醫(yī)用超聲換能器

醫(yī)用超聲換能器第一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二超聲診斷儀換能器探頭第二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二超聲診斷儀換能器探頭第三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)厚探頭直探頭第四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第一節(jié)壓電換能器一、壓電效應(yīng)1.正向壓電效應(yīng)材料兩端加壓力→兩電極產(chǎn)生電場(chǎng)壓力→形變→晶格電偶極矩變化→電荷積累→電場(chǎng)

2.逆向壓電效應(yīng)材料兩端加電壓→材料產(chǎn)生形變電壓→電場(chǎng)→晶格電偶極受力→應(yīng)力→形變材料正、逆向壓電效應(yīng)可逆++++++------++++++------第五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電效應(yīng)示意圖第六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、醫(yī)用壓電材料1.壓電材料:具有壓電效應(yīng)特性的材料。2.壓電材料的種類（1）壓電單晶體石英、酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鈮酸鉀、硫酸鋰等（2）壓電多晶體鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂-鋯-鈦酸鉛等（3）壓電高分子聚合物聚偏二氟乙烯等（4）復(fù)合壓電材料聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復(fù)合（PVDF+PZT）等第七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.壓電特性的獲得單晶體：某些方向本身固有壓電效應(yīng)——選定切割多晶體：材料加熱到居里點(diǎn)溫度，壓電效應(yīng)消失，然后在強(qiáng)電場(chǎng)中慢慢冷卻——極化。

居里點(diǎn)：石英=550oC，鋯鈦酸鉛=330oC，鈦酸鋇=120oC第九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.各類壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn)壓電陶瓷電－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。石英晶體電容小，頻率高；機(jī)械性能好。但昂貴；加工不便。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。第十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、壓電材料的主要參數(shù)和壓電方程1.主要參數(shù)（1）壓電常數(shù)d和gd：壓電材料加上單位電場(chǎng)所產(chǎn)生的應(yīng)變。又稱：材料的發(fā)射常數(shù)，單位：m/vg：壓電材料開(kāi)路時(shí)，施加單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電場(chǎng)。又稱：材料的接收常數(shù)，單位：v/m.

第十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）介電常數(shù)ε同樣電壓下，壓電材料介質(zhì)和真空介質(zhì)的電容比值。

εS：換能器被夾緊（S=0）時(shí)的介電常數(shù)，

εT：換能器自由（T=0）時(shí)的介電常數(shù)。

d/g=εTS－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。第十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．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

①

D=dT+εTE

②式中：Y－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

E－電場(chǎng)強(qiáng)度

S－應(yīng)變

T－應(yīng)力

ε－應(yīng)力不變時(shí)的介電常數(shù)

d－壓電常數(shù)

第十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖2-3是壓電體所在坐標(biāo)系其中：D，E，S，T均在z方向與壓電體表面垂直

L－壓電體厚度

V－壓電體表面電壓

P－外加壓力有：E=V/L，P=－T第十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二討論：（1）加電壓V，自由（T=0）時(shí)，由①式得：

△L=SL=dEL=dV

即：形變△L正比于加的電壓V（2）加電壓V，夾緊（S=0）時(shí)，由①式得：

T=－YEd

E=－(dYE)V/L即：應(yīng)力T正比于加的電壓V（3）加壓力P，開(kāi)路（D=0）時(shí)，由②式得：

V=－dT(L/εT)=(d/εT)LP=gLP即：產(chǎn)生電壓V正比于加的壓力P（4）加壓力P，短路（E=0）時(shí)，因D=q/A，由②式得：

q=dTA=－dAP式中：A—壓電體面積即：產(chǎn)生電荷積累q正比于加的壓力PS=(1/YE)T+dE①D=dT+εTE②E=V/L，P=－Td/g=εT第十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二

超聲診斷中常根據(jù)不同的受檢對(duì)象和部位選擇不同的探頭，如2MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，探頭的發(fā)射頻率是由什么決定的呢？３．探頭的發(fā)射頻率第十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二

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。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)榍昂蟊砻嬲駝?dòng)反相，當(dāng)L=λ/2時(shí)，壓電體內(nèi)傳播時(shí)間

t=L/c=(λ/2)/c=(cT/2)/c=T/2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/λ=c/2L稱基本諧振頻率，或基頻。第十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二０T/2０TTttT/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)表面到達(dá)對(duì)面所用時(shí)間為：

t=L／c=(2n-1)T2n-1／2(n=1,2,…)即：L=(2n-1)λ2n-1／2

或：f2n-1=1／T2n-1=(2n-1)c／2L時(shí)，都能達(dá)到諧振。

f1—基頻，f3，f5，f7…—高次諧振頻率，

f1L＝c／2——材料的頻率常數(shù)第十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二結(jié)論

