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第三章第三章 医用超声换能器医用超声换能器•功能：功能：•电能量能量←→超声能量　　相互超声能量　　相互转换•重要性：重要性：•整台超声整台超声仪器性能的关器性能的关键•资料性能种料性能种类：：•１．１．压电换能器能器——超声超声诊断断仪主要用之主要用之•２．磁致伸２．磁致伸缩换能器能器——超声治超声治疗仪用之用之〔〔 1〕〕 压 电 效效 应 〔〔 piezoelectric  effect〕〕   ，， 压 电 景景 象象 〔〔piezoelectricity〕〕 ，，压电晶体〔晶体〔piezoelectrical crystal〕〕 ：：当沿某些天然晶体或人造当沿某些天然晶体或人造压电陶瓷陶瓷资料的一定方向施加外部料的一定方向施加外部应力力〔〔拉拉力力或或压力力〕〕使使资料料发生生形形变时，，那那么么会会在在物物体体两两个个受受力力界界面面上引起内部介上引起内部介质正正负电荷中心相荷中心相对位移，位移，产生符号相反的束生符号相反的束缚电荷荷这种种由由机机械械力力作作用用引引起起晶晶体体外外表表电荷荷的的效效应，，称称为正正向向压电相相应        应力力→电荷中心相荷中心相对位移位移→晶体外表晶体外表电荷效荷效应。

 假假设在在上上述述晶晶体体或或压电陶陶瓷瓷体体外外表表沿沿着着能能产生生压电效效应的的电轴方方向向施施加加电压，，那那么么由由于于电场作作用用也也会会引引起起电介介质内内部部电荷荷中中心心产生生位位移移，，并并由由这一一极极化化位位移移又又导致致物物体体的的几几何何形形变这种种由由电场力力作作用用而而引引起起电介介质几几何何应变的的压电效效应，，称称为逆逆向向压电效效应         电压→电荷中心相荷中心相对位移位移 →晶体几何形晶体几何形变第一节　压电换能器的根本特性第一节　压电换能器的根本特性一．一．压电效效应1.  正向正向压电效效应：：     资料两端加料两端加压力力→两两电极极产生生电场  物理本物理本质：：    压力力 →形形变→晶格晶格电偶极矩偶极矩变化化→电荷荷积累累→电场     2.  逆向逆向压电效效应     资料两端加料两端加电压→资料料产生形生形变  物理本物理本质：：    电压→电场→晶格晶格电偶极受力偶极受力→应力力→形形变资料正、逆向料正、逆向压电效效应可逆可逆+ + + + + +- - - - - -+ + + + + +- - - - - -压电效应表示图压电效应表示图压电效应表示图压电效应表示图l横向压电效应横向压电效应:形变方向和电场方向垂直。

形变方向和电场方向垂直l纵向压电效应纵向压电效应:形变方向和电场方向一致形变方向和电场方向一致l电致伸缩效应电致伸缩效应:一切电介质在电场中都要一切电介质在电场中都要遭到拉伸作用，由于静电力的作用而伸遭到拉伸作用，由于静电力的作用而伸长或紧缩的景象称电致伸缩效应长或紧缩的景象称电致伸缩效应换能器如何利用压电效应完成：电能量←→超声能量的相互转换二二二二 . .医用压电资料医用压电资料医用压电资料医用压电资料1.压电资料：具有压电效应特性的资料〔非晶方性〕压电资料：具有压电效应特性的资料〔非晶方性〕2.压电资料的种类：压电资料的种类：3.压电单晶体：压电单晶体：4.石英，酒石酸钾钠，磷酸二氢铵，铌酸钾，硫酸锂等石英，酒石酸钾钠，磷酸二氢铵，铌酸钾，硫酸锂等5.压电多晶体〔也称压电陶瓷〕：压电多晶体〔也称压电陶瓷〕：6.钛酸钡，偏铌酸铅，锆钛酸铅，铌镁钛酸钡，偏铌酸铅，锆钛酸铅，铌镁-锆锆-钛酸铅等钛酸铅等7.压电高分子聚合物：压电高分子聚合物：8.聚偏二氟乙烯等聚偏二氟乙烯等9.复合压电资料：复合压电资料：10.聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合锆钛酸铅复合(PVDF+PZT)等等3.压电特性的特性的获得：得：4.单晶体：某些方向本身固有晶体：某些方向本身固有压电效效应——选定切割定切割5.多晶体：多晶体：资料加料加热到居里点温度〔到居里点温度〔压电效效应消逝，各种消逝，各种6.                 资料不同〕料不同〕 ，然后在，然后在强电场中冷却中冷却——极化。

