1、功能：功能：電能量電能量超聲能量相互轉換超聲能量相互轉換重要性：重要性：整臺超聲儀器性能的關鍵整臺超聲儀器性能的關鍵材料性能種類：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（1 壓 電 效 應 壓 電 效 應 piezoelectric effect） ， 壓 電 現(xiàn) 象， 壓 電 現(xiàn) 象piezoelectricity） ，壓電晶體，壓電晶體piezoelectrical crystal） ：當沿某些天然晶體或人造壓電陶瓷材料的一定方向施加外部應當沿某些天然晶體或人造壓電陶瓷材料的一定方向施加外部應力拉力或壓

2、力使材料發(fā)生形變時，則會在物體兩個受力界面力拉力或壓力使材料發(fā)生形變時，則會在物體兩個受力界面上引起內部介質正負電荷中心相對位移，產生符號相反的束縛電上引起內部介質正負電荷中心相對位移，產生符號相反的束縛電荷。這種由機械力作用引起晶體表面電荷的效應，稱為正向壓電荷。這種由機械力作用引起晶體表面電荷的效應，稱為正向壓電相應。相應。 應力應力電荷中心相對位移電荷中心相對位移晶體表面電荷效應。晶體表面電荷效應。 若在上述晶體或壓電陶瓷體表面沿著能產生壓電效應的電軸方向若在上述晶體或壓電陶瓷體表面沿著能產生壓電效應的電軸方向施加電壓，則由于電場作用也會引起電介質內部電荷中心產生施加電壓，則由于電場作用

3、也會引起電介質內部電荷中心產生位移，并由這一極化位移又導致物體的幾何形變。這種由電場位移，并由這一極化位移又導致物體的幾何形變。這種由電場力作用而引起電介質幾何應變的壓電效應，稱為逆向壓電效應。力作用而引起電介質幾何應變的壓電效應，稱為逆向壓電效應。 電壓電壓電荷中心相對位移電荷中心相對位移 晶體幾何形變。晶體幾何形變。一壓電效應一壓電效應1. 正向壓電效應：正向壓電效應： 材料兩端加壓力材料兩端加壓力兩電極產生電場兩電極產生電場 物理本質：物理本質： 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電場 2. 逆向壓電效應逆向壓電效應 材料兩端加電壓材料兩端加電壓材料產

4、生形變材料產生形變 物理本質：物理本質： 電壓電壓電場電場晶格電偶極受力晶格電偶極受力應力應力形變形變材料正、逆向壓電效應可逆材料正、逆向壓電效應可逆+ + + + + +- - - - - -+ + + + + +- - - - - -l橫向壓電效應橫向壓電效應:形變方向和電場方向垂直。形變方向和電場方向垂直。l縱向壓電效應縱向壓電效應:形變方向和電場方向一致形變方向和電場方向一致l電致伸縮效應電致伸縮效應:所有電介質在電場中都要所有電介質在電場中都要受到拉伸作用，由于靜電力的作用而伸受到拉伸作用，由于靜電力的作用而伸長或壓縮的現(xiàn)象稱電致伸縮效應長或壓縮的現(xiàn)象稱電致伸縮效應換能器如何利用壓電

5、效應完成：電能量超聲能量的相互轉換l壓電材料：具有壓電效應特性的材料非晶方性）。壓電材料：具有壓電效應特性的材料非晶方性）。l壓電材料的種類：壓電材料的種類：l壓電單晶體：壓電單晶體：l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l壓電多晶體也稱壓電陶瓷）：壓電多晶體也稱壓電陶瓷）：l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l壓電高分子聚合物：壓電高分子聚合物：l聚偏二氟乙烯等聚偏二氟乙烯等l復合壓電材料：復合壓電材料：l聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復合鋯鈦酸鉛復合(PVDF+PZT)等等l壓

