(yīng)給出的測(cè)量參數(shù)換能器交付使用時(shí)應(yīng)給出的測(cè)量參數(shù)水聲換能器設(shè)計(jì)制作流程水聲換能器設(shè)計(jì)制作流程n依據(jù)要求的電聲指標(biāo)確定換能器的類型依據(jù)要求的電聲指標(biāo)確定換能器的類型n利用有限元、等效電路法等方法確定各部分尺寸利用有限元、等效電路法等方法確定各部分尺寸n構(gòu)畫結(jié)構(gòu)圖紙，交付加工零部件構(gòu)畫結(jié)構(gòu)圖紙，交付加工零部件n設(shè)計(jì)合理的預(yù)應(yīng)力施加工藝、裝配工藝進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)合理的預(yù)應(yīng)

20、力施加工藝、裝配工藝進(jìn)行裝配n做聚氨酯灌封等密封處理做聚氨酯灌封等密封處理n測(cè)試換能器的電聲性能測(cè)試換能器的電聲性能各種工藝（預(yù)應(yīng)力施加、粘接、灌封、裝配等）在換能器各種工藝（預(yù)應(yīng)力施加、粘接、灌封、裝配等）在換能器制作中是關(guān)鍵一環(huán)。某種意義上，制作中是關(guān)鍵一環(huán)。某種意義上，“做換能器是個(gè)手藝活做換能器是個(gè)手藝活兒。兒?！眽弘娦?yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)一 壓電學(xué)的物理基礎(chǔ)n壓電效應(yīng)1880年居里兄弟皮爾（P.Curie ) 與捷克斯（J.Curie)發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)。經(jīng)他們實(shí)驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)，具有壓電性的材料有 ：n具有壓電性的材料有：閃鋅礦（zincblende）、鈉氯酸鹽（sodiumchlorat

21、e）、電氣石（tourmaline）、石英（quartz）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、異極礦（calamine）、黃晶（topaz）及若歇爾鹽（Rochellesalt）。這些晶體都具有非晶方性（anisotropic）結(jié)構(gòu)，晶方性（isotropic）材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電性的。n第一次大戰(zhàn)后不久，石英換能器便發(fā)展出兩項(xiàng)重要的應(yīng)用。哈佛大學(xué)的皮爾士教授（G.W.Pierce）用石英晶體制作超聲波干涉儀，可定出波在氣體介質(zhì)中的速度?？汕蟪霾ㄔ跉怏w中的表減系數(shù)。當(dāng)時(shí)用它來測(cè)量聲波在二氧化碳中波速對(duì)頻率的關(guān)系，而求出波速的色散關(guān)系。用這

22、種方法，可研究氣體在不同混合比與溫度下聲波的波速與衰減率。1927年，伍德（R.W.Wood）與魯密斯（A.L.Loomis）首先使用高功率超聲波。使用藍(lán)杰文型的石英換能器配合高功率真空管，在液體中產(chǎn)生高能量，使液體引起所謂的空腔（cavitation）現(xiàn)象。同時(shí)也研究高功率超聲波對(duì)生物試樣的效應(yīng)。n1919年，卡迪（Cady）教授第一次利用石英當(dāng)作頻率控制器，圖四就是最早期的晶體控制振蕩器電路。在第二次世界大戰(zhàn)中，大約使用了一千萬個(gè)晶體振蕩器，用以建立坦克與坦克之間及地面和飛機(jī)之間的通訊。壓電效應(yīng)n在非晶方晶體中，施一外力使晶體變形，由于晶格中電荷的移動(dòng)造成晶體內(nèi)局部不均勻電荷分布，而產(chǎn)生電

23、位移。n只有 在材料每單位體積中造成有效地凈的電雙極距變化。才具有壓電特性。二 醫(yī)用壓電材料n石英晶體昂貴、加工不方便、優(yōu)良的機(jī)械性能，較低的電容，高的品質(zhì)因數(shù)，良好的溫度系數(shù)n壓電陶瓷：電-聲轉(zhuǎn)換系數(shù)高易于電路匹配材料性能穩(wěn)定、廉價(jià)、易于加工、可控制成任意形狀、尺寸?？赏ㄟ^摻雜、取代、改變材料配方等辦法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整 。壓電材料壓電材料石英晶體石英晶體壓電材料壓電材料石英晶體石英晶體石英壓電機(jī)理n石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。n 在垂直于z軸的xy平面上的投影, 等效為一個(gè)正六邊形排列。當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí), 正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上, 形成三個(gè)互成120夾角的電偶極

24、矩P1、 P2、P3 壓電陶瓷n壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。n 材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇, 它有一定的極化方向, 從而存在電場(chǎng)。n 在無外電場(chǎng)作用時(shí), 電疇在晶體中雜亂分布, 它們的極化效應(yīng)被相互抵消, 壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性, 不具有壓電性質(zhì) n在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí), 電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 趨向于按外電場(chǎng)方向的排列, 從而使材料得到極化。n外電場(chǎng)去掉后, 電疇的極化方向基本不變, 即剩余極化強(qiáng)度很大, 這時(shí)的材料才具有壓電特性。 n醫(yī)用超聲換能器中用得最多的，偏鈮酸鉛壓電陶瓷。優(yōu)點(diǎn)：幾點(diǎn)耦合系數(shù)的各向異性大，徑向共振弱，厚度共振強(qiáng)，可獲得單純厚