极化7.　　　　　　　　　　 居里点：石英居里点：石英=550oc，，锆钛酸酸铅=330oc，，钛酸酸钡=120oc8.各各类压电资料的料的优缺陷：缺陷：9.压电陶瓷：陶瓷：10.      电－声－声转换效率高；易于效率高；易于电路匹配；性能路匹配；性能稳定；定；11.价廉，易加工但价廉，易加工但频率受限；脆；物性受温度影响率受限；脆；物性受温度影响12.石英晶体：石英晶体：13. 电容小，容小，频率高；机械性能好但昂率高；机械性能好但昂贵；加工不便加工不便14.高分子高分子压电聚合聚合资料：料：15.　　接　　接纳灵敏，效率高，易匹配，机械性能好灵敏，效率高，易匹配，机械性能好 　　探头的发射频率探头的发射频率探头的发射频率探头的发射频率⑴⑴超声波的超声波的产生生超声超声频率交率交变电压——压电体超声振体超声振动——发射超声射超声⑵⑵谐振的条件振的条件　　普通前后外表　　普通前后外表总有部分超声被反射，在有部分超声被反射，在压电体内体内传向向对面由于前后外表振面由于前后外表振动反相，当反相，当　　　　　　L=λ/2时，，压电体内体内传播播时间　　　　　　t = L/c = (λ/2)/c = (cT/2)/c = T/2即：到达即：到达对面面时，与相移，与相移180o的的对面振面振动叠加，到达同叠加，到达同频同相叠加，同相叠加，辐射超声最射超声最强。

此此为谐振情况对应频率率            f = c/λ= c/2L称根本称根本谐振振频率，或基率，或基频　　０T/2０TTttT/2L收缩膨胀收缩外表位移c, f前向后向压电体超声超声3T/2 　　普通地，基频或更高频率在压电体内传播从一个外表到达对面所用时间为： 　　 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时，都能到达谐振 f1—基频， f 3，f5，f7…—高次谐振频率　　f1L＝c／2——资料的频率常数 超声换能器主要特性n n一.运用特性n n二.声学特性一、运用特性n n运用特性实践上是探头与仪器配合运用的综合性能1、探头的任务频率n n指探头中的换能器与仪器衔接后，实践辐射超声波的频率n n对于收发兼用的医用超声探头来说，任务频率通常并不等于换能器的发射频率或接纳频率，这是由于任务频率还受信号源内阻的影响2、频带宽度n n指换能器的任务频率呼应范围3.灵敏度n n换能器与超声诊断仪配合运用时，在最大探测深度上可发现最小病灶的检测才干，他主要与换能器的换能特性有关，辐射效率高、接受灵敏度高的换能器，探测灵敏度就高。

4.探测分辨率n n超声在不同界面阻抗差内传播将产生反射，而人体组织的阻抗间，两者相差很大，在其界面处容易产生反射，并影响分辨率n n分辨率分为：n n1〕纵深分辨率：与脉冲宽度有关n n2〕横向分辨率：与声束直径有关n n1〕纵向分辨率n n指能被声波分辨为前后两点的最小间距n n其高低与声波发射脉冲的宽度〔即继续时间〕有关n n2〕横向分辨率n n指与声束相垂直的直线上，能在荧光屏上被分别显示为左右两点的最小间隔n n该间隔大小与声束之宽窄以及发射声束的数量有亲密相关，发射声束的数量越多，横向分辨率越好，反之那么较差二.声学特性n n1.阻抗特性n n2.频率特性n n3.换能特性n n4.暂态特性n n5.辐射特性n n6.吸收特性1.阻抗特性n n换能器任务在有负载的情况，压电振子的两个端面都和某种媒质声阻抗相接触n n一个端面与被测媒质〔例如人体组织〕接触，另一端面能够又与其他媒质〔如被衬吸收块〕接触原理n n1.当振子加上一个交变电压时，在端面处产生一个相应的交变力，对被检测物质发射超声波，这时换能器处于发射形状n n2.当振子端面有一交变力的作用时，那么在振子上产生交变电压，这时换能器又处于接纳形状。