6、電特性的獲得：壓電特性的獲得：l單晶體：某些方向本身固有壓電效應單晶體：某些方向本身固有壓電效應選定切割選定切割l多晶體：材料加熱到居里點溫度壓電效應消失，各種多晶體：材料加熱到居里點溫度壓電效應消失，各種l 材料不同）材料不同） ，然后在強電場中冷卻，然后在強電場中冷卻極化。極化。l 居里點：石英居里點：石英=550oc，鋯鈦酸鉛，鋯鈦酸鉛=330oc，鈦酸，鈦酸鋇鋇=120ocl各類壓電材料的優(yōu)缺點：各類壓電材料的優(yōu)缺點：l壓電陶瓷：壓電陶瓷：l 電聲轉換效率高；易于電路匹配；性能穩(wěn)定；電聲轉換效率高；易于電路匹配；性能穩(wěn)定；l價廉，易加工。但頻率受限；脆；物性受溫度影響。價廉，易加工。但

7、頻率受限；脆；物性受溫度影響。l石英晶體：石英晶體：l 電容小，頻率高；機械性能好。但昂貴；加工不便。電容小，頻率高；機械性能好。但昂貴；加工不便。l高分子壓電聚合材料：高分子壓電聚合材料：l接收靈敏，效率高，易匹配，機械性能好。接收靈敏，效率高，易匹配，機械性能好。 超聲波的產生超聲波的產生超聲頻率交變電壓超聲頻率交變電壓壓電體超聲振動壓電體超聲振動發(fā)射超聲發(fā)射超聲諧振的條件諧振的條件一般前后表面總有部分超聲被反射，在壓電體內傳一般前后表面總有部分超聲被反射，在壓電體內傳向對面。因為前后表面振動反相，當向對面。因為前后表面振動反相，當L=/2時，壓電體內傳播時間時，壓電體內傳播時間t = L

8、/c = (/2)/c = (cT/2)/c = T/2即：到達對面時，與相移即：到達對面時，與相移180o的對面振動疊加，達到同的對面振動疊加，達到同頻同相疊加，輻射超聲最強。此為諧振情況。對應頻率頻同相疊加，輻射超聲最強。此為諧振情況。對應頻率 f = c/= c/2L稱基本諧振頻率，或基頻。稱基本諧振頻率，或基頻。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傳播從一個表面到達對面所用時間為： t = Lc = (2n-1)T2n-1 2 (n=1,2,)即： L= (2n-1)2n-1 2 或： f2n-1 = 1T2

9、n-1 = (2n-1)c2L時，都能達到諧振。 f1基頻， f 3，f5，f7高次諧振頻率。f1Lc2材料的頻率常數(shù)2-2 醫(yī)用超聲換能器聲波輻射器反向壓電效應(電能聲能，高頻電流機械振動)聲波檢測器正向壓電效應(聲能電能，聲波振動高頻電流) 超聲場：超聲能量作用的彈性介質空間稱為超聲場。了解超聲場在一定區(qū)域的空間分布狀態(tài)，對于超聲診斷儀的設計和應用無疑都是十分重要的。l根據(jù)惠更斯弗涅爾原理，對于單個振子，當它的尺寸極小時，可以將它看成是一個子波聲源(點聲源)，它所產生的聲場是沒有指向性的球面波，如圖18所示。l如果根源尺寸不足夠小，則可以將其輻射面上的每一點看成是一個子波聲源，由于各個子波

10、疊加的結果，其聲場區(qū)域就具有指向性。l以兩個點聲源所產生的聲場為例，由于兩個子波疊加的結果將具有指向性函數(shù)；留意！留意！一、 超聲輻射聲場特性描述聲壓、聲強在空間的分布狀態(tài)）（1指向性： 通常將任意角度 方位的聲壓 與 時聲壓 之比 、稱為聲場指向性函數(shù)，其圖形稱為指向性圖案，用極坐標表示。 指向性圖案中有一系列波束，其中輻射能量集中或接收靈敏度最高的波束稱為主波束主瓣），旁側波束稱為次波束（付瓣）。指向性函數(shù)directivity function），主瓣main lobe）。)(BP0)0(BPiDcos(sin)idD（2近場與遠場特性：近場與遠場特性： 物理上，近場指聲源在自由場可忽略