25、度模式共振，超聲圖像清晰，電容率小，與高頻電路容易匹配，機(jī)械阻尼高，頻帶范圍寬，易于獲得高頻下的窄脈沖換能器。聲阻抗低，易于與人體軟組織匹配居里溫度高，壓電性能隨溫度變化小，性能穩(wěn)定。n高分子壓電聚合物材料，是一種半結(jié)晶聚合物，如：聚二氟乙烯（PV）：壓電聚合物薄膜，據(jù)歐柔軟性的塑料薄膜特性接收靈敏度高，容易達(dá)到較高厚度諧振基頻特性阻抗約為水的3倍。三 壓電材料的主要參數(shù)n1 彈性系數(shù)n3.壓電材料在磁學(xué)效應(yīng)中有：B=H式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，為磁導(dǎo)率n4.壓電材料在熱學(xué)效應(yīng)中有：Q=/c式中Q為熱量；為溫度；為熵；為介質(zhì)密度；c為材料比熱。對(duì)于壓電體，我們通常不考慮磁學(xué)效應(yīng)并且認(rèn)為

26、在壓電效應(yīng)過程中無熱交換一般只考慮前面所述的力學(xué)效應(yīng)和電學(xué)效應(yīng)，而且還必須同時(shí)考慮它們之間存在的相互作用。n把兩個(gè)力學(xué)量-應(yīng)力和應(yīng)變e與兩個(gè)電學(xué)量-電場(chǎng)強(qiáng)度E和電位移強(qiáng)度D聯(lián)系在一起，描述它們之間相互作用的表達(dá)式就是所謂的壓電方程。處在工作狀態(tài)下的壓電體，其力學(xué)邊界條件可以有機(jī)械自由與機(jī)械夾緊兩種情況，而電學(xué)邊界條件則有電學(xué)短路和電學(xué)開路兩種情況，根據(jù)不同的邊界條件，選擇不同的自變量與因變量，就可以得到不同類型的壓電方程。電位移Dn壓電體上敷設(shè)金屬電極，電極面與極化強(qiáng)度方向垂直n自由電荷面密度等于極化強(qiáng)度n自由電荷面密度等于電通密度D61iimimdD壓電方程組同時(shí)受應(yīng)力和電場(chǎng)作用n壓電體同時(shí)

27、受電場(chǎng)和應(yīng)力作用時(shí)，利用疊加原理來處理。n第一類方程組，應(yīng)力、電場(chǎng)強(qiáng)度為自變量應(yīng)變、電位移為因變量應(yīng)變彈性柔順系數(shù)應(yīng)力應(yīng)變彈性柔順系數(shù)應(yīng)力應(yīng)變常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)變常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度電通密度應(yīng)變常數(shù)應(yīng)力分量電通密度應(yīng)變常數(shù)應(yīng)力分量介電常數(shù)電場(chǎng)介電常數(shù)電場(chǎng)壓電方程組同時(shí)受應(yīng)力和電場(chǎng)作用n第二類壓電方程組以應(yīng)變和電場(chǎng)強(qiáng)度為自變量以應(yīng)力和電位移為因變量應(yīng)力電場(chǎng)下彈性剛度系數(shù)應(yīng)變應(yīng)力電場(chǎng)下彈性剛度系數(shù)應(yīng)變 壓電應(yīng)力常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度壓電應(yīng)力常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度電位移量壓電應(yīng)力常數(shù)應(yīng)變電位移量壓電應(yīng)力常數(shù)應(yīng)變 恒定應(yīng)變下的介電常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度恒定應(yīng)變下的介電常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度壓電參數(shù)8介電損耗n電介質(zhì)晶體突然受到電場(chǎng)作用時(shí)，極化強(qiáng)度并不是

28、一下子就達(dá)到最終值，即極化是一種弛豫現(xiàn)象（極化弛豫）。n如果介質(zhì)受交變電場(chǎng)作用，而交變頻率又比較高，就會(huì)使極化追隨不及時(shí)而發(fā)生滯后，從而引起了所謂的介質(zhì)損耗，并使動(dòng)態(tài)介電常數(shù)與靜態(tài)介電常數(shù)發(fā)生差異。供給電介質(zhì)的能量有一部分消耗在強(qiáng)迫固有電矩的轉(zhuǎn)動(dòng)上并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏幌牡?，另一原因則是介質(zhì)漏電，尤其在高溫和強(qiáng)電場(chǎng)作用下其表現(xiàn)更為顯著，由于漏電，電能被轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉（電導(dǎo)損耗）。9電學(xué)品質(zhì)因數(shù)Qen介質(zhì)損耗角正切的倒數(shù)即為電學(xué)品質(zhì)因數(shù)：Qe=1/tg=C 它反映了壓電體在交變電場(chǎng)作用下消耗電能（轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽┑拇笮?。Qe越大，意味著電能損耗越小。Qe的存在表明任何壓電材料都不可能把電能完全轉(zhuǎn)變成

29、機(jī)械能，其能量損耗的原因即是上述的介質(zhì)損耗。10機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qmn壓電體作諧振振動(dòng)時(shí)，要克服內(nèi)部的機(jī)械摩擦損耗（內(nèi)耗），在有負(fù)載時(shí)還要克服外部負(fù)載的損耗，與這些機(jī)械損耗相聯(lián)系的是機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qmo（空載機(jī)械Q值）及Qm（有負(fù)載時(shí)的機(jī)械Q值）。它的定義為：Qm=諧振時(shí)壓電振子儲(chǔ)存的機(jī)械能量/諧振時(shí)每周期內(nèi)損耗的機(jī)械能量它反映了壓電體振動(dòng)時(shí)克服機(jī)械損耗而消耗能量的大小。Qm越大，意味著機(jī)械能損耗越小。Qm的存在也表明任何壓電材料都不可能把輸入的機(jī)械能全部用于輸出。n對(duì)于一個(gè)壓電換能器而言，它的Qm和Qe并不是常量，它們與工作頻率、頻帶寬度、壓電換能器的制作工藝、結(jié)構(gòu)、輻射介質(zhì)（負(fù)載）等有關(guān)。n當(dāng)Q