2.频率特性n n包括：n n〔1〕阻抗频率特性n n〔2〕辐射频率特性n n〔1〕阻抗频率特性n n指换能器阻抗随频率变化的的特性n n〔2〕辐射频率特性n n指换能器辐射形状的频率特性n n在电脉冲鼓励下换能器的任务频率受信号源内阻的影响，为了稳定换能器的辐射频率，可以加电感匹配，使匹配电感与静态电容谐振在某一特定任务频率上3.换能特性n n指换能器发射和接纳形状的能量转换特性指换能器发射和接纳形状的能量转换特性n n实际上，换能器的电声、声电能量转换是等效和实际上，换能器的电声、声电能量转换是等效和可逆的n n换能特性包括两方面：换能特性包括两方面：n n1 1〕发射方面〕发射方面n n电能电能------机械能机械能--------超声能超声能n n2 2〕接纳方面〕接纳方面n n超声能超声能------机械能机械能------电能电能4.暂态特性n n指换能器对脉冲呼应的随动才干指换能器对脉冲呼应的随动才干n n超超声声诊诊断断仪仪所所采采用用的的压压电电换换能能器器大大部部分分都都是是任任务务在在脉脉冲冲形形状，即任务在暂态条件状，即任务在暂态条件n n暂态特性的研讨根本内容：暂态特性的研讨根本内容：n n换换能能器器的的的的某某些些要要素素对对脉脉冲冲信信号号呼呼应应的的关关系系，，利利用用换换能能器器的的暂暂态态特特性性，，可可确确定定其其Q Q值值，，而而换换能能器器被被敲敲击击后后的的自自在在振振动周期是与动周期是与Q Q值亲密相关。

值亲密相关n n超超声声脉脉冲冲越越窄窄，，呼呼应应占占据据的的频频谱谱就就越越宽宽，，对对换换能能器器暂暂态态特特性的要求也就越严厉性的要求也就越严厉5.辐射特性n n换能器的辐射特性主要是描画辐射声场在空间的分布形状，如声压在不同的间隔和方位上的分布情况2-2 医用超声换能器声波辐射器—反向压电效应(电能→声能，高频电流→机械振动)声波检测器—正向压电效应(声能→电能，声波振动→高频电流) 超声场：超声能量作用的弹性介质空间称为超声场了解超声场在一定区域的空间分布形状，对于超声诊断仪的设计和运用无疑都是非常重要的第二节　换能器的超声场第二节　换能器的超声场l根据惠更斯—弗涅尔原理，对于单个振子，当它的尺寸极小时，可以将它看成是一个子波声源(点声源)，它所产生的声场是没有指向性的球面波，如图1—8所示l假设根源尺寸缺乏够小，那么可以将其辐射面上的每一点看成是一个子波声源，由于各个子波叠加的结果，其声场区域就具有指向性l以两个点声源所产生的声场为例，由于两个子波叠加的结果．将具有指向性函数；留意！留意！一、 超声辐射声场特性〔描画声压、声强在空间的分布形状〕〔1〕指向性： 通常将恣意角度 方位的声压 与 时声压 之比 、称为声场指向性函数，其图形称为指向性图案，用极坐标表示。

指向性图案中有一系列波束，其中辐射能量集中或接纳灵敏度最高的波束称为主波束〔主瓣〕，旁侧波束称为次波束〔付瓣〕指向性函数〔directivity function〕，主瓣〔main lobe〕〔〔2〕近场与远场特性：〕近场与远场特性：        物理上，近场指声源在自在场〔可忽略边境影响的无限大均物理上，近场指声源在自在场〔可忽略边境影响的无限大均匀各向同性媒质中的声场〕辐射时，接近声源的声场，其瞬时声匀各向同性媒质中的声场〕辐射时，接近声源的声场，其瞬时声压和质点振动速度不同相位压和质点振动速度不同相位        在近场区，由于声波相互关涉和衍射的结果，沿传播方向各在近场区，由于声波相互关涉和衍射的结果，沿传播方向各点声能〔声压或声强〕会时而出现极大或极小，同时在垂直传播点声能〔声压或声强〕会时而出现极大或极小，同时在垂直传播方向上也能够出现声能微弱变化，即近场衍射景象近场区声束方向上也能够出现声能微弱变化，即近场衍射景象近场区声束根本不分散根本不分散                远场指自在辐射时，远离声源部分的声场，其瞬时声压和质远场指自在辐射时，远离声源部分的声场，其瞬时声压和质点振速同相位。