探頭的發(fā)射頻率是由晶體的厚度決定的。第十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二節(jié)換能器的超聲場(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)超聲能量在介質(zhì)中的空間分布。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)——平面振動(dòng)穩(wěn)態(tài)超聲場(chǎng)——不考慮建立過(guò)程的穩(wěn)定超聲場(chǎng)r,θ——極坐標(biāo)z——聲軸方向a——圓片半徑B(r,θ)zθra第二十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二

可看成無(wú)數(shù)頻率、振幅、相位相同的點(diǎn)聲源聲場(chǎng)疊加，在B(r,θ)點(diǎn)積分求得P，并進(jìn)而求得I=P2/Z一、軸向聲場(chǎng)分布（θ=0,r可變）（1）聲軸上聲強(qiáng)表達(dá)式式中：Z——介質(zhì)聲阻抗，V0——速度振幅，λ——波長(zhǎng)可見(jiàn)：（2）軸向聲場(chǎng)分布圖（據(jù)上式）當(dāng)0＜r≤r0，存在數(shù)個(gè)極大值和極小值，當(dāng)r＞r0后，隨著r的增大，聲強(qiáng)逐漸減弱。第二十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二

軸向上聲場(chǎng)分布圖第二十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二

（3）近場(chǎng)距離(r0)式中，D=2a——壓電體直徑，如a>>λ，則聲學(xué)上稱：①r<r0——近場(chǎng)區(qū)②r>r0——遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)

（4）軸向聲強(qiáng)分布特點(diǎn)①近場(chǎng)區(qū)：聲強(qiáng)軸向起伏分布，但平均強(qiáng)度不變②遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：聲強(qiáng)軸向單調(diào)衰減，I∝1／r2第二十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、徑向聲場(chǎng)分布（r=定值,θ可變）

（1）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。聲能幾乎不擴(kuò)散，聲束寬度接近相等（等于D）。

（2）徑向遠(yuǎn)場(chǎng)分布波束如圖2－6所示。遠(yuǎn)場(chǎng)聲強(qiáng)呈多個(gè)瓣形，主瓣最強(qiáng)(>98%)，旁瓣多但較弱。第二十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二

（3）主瓣角θ

θ又稱半發(fā)射角或擴(kuò)散角，表示聲束集中程度

Sinθ≈0.61λ／a一般θ角很小，sinθ≈θ，故有

θ≈0.61λ／a=0.61c／fa

可見(jiàn)：f↑→θ↓，和a↑→θ↓

（4）徑向聲場(chǎng)簡(jiǎn)化圖如圖2－5(a)，聲束成錐形發(fā)散，半發(fā)散角為θ近場(chǎng)中零值點(diǎn)，可能引起盲點(diǎn)。遠(yuǎn)場(chǎng)中旁瓣，會(huì)造成顯示位置、距離測(cè)量等失真。需采取措施改善。

第二十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三節(jié)探頭的結(jié)構(gòu)及其作用超聲探頭——超聲檢測(cè)用換能器各種超聲診斷儀，探頭基本結(jié)構(gòu)大致相同，以Ａ型為例。一、探頭的基本結(jié)構(gòu)①壓電晶片

②吸聲背塊③匹配層④電極、導(dǎo)線⑤聲隔離層⑥保護(hù)層⑦外殼第二十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二１.壓電晶片

（1）晶片形狀：圓片形、矩形、球殼圓片形、圓筒形第二十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二

（2）作用發(fā)射、接收超聲，即：電－聲、聲－電轉(zhuǎn)換

（3）要求①可加工性②銀層牢固③各部分性能一致性④性能穩(wěn)定性和可靠性

（4）特性①晶片厚度確定發(fā)射超聲的頻率②晶片形狀確定聲束的形狀和聲場(chǎng)分布第二十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．吸聲背塊

（1）作用①吸收晶體背向輻射的超聲，減少或消除晶體兩端之間超聲的多次反射造成的干擾②增大晶片阻尼，使發(fā)射脈沖窄，從而提高分辨率

（2）要求①與壓電晶體的聲阻抗相等，以全部吸收背向輻射②對(duì)超聲的吸收力強(qiáng)，很快衰減，不再反射

（3）組成環(huán)氧樹(shù)脂+鎢粉+橡膠粉

空氣背襯，幾乎全反射，效率最高，用于超聲治療儀。第二十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二3．匹配層

（1）作用①使晶體輻射的超聲有效進(jìn)入人體，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體組織的檢查。換能器和人體之間聲阻抗匹配，條件：

②增加換能器的帶寬③隔開(kāi)晶體和人體，保護(hù)晶體，免受機(jī)械、化學(xué)損壞；保護(hù)人體，免受激勵(lì)電壓的傷害。

（2）要求①衰減系數(shù)低②耐磨損

（3）材料環(huán)氧樹(shù)脂、二酊脂、乙二氨等第三十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二4．電極、導(dǎo)線

（1）作用傳輸