30、m太高時(shí)，容易使振子產(chǎn)生的振動(dòng)波形過長(zhǎng)（振鈴現(xiàn)象），導(dǎo)致波形失真和分辨率降低，n同樣，Qe也并非越大越好。Q值大，意味著壓電效應(yīng)過程中能量消耗小，在大功率和高頻應(yīng)用或者純發(fā)射功率應(yīng)用的情況下能減少發(fā)熱量，這是有利的一面。但是對(duì)于以檢測(cè)為目的的換能器，Q值大則對(duì)展寬頻帶、改善波形、提高分辨率等都是不利的。n由于Q值的大小還隨負(fù)載性質(zhì)而改變（例如水浸探頭、接觸法探頭所面臨的負(fù)載介質(zhì)是不同的），在設(shè)計(jì)換能器時(shí)還必須考慮到負(fù)載媒介的影響（輻射阻抗問題）。11機(jī)電耦合系數(shù)Kn綜上所述，我們可以總結(jié)出在超聲檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中選擇壓電材料制作壓電換能器時(shí)主要的選擇原則如下：n6介電常數(shù)-壓電晶片涂附電極后即構(gòu)

31、成一個(gè)電容器，其電容量的大小符合C=A/t，即與介電常數(shù)、電極相對(duì)面積A和電極間距（晶片厚度）t相關(guān)。在電路中，電容量小時(shí)意味著容抗大，適合用作高頻壓電元件，特別是超聲檢測(cè)換能器多工作在兆赫茲頻率范圍，因此要求壓電材料的小些為好。相反，在用于制作低頻壓電元件（如音頻范圍的揚(yáng)聲器、話筒等）時(shí)，則宜選用較大的材料以滿足大容量、低容抗的匹配要求。n的數(shù)值還與換能器的機(jī)械自由度有關(guān)，即機(jī)械夾緊狀態(tài)與機(jī)械自由狀態(tài)的介電常數(shù)是不同的，故有e、的區(qū)別。此外，與頻率的關(guān)系也比較敏感，故要以具體工作頻率為條件實(shí)際測(cè)定值。n7厚度振動(dòng)頻率常數(shù)N主要利用厚度振動(dòng)型壓電換能器，故壓電材料的N值越大，意味著相同厚度的壓

32、電晶片有較高的諧振頻率，或者說在同一諧振頻率下其晶片厚度較大，從而便于加工制作高頻元件，故應(yīng)選擇N值較大的材料為好n8鐵電居里點(diǎn)Tc-鐵電晶體只在某一溫度范圍內(nèi)具有鐵電性，當(dāng)溫度達(dá)到鐵電居里點(diǎn)時(shí)，晶體將失去鐵電性，并且晶體的介電、壓電、光學(xué)、彈性以及熱學(xué)等性質(zhì)均出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。大多數(shù)鐵電體只有一個(gè)居里點(diǎn)，但有少數(shù)鐵電體具有上、下居里點(diǎn)，它只在上、下居里點(diǎn)之間的溫度范圍內(nèi)具有鐵電性。例如鋯鈦酸鉛的上居里點(diǎn)在115-120，下居里點(diǎn)在-5，若在鈦酸鋇中添加5%的鈦酸鈣，則其下居里點(diǎn)可到-40。n此外，也有一些鐵電體是沒有居里點(diǎn)的，如一些特殊的高分子壓電材料（因達(dá)到某一溫度時(shí)即已發(fā)生融化甚至燒毀）。n

33、9機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm和電學(xué)品質(zhì)因數(shù)Qe-在實(shí)際應(yīng)用中，若Qm和Qe值較大時(shí)，將會(huì)有“振鈴”現(xiàn)象存在，導(dǎo)致波形失真、分辨率降低等不利于檢測(cè)的情況產(chǎn)生。一般不希望Qm和Qe太大，除了在選材時(shí)予以考慮外，在設(shè)計(jì)制作換能器時(shí)，常常需要通過結(jié)構(gòu)上加大阻尼，電路上改變阻抗等辦法來適當(dāng)降低Qm和Qe值。當(dāng)然，降低Qm和Qe值是以犧牲靈敏度（降低輸出功率）為代價(jià)的。因此，應(yīng)按實(shí)際應(yīng)用的需要來選擇和調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)腝值（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，超聲檢測(cè)換能器的實(shí)際Q值不宜大于10）。n10壓電材料的老化性能-極化后的壓電材料其壓電性能會(huì)隨時(shí)間的推移而有不可逆的變化，這種現(xiàn)象稱為“老化”，如介電常數(shù)、介電損耗、壓電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)及