点振速同相位        远场区声压不均匀性减弱，对圆盘振子，远场为圆锥体，声远场区声压不均匀性减弱，对圆盘振子，远场为圆锥体，声束开场分散，声压随间隔添加而单调衰减，近似球面波分散束开场分散，声压随间隔添加而单调衰减，近似球面波分散圆形单晶片作为声源时产生的超声场l由于处于发射形状的圆形晶片相当于一个往复振动的活塞，所以常称为圆形活塞振源， 是超声诊断中常用的也是最根本的换能器，人们期望振源能发出一束均匀的超声波l在计算和分析圆形活塞声源辐射的超声时，假设：l把圆形活塞声源看成是无限个小声源组成l对每个小声源，都在 立体角的半空间辐射对称球面波l对于该圆形声源声场中的某点的声压看成是每个小声源辐射到此点处的声压的叠加Ø超声超声场：：Ø    弹性介性介质中充溢超声能量的空中充溢超声能量的空间或超声传播播时超超Ø　声能量在介　声能量在介质中的空中的空间分布Ø平面平面圆片片换能器活塞振能器活塞振动的的稳态超声超声场：：Ø活塞振活塞振动——平面振平面振动Ø稳态超声超声场——不思索不思索Ø　建立　建立过程的程的稳定超声定超声场Ø    r,θ—— 极坐极坐标Ø    z —— 声声轴方向方向Ø    a —— 圆片半径片半径B(r,θ)zθra1、声场中心轴线上的声压py17等时，等时，Dc=0,即声能限制在一个瓣内。

其物理意义是这些数值相应的即声能限制在一个瓣内其物理意义是这些数值相应的    角方角方向上没有辐射声波，图向上没有辐射声波，图2-11可看出这种情况，主瓣要比辐瓣的声压强得多可看出这种情况，主瓣要比辐瓣的声压强得多 对于Dc=0的第一点，即贝赛尔函数的第一个根 时，相应的角度 称为半分散角，其值： 〔2-19〕 此式称为主瓣指向角的Franbofer公式，常用来求主声束半分散角如Ka非常小，以致Dc对一切的 值几乎都为1，即圆片成点声源对方性晶片，实际计算证明，半分散角上式d为方片的边长，方晶片的面d2，所以和方晶片直径相当的圆形晶片的直径D为：3、关于近场和远场的简单结论在式〔2-14〕 ，而在〔2-19〕中 可看出，超声f越高，即波长越小，a越大，近场长度L越大，同时半分散角越小这表示超声的声束性好，方向性显著 •当检查的组织或脏器位于近场范围内，这时近场内的超声束平行度最高，反射界面与晶片的垂直性最好，因此反射的声强较高，失真度小。

但在近场之近晶片端，由于发射干扰等缘由能够存在盲区探查对象能否位于近场范围内，可根据表2—2大致进展判别3．曲面换能器直接发射系统 把压电晶片做成凹面形，直接由它辐射出超声波也能产生聚焦如图2-18所示这种探头称为聚焦型探头或自聚焦发射器它的聚焦原理与声透镜聚焦系统类似超声探头的分类第三节　探头的构造及其作用第三节　探头的构造及其作用v超超声声探探头——超超声声检测用用换能器能器v各各种种超超声声诊断断仪，，探探头根根本本构造一构造一样，以Ａ型，以Ａ型为例v一．探一．探头的根本构造的根本构造v  ①①压电晶片晶片v  ②②吸声背吸声背块v  ③③匹配匹配层〔〔维护层〕〕v  ④④电极、极、导线v  ⑤⑤声隔离声隔离层v  ⑥⑥外壳外壳v  １．压电晶片１．压电晶片１．压电晶片１．压电晶片　　⑴⑴晶片外形：晶片外形：圆片形、矩形、球壳片形、矩形、球壳圆片形、片形、圆筒形筒形　　　⑵ 作用： 发射、接纳超声，即：电－声、声－电转换；　⑶ 要求： ①可加工性； ②银层结实； ③各部分性能一致性； ④性能稳定性和可靠性　⑷ 特性： ①晶片厚度确定发射超声的频率； ②晶片外形确定声束的外形和声场分布。

2 2．吸声背块．吸声背块．吸声背块．吸声背块    ⑴⑴ 作用：作用：   ①①吸收晶体背向吸收晶体背向辐射的超声射的超声   ②②增大晶片阻尼，使增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分辨率射脉冲窄，从而提高分辨率　　⑵⑵ 要求：要求：   ①①与与压电晶体的声阻抗相等，以全部吸收背向晶体的声阻抗相等，以全部吸收背向辐射   ②②对超声的吸收力超声的吸收力强，很快衰减，不再反射很快衰减，不再反射    ⑶⑶ 组成：成：      环氧氧树脂脂 + 钨粉粉 + 橡胶粉橡胶粉 空气背空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪3 3．匹配层．匹配层．匹配层．匹配层　　⑴⑴ 作用：作用：   ①①换能器和人体之能器和人体之间声阻抗匹配；条件：声阻抗匹配；条件：　　　　     ②②添加添加换能器的能器的带宽；；   ③③隔开晶体和人体，隔开晶体和人体，　　   维护晶体，免受机械、化学的晶体，免受机械、化学的损坏；坏；       维护人体，免受鼓励人体，免受鼓励电压的的损伤　　⑵⑵ 要求：要求：   ①①衰减系数低；衰减系数低；   ②②耐磨耐磨损。