11、邊界影響的無限大均物理上，近場指聲源在自由場可忽略邊界影響的無限大均勻各向同性媒質中的聲場輻射時，靠近聲源的聲場，其瞬時聲勻各向同性媒質中的聲場輻射時，靠近聲源的聲場，其瞬時聲壓和質點振動速度不同相位。壓和質點振動速度不同相位。 在近場區(qū)，由于聲波相互干涉和衍射的結果，沿傳播方向各在近場區(qū)，由于聲波相互干涉和衍射的結果，沿傳播方向各點聲能聲壓或聲強會時而出現(xiàn)極大或極小，同時在垂直傳播點聲能聲壓或聲強會時而出現(xiàn)極大或極小，同時在垂直傳播方向上也可能出現(xiàn)聲能微弱變化，即近場衍射現(xiàn)象。近場區(qū)聲束方向上也可能出現(xiàn)聲能微弱變化，即近場衍射現(xiàn)象。近場區(qū)聲束基本不擴散?；静粩U散。 遠場指自由輻射時，遠離聲

12、源部分的聲場，其瞬時聲壓和質遠場指自由輻射時，遠離聲源部分的聲場，其瞬時聲壓和質點振速同相位。點振速同相位。 遠場區(qū)聲壓不均勻性減弱，對圓盤振子，遠場為圓錐體，聲遠場區(qū)聲壓不均勻性減弱，對圓盤振子，遠場為圓錐體，聲束開始擴散，聲壓隨距離增加而單調衰減，近似球面波擴散。束開始擴散，聲壓隨距離增加而單調衰減，近似球面波擴散。l由于處于發(fā)射狀態(tài)的圓形晶片相當于一個往復振動的活塞，所以常稱為圓形活塞振源， 是超聲診斷中常用的也是最基本的換能器，人們期望振源能發(fā)出一束均勻的超聲波。l在計算和分析圓形活塞聲源輻射的超聲時，假設：l把圓形活塞聲源看成是無限個小聲源組成l對每個小聲源，都在 立體角的半空間輻射

13、對稱球面波l對于該圓形聲源聲場中的某點的聲壓看成是每個小聲源輻射到此點處的聲壓的疊加。2超聲場：超聲場： 彈性介質中充滿超聲能量的空間?；虺晜鞑r超彈性介質中充滿超聲能量的空間?；虺晜鞑r超聲能量在介質中的空間分布。聲能量在介質中的空間分布。平面圓片換能器活塞振動的穩(wěn)態(tài)超聲場：平面圓片換能器活塞振動的穩(wěn)態(tài)超聲場：活塞振動活塞振動平面振動平面振動穩(wěn)態(tài)超聲場穩(wěn)態(tài)超聲場不考慮不考慮建立過程的穩(wěn)定超聲場建立過程的穩(wěn)定超聲場 r, 極坐標極坐標 z 聲軸方向聲軸方向 a 圓片半徑圓片半徑B(r,)zra1、聲場中心軸線上的聲壓py17等時，等時，Dc=0,即聲能限制在一個瓣內。其物理意義是這些數(shù)值相

14、應的即聲能限制在一個瓣內。其物理意義是這些數(shù)值相應的 角方角方向上沒有輻射聲波，圖向上沒有輻射聲波，圖2-11可看出這種狀況，主瓣要比輻瓣的聲壓強得多?？煽闯鲞@種狀況，主瓣要比輻瓣的聲壓強得多。 對于Dc=0的第一點，即貝賽爾函數(shù)的第一個根 時，相應的角度 稱為半擴散角，其值： （2-19） 此式稱為主瓣指向角的Franbofer公式，常用來求主聲束半擴散角。如Ka非常小，以至Dc對所有的 值幾乎都為1，即圓片成點聲源。對方性晶片，理論計算證明，半擴散角上式d為方片的邊長，方晶片的面d2，所以和方晶片直徑相當?shù)膱A形晶片的直徑D為：sin3.83yKa11113.833.83sinsinsin0

15、.61sin1.222KaaDa1sind2 dD3、關于近場和遠場的簡略結論在式2-14） ，而在2-19中 可看出，超聲f越高，即波長越小，a越大，近場長度L越大，同時半擴散角越小。這表示超聲的聲束性好，方向性顯著。 2aL1sin0.61a 當檢查的組織或臟器位于近場范圍內，這時近場內的超聲束平行度最高，反射界面與晶片的垂直性最好，因此反射的聲強較高，失真度小。但在近場之近晶片端，由于發(fā)射干擾等原因可能存在盲區(qū)。探查對象是否位于近場范圍內，可根據(jù)表22大致進行判斷。3曲面換能器直接發(fā)射系統(tǒng) 把壓電晶片做成凹面形，直接由它輻射出超聲波也能產生聚焦。如圖2-18所示。這種探頭稱為聚焦型探頭或