34、彈性等通常隨時(shí)間推移而變小，頻率常數(shù)和機(jī)械Q值會(huì)隨時(shí)間推移而增大。這些參數(shù)的變化基本上與時(shí)間的對(duì)數(shù)值有線性關(guān)系。一般以十年為一個(gè)單位來考慮，稱為“十年老化”。顯然，這個(gè)指標(biāo)反映了壓電材料的時(shí)間穩(wěn)定性，在制作壓電換能器時(shí)也應(yīng)適當(dāng)考慮選擇時(shí)間穩(wěn)定性較好的材料。在具體的超聲換能器上，這種老化現(xiàn)象會(huì)具體表現(xiàn)在靈敏度、始波占寬、電噪聲水平等，因此對(duì)于換能器的選購(gòu)和儲(chǔ)存時(shí)也應(yīng)注意到時(shí)效的影響。n11壓電材料的熱穩(wěn)定性-這是指壓電材料在居里點(diǎn)以下的一定溫度范圍連續(xù)工作一段時(shí)間后其壓電性能不變或無退化的特性，特別對(duì)于高溫環(huán)境下工作的換能器，應(yīng)選取熱穩(wěn)定性好的材料。n以上11項(xiàng)是我們選擇壓電材料制作超聲檢測(cè)換能

35、器時(shí)的主要考慮因素和選擇原則，應(yīng)視具體應(yīng)用情況和需要作綜合考慮，適當(dāng)選擇。 二、超聲探頭的類別 n:按診斷部位分類：眼科探頭、心臟探頭、腹部探頭、顱腦探頭、腔內(nèi)探頭和兒童探頭等之分；n按應(yīng)用方式分類：體外探頭、體內(nèi)探頭、穿刺活檢探頭之分;n按探頭中換能器所用振元數(shù)目分類：?jiǎn)卧筋^和多元探頭n按波束控制方式分類：線掃探頭、相控陣探頭、機(jī)械扇掃探頭和方陣探頭等;n按探頭的幾何形狀分類：矩形探頭、柱形探頭、弧形探頭(又稱凸形)、圓形探頭等。1.柱形單振元探頭n柱形單振元探頭主要用于A超和M超，又稱筆桿式探頭。目前在經(jīng)顱多普勒（TCD)及胎心監(jiān)護(hù)儀器中亦用此探頭。 :壓電晶體，用于接收電脈沖產(chǎn)生機(jī)械超

36、聲振動(dòng)，完成聲-電和電-聲轉(zhuǎn)換工作。其幾何形狀和尺寸是根據(jù)診斷要求來設(shè)計(jì)的，上、下電極分別焊有一根引線，用來傳輸電信號(hào) n墊襯吸聲材料，用于衰減并吸收壓電振子背向輻射的超聲能量，使之不在探頭中來回反射而使振子的振鈴時(shí)間加長(zhǎng)，因此要求墊襯具有較大的衰減能力，并具有與壓電材料接近的聲阻抗，以使來自壓電振子背向輻射的聲波全部進(jìn)入墊襯中并不再反射回到振子中去，吸聲材料一般為環(huán)氧樹脂加鎢粉，或鐵氧體粉加橡膠粉配合而成 n聲學(xué)絕緣層，防止超聲能量傳至探頭外殼引起反射，造成對(duì)信號(hào)的干擾;n外殼，作為探頭內(nèi)部材料的支承體，并固定電纜引線，殼體上通常標(biāo)明該探頭的型號(hào)、標(biāo)稱頻率;n保護(hù)層，用以保護(hù)振子不被磨損。保

37、護(hù)層應(yīng)該選擇衰減系數(shù)低并耐磨的材料，由于保護(hù)層與振子和人體組織同時(shí)接觸，其聲阻抗應(yīng)接近人體組織的聲阻，并將保護(hù)層兼做為層間插入的聲阻抗?jié)u變層，其厚度應(yīng)為/4。 (2) 基本特性 n超聲探頭作為一種傳感器，其最重要的性能有:特征頻率、受電激勵(lì)后振動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短以及其體積的大小探頭的特征頻率決定于壓電晶體的厚度。給壓電晶體施加電激勵(lì)后，其前面和后面都會(huì)發(fā)出聲能，只要周圍介質(zhì)的聲阻抗與壓電晶體不一樣，部分聲能就會(huì)在前后界面處反射回晶體，并以聲波形式在晶體內(nèi)以同一速度傳播。聲波傳至對(duì)面所需要的時(shí)間與晶體的厚度成正比，當(dāng)晶體厚度恰為波長(zhǎng)的一半時(shí)，反射應(yīng)力和發(fā)射應(yīng)力在每一面相互加強(qiáng)，壓電晶體產(chǎn)生共振，呈現(xiàn)最

38、大的位移幅度。 相當(dāng)于半波長(zhǎng)厚度的頻率叫壓電晶體的基礎(chǔ)共振頻率。 n 傳感器受電激勵(lì)后振動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短影響超聲系統(tǒng)的縱向分辨力。n為了追求好的縱向分辨力，通常使激勵(lì)電脈沖寬度盡量窄，然而由于超聲探頭的壓電材料對(duì)電激勵(lì)常呈較長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)(即電脈沖結(jié)束后聲振蕩仍以衰減振蕩方式維持一段時(shí)間),此種振鈴反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)超聲脈沖，如不予以阻尼，就會(huì)導(dǎo)致分辨力減弱。n為此必須在壓電體后面放置特別的墊襯材料，利用其吸音特性產(chǎn)生阻尼，使振鈴反應(yīng)減弱,從而縮短脈沖總長(zhǎng)度。n同時(shí)，此阻尼材料還可以吸收壓電晶體后面發(fā)出的聲能，否則這種能量就會(huì)在晶體中產(chǎn)生反射，干擾來自被檢介質(zhì)中的回聲。阻尼強(qiáng)的墊襯使換能器的聲脈沖時(shí)間縮短