　　⑶⑶ 资料：料：    环氧氧树脂、二酊脂、乙二氨等脂、二酊脂、乙二氨等4 4．电极、导线．电极、导线．电极、导线．电极、导线 　 ⑴ 作用：　 传输电信号⑵ 构造：　 晶体两面的银层为电极，各引出一根导线5．声隔离层⑴ 作用：　 壳体与振动体之间声隔离，防止超声传至外壳引起 反射，产生干扰⑵ 资料：　 软木、橡胶、尼龙等 二．单片换能器的根本型式二．单片换能器的根本型式二．单片换能器的根本型式二．单片换能器的根本型式1．非聚焦．非聚焦换能器能器 换能元件：平面能元件：平面圆片片压电陶瓷，陶瓷，  任任务方式：厚度振方式：厚度振动2．聚焦．聚焦换能器〔声学聚焦〕能器〔声学聚焦〕①①球面〔曲面〕球面〔曲面〕压电体聚焦体聚焦②②声透声透镜聚焦聚焦     凹透凹透镜—— c透透 > c人〔金属、多数塑料〕人〔金属、多数塑料〕     凸透凸透镜—— c透透 < c人〔硅橡胶、聚四氟乙人〔硅橡胶、聚四氟乙烯等〕等〕     证明：明：         ∵∵   　　c 透透 > c人，人，θ1,θ2<90o　　　　∴∴ θ1>θ23. 3. 单片聚焦换能器构造设计单片聚焦换能器构造设计单片聚焦换能器构造设计单片聚焦换能器构造设计三、探头运用本卷须知三、探头运用本卷须知三、探头运用本卷须知三、探头运用本卷须知 ⑴ 严守运用规定。

⑵ 小心轻放，不得摔跌⑶ 关电源拆装⑷ 防止接触有机溶剂 ⑸ 维护透声面 ⑹ 运用无腐蚀性的耦合剂⑺ 非水密探头不能浸水运用⑻ 不得高温消毒⑼ 用前检查⑽ 用后清洁 机械扇形扫描探头主要用于B超，最初扫描线数少、角度小、笨重、噪声大角度小、磨损严重 直流马达驱动整个机械传动安装带动压电振子摆动，位置电位器检测振子瞬间取向，产生位置信号旋转变压器作为角度检测器，测角精度和运用寿命有了改善；振元摆幅大，探测视野大共同缺陷噪声大，寿命短减小了体积和分量，减小了传动误差，扫面线更均匀电子线阵超声探头线阵探头和凸形探头电子直子直线扫描原理框描原理框图相控阵超声探头4. 电子扇形扫描〔电子相控阵扇形扫描〕 •矩阵探头•矩阵探头是近几年出现的多平面超声探头，其外观如图13-15所示，主要运用于实时三维超声成像其换能器是由一块矩形压电晶体，用激光切割成数千个小的振元陈列而成B型型— 声像声像图显示方式示方式声声像像图—回回波波强度度〔〔亮亮度度影影像像〕〕随随深深度度〔〔Y〕〕和和扫描描位位置〔置〔X〕的〕的变化化图像B超的晋超的晋级换代：代： 第一代第一代—单探探头 、手、手动或机械式慢或机械式慢扫描；描； 第二代第二代—单探探头 、快速扇形机械、快速扇形机械扫描；描； 第第三三代代—多多元元阵探探头 、、高高速速实时电子子线阵、、相相控控阵扫描；描； 第第四四代代—在在第第三三代代技技术根根底底上上添添加加微微处置置技技术〔〔DSP,TGC,冻结，翻，翻转，参数，参数计算等〕。

算等〕 本章小结习题1.描画换能器的作用和任务原理2.列举常见压电资料的种类3.S、T、D、E在压电参数中各表示什么？并列出压电方程4.写出圆形晶片近场长度，半分散角表达式5.超声探头的聚焦方式有哪些？6.分析当探头不动，接纳者远离探头运动时，推导探头接纳到的回波频率和探头发射频率之间的关系7.描画柱型探头的组成，及主要部分的作用及要求8.列举常见的超声探头种类9.凸阵探头相对线阵探头有什么优越性？。