16、自聚焦發(fā)射器。它的聚焦原理與聲透鏡聚焦系統(tǒng)類似。超聲探頭的分類v超聲探頭超聲探頭超聲檢測用換超聲檢測用換能器能器v各種超聲診斷儀，探頭基本各種超聲診斷儀，探頭基本結構相同，以型為例。結構相同，以型為例。v一探頭的基本結構一探頭的基本結構v 壓電晶片壓電晶片v 吸聲背塊吸聲背塊v 匹配層保護層）匹配層保護層）v 電極、導線電極、導線v 聲隔離層聲隔離層v 外殼外殼v 晶片形狀：圓片形、矩形、球殼圓片形、圓筒形晶片形狀：圓片形、矩形、球殼圓片形、圓筒形 作用： 發(fā)射、接收超聲，即：電聲、聲電轉換； 要求： 可加工性； 銀層牢固； 各部分性能一致性； 性能穩(wěn)定性和可靠性。 特性： 晶片厚度確定發(fā)射超

17、聲的頻率； 晶片形狀確定聲束的形狀和聲場分布。 作用：作用： 吸收晶體背向輻射的超聲。吸收晶體背向輻射的超聲。 增大晶片阻尼，使發(fā)射脈沖窄，從而提高分辨率。增大晶片阻尼，使發(fā)射脈沖窄，從而提高分辨率。 要求：要求： 與壓電晶體的聲阻抗相等，以全部吸收背向輻射。與壓電晶體的聲阻抗相等，以全部吸收背向輻射。 對超聲的吸收力強，很快衰減，不再反射。對超聲的吸收力強，很快衰減，不再反射。 組成：組成： 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 + 鎢粉鎢粉 + 橡膠粉橡膠粉 空氣背襯，幾乎全反射，效率最高，用于超聲治療儀?？諝獗骋r，幾乎全反射，效率最高，用于超聲治療儀。 作用：作用： 換能器和人體之間聲阻抗匹配；條件：換能器

18、和人體之間聲阻抗匹配；條件： 增加換能器的帶寬；增加換能器的帶寬； 隔開晶體和人體，隔開晶體和人體， 保護晶體，免受機械、化學的損壞；保護晶體，免受機械、化學的損壞； 保護人體，免受激勵電壓的傷害。保護人體，免受激勵電壓的傷害。 要求：要求： 衰減系數(shù)低；衰減系數(shù)低； 耐磨損。耐磨損。 資料：資料： 環(huán)氧樹脂、二酊脂、乙二氨等。環(huán)氧樹脂、二酊脂、乙二氨等。4) 12 (,匹匹皮晶匹nlZZZ 作用： 傳輸電信號。 構造： 晶體兩面的銀層為電極，各引出一根導線。5聲隔離層 作用： 殼體與振動體之間聲隔離，防止超聲傳至外殼引起 反射，產生干擾。 資料： 軟木、橡膠、尼龍等。 1非聚焦換能器非聚焦換

19、能器 換能元件：平面圓片壓電陶瓷，換能元件：平面圓片壓電陶瓷， 工作模式：厚度振動。工作模式：厚度振動。2聚焦換能器聲學聚焦）聚焦換能器聲學聚焦）球面曲面壓電體聚焦球面曲面壓電體聚焦聲透鏡聚焦聲透鏡聚焦 凹透鏡凹透鏡 c透透 c人金屬、多數(shù)塑料）人金屬、多數(shù)塑料） 凸透鏡凸透鏡 c透透 c人，人，1,22人透cc21sinsin 嚴守使用規(guī)定。 小心輕放，不得摔跌。 關電源拆裝。 避免接觸有機溶劑。 保護透聲面。 使用無腐蝕性的耦合劑。 非水密探頭不能浸水使用。 不得高溫消毒。 用前檢查。 用后清潔。 機械扇形掃描探頭主要用于B超，最初掃描線數(shù)少、角度小、笨重、噪聲大角度小、磨損嚴重 直流馬達驅動整個機械傳動裝置帶動壓電振子擺動，位置電位器檢測振子瞬間取向，產生位置信號。旋轉變壓器作為角度檢測器，測角精度和使用壽