39、，但也使靈敏度降低;阻尼弱則有損于分辨力，卻使換能器有較佳的靈敏度。 n 對(duì)于柱形單振元探頭，振元直徑的大小主要影響超聲場(chǎng)的形狀。n一般來說，振元直徑大，聲束的指向性好，并易于聚焦。n通常振元直徑在530mm范圍內(nèi)選定。 2.機(jī)械扇掃超聲探頭n機(jī)械扇形掃描超聲探頭配用于扇掃式B型超聲診斷儀，它是依靠機(jī)械傳動(dòng)方式帶動(dòng)傳感器往復(fù)搖擺或連續(xù)旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)扇形掃描的n比如早期的機(jī)械扇掃探頭的重量達(dá)0.6kg以上，且掃描角度僅30。隨著技術(shù)的進(jìn)步，到80年代中期，機(jī)械扇掃超聲換能器的產(chǎn)品性能日趨改善，重量可以做到0.2kg以下，掃描幀頻約30幀/s,掃描角度達(dá)85，2.機(jī)械扇掃超聲探頭n 機(jī)械扇掃探頭除換能

40、器聲學(xué)特性的基本要求之外，還應(yīng)滿足以下要求:保證探頭中的壓電振子作30次/s左右的高速擺動(dòng)，擺動(dòng)幅度應(yīng)足夠大；擺動(dòng)速度應(yīng)均勻穩(wěn)定；整體體積小、重量輕，便于手持操作;外形應(yīng)適合探查的需要，并能靈活改變掃查方向;機(jī)械振動(dòng)及噪聲應(yīng)小到不致引起病人的緊張和煩躁。目前來看，機(jī)械扇掃探頭主要存在的不足之處，是噪聲大和探頭壽命短。多數(shù)的機(jī)械扇掃探頭壽命僅有數(shù)千小時(shí)3.電子線陣超聲探頭n電子線陣超聲探頭配用于電子式線性掃描超聲診斷儀。n它主要由6部分組成:開關(guān)控制器、阻尼墊襯、換能器陣列、匹配層、聲透鏡和外殼。n(1)開關(guān)控制器用于控制探頭中各振元按一定組合方式工作，若采用直接激勵(lì)，則每一個(gè)振元需要一條信號(hào)線

41、連接到主機(jī)，目前換能器振元數(shù)已普遍增加到數(shù)百個(gè)，則與主機(jī)的連線需要數(shù)百根，這不僅使工藝復(fù)雜，因此而增加的探頭和電纜的重量也是不堪設(shè)想的。n采用開關(guān)控制器就可以使探頭與主機(jī)的連線數(shù)大大減小。n(2)阻尼墊襯其作用與柱形單振元探頭中的墊襯作用相同，用于產(chǎn)生阻尼,抑制振鈴并消除反射干擾。阻尼墊襯材料的構(gòu)成要求亦和柱形單振元探頭相似。n(3)換能器陣列換能器的晶體振元通常是采用切割法制造工藝，即對(duì)一寬約10mm，一定厚度的矩形壓電晶體，通過計(jì)算機(jī)程控順序開槽。開槽寬度應(yīng)小于0.1mm，開槽深度則不能一概而論，這是因?yàn)樗镁暮穸热Q于探頭的工作頻率，相當(dāng)于半波長(zhǎng)厚度的頻率叫做壓電晶體的基礎(chǔ)共振頻率。

42、晶體材料的半波長(zhǎng)厚度可由下式給出。=CpT12式中:Cp為超聲波在該材料中的傳播速度，T為工作頻率超聲波的周期。n(4)匹配層由于聲透鏡同時(shí)與晶體振元和人體接觸，兩者的聲阻抗差別甚壓電晶體振元的阻抗Zf(2035)106kgsm2，人體組織的阻抗Ze(1.581.7)106kgsm2，難于使聲透鏡的特性阻抗同時(shí)與兩者匹配。超聲經(jīng)不同阻抗界面?zhèn)鞑?，將產(chǎn)生反射，會(huì)增加能量損耗并影響分辨力，因此，往往需要采用匹配層來實(shí)現(xiàn)探頭與負(fù)載之間的匹配。n對(duì)匹配層除厚度與聲阻抗的要求外，還要求其聲阻尼要小，以減小對(duì)超聲能量的損耗。在工藝上應(yīng)保證其同時(shí)與晶體振元和聲透鏡接觸良好。 n匹配層材料通常也采用環(huán)氧加鎢粉

43、配制 4.電子凸陣超聲探頭4.電子凸陣超聲探頭n凸陣探頭的結(jié)構(gòu)原理與線陣探頭相類似，只是振元排列成凸形。n但相同振元結(jié)構(gòu)凸形探頭的視野要比線陣探頭大。由于其探查視場(chǎng)為扇形，故對(duì)某些聲窗較小的臟器的探查比線陣探頭更為優(yōu)越，比如檢測(cè)骨下臟器，有二氧化碳和空氣障礙的部位更能顯現(xiàn)其特點(diǎn)。n但凸形探頭波束掃描遠(yuǎn)程擴(kuò)散，必須給予線插補(bǔ)，否則因線密度低將使影像清晰度變差。 n探頭中的振元都不是同時(shí)被激勵(lì)的，它們總是被分組分時(shí)受激勵(lì)，而且分配的方法有多樣。5.相控陣超聲探頭5.相控陣超聲探頭 n相探陣超聲探頭可以實(shí)現(xiàn)波束扇形掃描，因此又稱為相控電子扇掃探頭。n相控陣超聲探頭外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與線陣探頭頗有相似之處

44、。其一是所用換能器也是多元換能器陣列;其二是探頭的結(jié)構(gòu)、材料和工藝亦相近，主要由換能器、阻尼墊襯、聲透鏡以及匹配層幾部分組成；5.相控陣超聲探頭n但它們的不同之處也主要有兩點(diǎn)：第一是在探頭中沒有開關(guān)控制器，這是因?yàn)橄嗫仃囂筋^換能器中，各振元基本上是同時(shí)被激勵(lì)的，而不是像線陣探頭換能器那樣分組、分時(shí)工作的，因此，不需要用控制器來選擇參與工作的振元。第二是相控陣探頭的體積和聲窗面積都較小，這是因?yàn)橄嗫仃囂筋^是以扇形掃描方式工作的，其近場(chǎng)波束尺寸小，也正因?yàn)榇?，它具有機(jī)械扇形掃描探頭的優(yōu)點(diǎn)，可以通過一個(gè)小的“窗口”，對(duì)一個(gè)較大的扇形視野進(jìn)行探查。 n 矩陣式探頭n由切割成的數(shù)百個(gè)到數(shù)千個(gè)矩陣組成。如

45、Philips*4Matrix型超級(jí)矩陣式探頭，由3000個(gè)陣元塊組成。150多個(gè)計(jì)算機(jī)電子板進(jìn)行接收惡化處理超聲回波信號(hào)。穿刺活檢換能器n中心部位有一個(gè)23mm的圓孔，用來通過不同型號(hào)的穿刺線或活檢鉗。第二章第二章 醫(yī)用超聲換能器醫(yī)用超聲換能器v 功能功能 電能量電能量超聲能量相互轉(zhuǎn)換超聲能量相互轉(zhuǎn)換v 重要性重要性 整臺(tái)超聲儀器性能的關(guān)鍵整臺(tái)超聲儀器性能的關(guān)鍵v 材料性能種類材料性能種類. 壓電換能器壓電換能器超聲診斷儀主要用之超聲診斷儀主要用之. 磁致伸縮換能器磁致伸縮換能器超聲治療儀用之超聲治療儀用之超聲診斷儀換能器探頭超聲診斷儀換能器探頭超聲診斷儀換能器探頭超聲診斷儀換能器探頭測(cè)厚探

46、頭測(cè)厚探頭直探頭直探頭第一節(jié)壓電換能器第一節(jié)壓電換能器一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)1. 正向壓電效應(yīng)正向壓電效應(yīng) 材料兩端加材料兩端加壓力壓力兩電極產(chǎn)生兩電極產(chǎn)生電場(chǎng)電場(chǎng) 壓力壓力 形變形變晶格電偶極矩變化晶格電偶極矩變化電荷積累電荷積累電場(chǎng)電場(chǎng) 2. 逆向壓電效應(yīng)逆向壓電效應(yīng) 材料兩端加材料兩端加電壓電壓材料產(chǎn)生材料產(chǎn)生形變形變 電壓電壓電場(chǎng)電場(chǎng)晶格電偶極受力晶格電偶極受力應(yīng)力應(yīng)力形變形變 材料正、逆向壓電效應(yīng)可逆材料正、逆向壓電效應(yīng)可逆+ + + + + +- - - - - -+ + + + + +- - - - - -壓電效應(yīng)示意圖壓電效應(yīng)示意圖二、醫(yī)用壓電材料二、醫(yī)用壓電材料 1. 壓電

47、材料壓電材料: 具有壓電效應(yīng)特性的材料。具有壓電效應(yīng)特性的材料。 2. 壓電材料的種類壓電材料的種類（1）壓電單晶體）壓電單晶體 石英、酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鈮酸鉀、硫酸鋰等石英、酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鈮酸鉀、硫酸鋰等（2）壓電多晶體）壓電多晶體 鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂-鋯鋯-鈦酸鉛等鈦酸鉛等（3）壓電高分子聚合物）壓電高分子聚合物 聚偏二氟乙烯等聚偏二氟乙烯等（4）復(fù)合壓電材料）復(fù)合壓電材料 聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復(fù)合（鋯鈦酸鉛復(fù)合（PVDF+PZT）等）等3. 壓電特性的獲得壓電特性的獲得單晶體：?jiǎn)尉w：某些方向本身固有壓電效應(yīng)某些

48、方向本身固有壓電效應(yīng)選定切割選定切割多晶體：多晶體：材料加熱到材料加熱到居里點(diǎn)居里點(diǎn)溫度，壓電效應(yīng)消失，溫度，壓電效應(yīng)消失， 然后在強(qiáng)電場(chǎng)中慢慢冷卻然后在強(qiáng)電場(chǎng)中慢慢冷卻極化。極化。居里點(diǎn)：居里點(diǎn)：石英石英=550oC，鋯鈦酸鉛，鋯鈦酸鉛=330oC， 鈦酸鋇鈦酸鋇=120oC4. 各類壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn)各類壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn) 壓電陶瓷壓電陶瓷 電聲轉(zhuǎn)換效率高；易于電路匹配；性能穩(wěn)定；電聲轉(zhuǎn)換效率高；易于電路匹配；性能穩(wěn)定； 價(jià)廉，易加工。但頻率受限；脆；物性受溫度影響。價(jià)廉，易加工。但頻率受限；脆；物性受溫度影響。 石英晶體石英晶體 電容小，頻率高；機(jī)械性能好。但昂貴；加工電容小，頻率高；機(jī)械性

49、能好。但昂貴；加工 不便。不便。 高分子壓電聚合材料高分子壓電聚合材料 接收靈敏，效率高，易匹配，機(jī)械性能好。接收靈敏，效率高，易匹配，機(jī)械性能好。 三、壓電材料的主要參數(shù)和壓電方程三、壓電材料的主要參數(shù)和壓電方程1. 主要參數(shù)主要參數(shù)（1）壓電常數(shù)）壓電常數(shù) d 和和g d：壓電材料加上單位：壓電材料加上單位電場(chǎng)電場(chǎng)所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的應(yīng)變應(yīng)變。 又稱：材料的發(fā)射常數(shù)，單位：又稱：材料的發(fā)射常數(shù)，單位：m/v g：壓電材料開路時(shí)，施加單位：壓電材料開路時(shí)，施加單位應(yīng)力應(yīng)力所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的電場(chǎng)電場(chǎng)。 又稱：材料的接收常數(shù)，單位：又稱：材料的接收常數(shù)，單位：v/m. （2）介電常數(shù)）介電常數(shù) 同樣電

50、壓下，壓電材料介質(zhì)和真空介質(zhì)的電容比值。同樣電壓下，壓電材料介質(zhì)和真空介質(zhì)的電容比值。 S：換能器被夾緊（：換能器被夾緊（S=0）時(shí)的介電常數(shù)，）時(shí)的介電常數(shù)， T：換能器自由（：換能器自由（T=0）時(shí)的介電常數(shù)。）時(shí)的介電常數(shù)。 d/g =T S應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度內(nèi)的長(zhǎng)度變化量，應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度內(nèi)的長(zhǎng)度變化量， T應(yīng)力：材料內(nèi)力。應(yīng)力：材料內(nèi)力。2壓電方程壓電方程材料僅作厚度振動(dòng)，參量?jī)H在厚度方向時(shí)的壓電方程材料僅作厚度振動(dòng)，參量?jī)H在厚度方向時(shí)的壓電方程 S = （1/YE ）T+dE D = dT+TE 式中：式中：Y電場(chǎng)不變時(shí)的楊氏模量電場(chǎng)不變時(shí)的楊氏模量D電位移：?jiǎn)挝幻娣e上的電荷量電位移：?jiǎn)?/p>

51、位面積上的電荷量 E電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度 S 應(yīng)變應(yīng)變 T 應(yīng)力應(yīng)力 應(yīng)力不變時(shí)的介電常數(shù)應(yīng)力不變時(shí)的介電常數(shù) d 壓電常數(shù)壓電常數(shù) 圖圖2-3是壓電體所在坐標(biāo)系是壓電體所在坐標(biāo)系其中：其中：D，E，S，T均在均在z方向方向與壓電體表面垂直與壓電體表面垂直 L壓電體厚度壓電體厚度 V壓電體表面電壓壓電體表面電壓 P外加壓力外加壓力有：有：E=V/L，P=T討論：討論：（1）加電壓）加電壓V，自由（，自由（T=0）時(shí)，由）時(shí)，由式得：式得： L=SL=dEL=dV 即：形變即：形變L正比于加的電壓正比于加的電壓V（2）加電壓）加電壓V，夾緊（，夾緊（S=0）時(shí)，由）時(shí)，由式得：式得： T= YEd

52、E=(dYE)V/L 即：應(yīng)力即：應(yīng)力T正比于加的電壓正比于加的電壓V （3）加壓力加壓力P，開路（，開路（D=0）時(shí)，由）時(shí)，由式得：式得： V= dT(L/T)=(d /T)LP = gLP 即：產(chǎn)生電壓即：產(chǎn)生電壓V正比于加的壓力正比于加的壓力P（4）加壓力）加壓力P，短路（，短路（E=0）時(shí)，因）時(shí)，因D=q/A，由，由式得：式得： q= dTA=dAP 式中：式中：A壓電體面積壓電體面積 即：產(chǎn)生電荷積累即：產(chǎn)生電荷積累q正比于加的壓力正比于加的壓力PS = (1/YE)T+dE D = dT+TE E=V/L，P=Td/g =T 超聲診斷中常根據(jù)不同的受檢對(duì)象和部位超聲診斷中常根據(jù)

53、不同的受檢對(duì)象和部位選擇不同的探頭，如選擇不同的探頭，如2 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz等，探頭的發(fā)射頻率是由什么決定的呢？等，探頭的發(fā)射頻率是由什么決定的呢？探頭的發(fā)射頻率探頭的發(fā)射頻率 當(dāng)一交變電壓加至壓電材料上時(shí)，壓電晶片表面產(chǎn)當(dāng)一交變電壓加至壓電材料上時(shí)，壓電晶片表面產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，并向與之接觸的介質(zhì)中輻射超聲能量。生相應(yīng)的振動(dòng)，并向與之接觸的介質(zhì)中輻射超聲能量。除非特性阻抗相等，一般總有部分超聲能量被壓電晶片除非特性阻抗相等，一般總有部分超聲能量被壓電晶片前后表面反射，在壓電體內(nèi)傳向?qū)γ?。因?yàn)榍昂蟊砻嬲袂昂蟊砻娣瓷?，在壓電體內(nèi)傳向?qū)γ?。因?yàn)榍昂蟊砻嬲駝?dòng)反相，當(dāng)動(dòng)反

54、相，當(dāng)L=/2時(shí)，壓電體內(nèi)傳播時(shí)間時(shí)，壓電體內(nèi)傳播時(shí)間 t = L/c = (/2)/c = (cT/2)/c = T/2即：到達(dá)對(duì)面時(shí)，與相移即：到達(dá)對(duì)面時(shí)，與相移180o的對(duì)面振動(dòng)疊加，達(dá)到同的對(duì)面振動(dòng)疊加，達(dá)到同頻同相疊加，輻射超聲最強(qiáng)，即為諧振情況。對(duì)應(yīng)頻率頻同相疊加，輻射超聲最強(qiáng)，即為諧振情況。對(duì)應(yīng)頻率 f = c/= c/2L稱稱基本諧振頻率基本諧振頻率，或，或基頻基頻。T/2TTttT/2L收縮膨脹收縮表面位移c, f前向后向壓電體超聲超聲3T/2 一般地，基頻或更高頻率在壓電體內(nèi)傳播從一個(gè)一般地，基頻或更高頻率在壓電體內(nèi)傳播從一個(gè)表面到達(dá)對(duì)面所用時(shí)間為：表面到達(dá)對(duì)面所用時(shí)間為：

55、 t = Lc = (2n-1)T2n-1 2 (n=1,2,)即：即： L= (2n-1)2n-1 2 或：或： f2n-1 = 1T2n-1 = (2n-1)c2L時(shí)，都能達(dá)到諧振。時(shí)，都能達(dá)到諧振。 f1基頻，基頻， f 3，f5，f7高次諧振頻率，高次諧振頻率，f1Lc2材料的頻率常數(shù)材料的頻率常數(shù)結(jié)論結(jié)論 探頭的發(fā)射頻率是由晶體的厚度決定的。探頭的發(fā)射頻率是由晶體的厚度決定的。第二節(jié)換能器的超聲場(chǎng)第二節(jié)換能器的超聲場(chǎng)v 超聲場(chǎng)超聲場(chǎng) 彈性介質(zhì)中充滿超聲能量的空間，或超聲傳播時(shí)超彈性介質(zhì)中充滿超聲能量的空間，或超聲傳播時(shí)超聲能量在介質(zhì)中的空間分布。聲能量在介質(zhì)中的空間分布。v 平面圓片

56、換能器活塞振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)超聲場(chǎng)平面圓片換能器活塞振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)超聲場(chǎng) 活塞振動(dòng)活塞振動(dòng)平面振動(dòng)平面振動(dòng) 穩(wěn)態(tài)超聲場(chǎng)穩(wěn)態(tài)超聲場(chǎng)不考慮不考慮建立過程的穩(wěn)定超聲場(chǎng)建立過程的穩(wěn)定超聲場(chǎng) r, 極坐標(biāo)極坐標(biāo) z 聲軸方向聲軸方向 a 圓片半徑圓片半徑B(r,)zra 可看成無數(shù)頻率、振幅、相位相同的點(diǎn)聲源聲場(chǎng)疊加，可看成無數(shù)頻率、振幅、相位相同的點(diǎn)聲源聲場(chǎng)疊加， 在在 B(r,)點(diǎn)積分求得點(diǎn)積分求得P ，并進(jìn)而求得，并進(jìn)而求得I = P2/Z一、軸向聲場(chǎng)分布（一、軸向聲場(chǎng)分布（=0, r可變）可變）（1） 聲軸上聲強(qiáng)表達(dá)式聲軸上聲強(qiáng)表達(dá)式式中：式中：Z介質(zhì)聲阻抗，介質(zhì)聲阻抗，V0速度振幅，速度振幅，波波長(zhǎng)長(zhǎng)可見

57、：可見：（2）軸向聲場(chǎng)分布圖（據(jù)上式）軸向聲場(chǎng)分布圖（據(jù)上式） 當(dāng)當(dāng)0r r0，存在數(shù)個(gè)極大值和極小值，存在數(shù)個(gè)極大值和極小值， 當(dāng)當(dāng)rr0 后，隨著后，隨著r的增大，聲強(qiáng)逐漸減弱。的增大，聲強(qiáng)逐漸減弱。)(sin2)0,(22220rarZVrI00)()(02222IrarrCIararr，時(shí)，時(shí)，軸向上聲場(chǎng)分布圖軸向上聲場(chǎng)分布圖（3） 近場(chǎng)距離近場(chǎng)距離( r0 ) 式中，式中，D=2a壓電體直徑，如壓電體直徑，如a，則，則 聲學(xué)上稱：聲學(xué)上稱： r r0遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū) （4）軸向聲強(qiáng)分布特點(diǎn)）軸向聲強(qiáng)分布特點(diǎn) 近場(chǎng)區(qū)：近場(chǎng)區(qū)：聲強(qiáng)軸向起伏分布，但平均強(qiáng)度不變聲強(qiáng)軸向起伏分布，但平均強(qiáng)度不變 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：聲強(qiáng)軸向單調(diào)衰減，聲強(qiáng)軸向單調(diào)衰減，I 1r244422220Dar20ar二、徑向聲場(chǎng)分布（二、徑向聲場(chǎng)分布（r=定值定值, 可變）可變） （1） 徑向近場(chǎng)分布徑向近場(chǎng)分布 近場(chǎng)衍射現(xiàn)象：聲束截平面上聲強(qiáng)分布為許多最近場(chǎng)衍射現(xiàn)象：聲束截平面上聲強(qiáng)分布為許多最 大強(qiáng)度和最小強(qiáng)度的同心圓環(huán)，環(huán)的數(shù)量隨著距大強(qiáng)度和最小強(qiáng)度的同心圓環(huán)，環(huán)的數(shù)量隨著距 離的增加而減少。離的增加而減少。 聲能幾乎不擴(kuò)散，聲束寬度接近相等（等于聲能幾乎不擴(kuò)散，聲束寬度接近相等（等于D）。）。 （