醫(yī)用超聲換能器第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月超聲診斷儀換能器探頭第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月超聲診斷儀換能器探頭第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月測厚探頭直探頭第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)壓電換能器一、壓電效應1.正向壓電效應材料兩端加壓力→兩電極產生電場壓力→形變→晶格電偶極矩變化→電荷積累→電場

2.逆向壓電效應材料兩端加電壓→材料產生形變電壓→電場→晶格電偶極受力→應力→形變材料正、逆向壓電效應可逆++++++------++++++------第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月壓電效應示意圖第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、醫(yī)用壓電材料1.壓電材料:具有壓電效應特性的材料。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）復合壓電材料聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復合（PVDF+PZT）等第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.壓電特性的獲得單晶體：某些方向本身固有壓電效應——選定切割多晶體：材料加熱到居里點溫度，壓電效應消失，然后在強電場中慢慢冷卻——極化。

居里點：石英=550oC，鋯鈦酸鉛=330oC，鈦酸鋇=120oC第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4.各類壓電材料的優(yōu)缺點壓電陶瓷電－聲轉換效率高；易于電路匹配；性能穩(wěn)定；價廉，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，機械性能好。第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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所產生的應變。又稱：材料的發(fā)射常數(shù)，單位：m/vg：壓電材料開路時，施加單位應力所產生的電場。又稱：材料的接收常數(shù)，單位：v/m.

第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）介電常數(shù)ε同樣電壓下，壓電材料介質和真空介質的電容比值。

εS：換能器被夾緊（S=0）時的介電常數(shù)，

εT：換能器自由（T=0）時的介電常數(shù)。

d/g=εTS－應變：單位長度內的長度變化量，T－應力：材料內力。第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2．壓電方程材料僅作厚度振動，參量僅在厚度方向時的壓電方程

S=（1/YE）T+dE

①

D=dT+εTE

②式中：Y－電場不變時的楊氏模量

D－電位移：單位面積上的電荷量

E－電場強度

S－應變

T－應力

ε－應力不變時的介電常數(shù)

d－壓電常數(shù)

第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-3是壓電體所在坐標系其中：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14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：（1）加電壓V，自由（T=0）時，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，由①式得：

T=－YEd

E=－(dYE)V/L即：應力T正比于加的電壓V（3）加壓力P，開路（D=0）時，由②式得：

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

q=dTA=－dAP式中：A—壓電體面積即：產生電荷積累q正比于加的壓力PS=(1/YE)T+dE①D=dT+εTE②E=V/L，P=－Td/g=εT第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

超聲診斷中常根據不同的受檢對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16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

當一交變電壓加至壓電材料上時，壓電晶片表面產生相應的振動，并向與之接觸的介質中輻射超聲能量。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，在壓電體內傳向對面。因為前后表面振動反相，當L=λ/2時，壓電體內傳播時間

t=L/c=(λ/2)/c=(cT/2)/c=T/2即：到達對面時，與相移180o的對面振動疊加，達到同頻同相疊加，輻射超聲最強，即為諧振情況。對應頻率

f=c/λ=c/2L稱基本諧振頻率，或基頻。第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月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傳播從一個表面到達對面所用時間為：

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，都能達到諧振。

f1—基頻，f3，f5，f7…—高次諧振頻率，

f1L＝c／2——材料的頻率常數(shù)第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月結論

探頭的發(fā)射頻率是由晶體的厚度決定的。第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)換能器的超聲場超聲場彈性介質中充滿超聲能量的空間，或超聲傳播時超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)超聲場活塞振動——平面振動穩(wěn)態(tài)超聲場——不考慮建立過程的穩(wěn)定超聲場r,θ——極坐標z——聲軸方向a——圓片半徑B(r,θ)zθra第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

可看成無數(shù)頻率、振幅、相位相同的點聲源聲場疊加，在B(r,θ)點積分求得P，并進而求得I=P2/Z一、軸向聲場分布（θ=0,r可變）（1）聲軸上聲強表達式式中：Z——介質聲阻抗，V0——速度振幅，λ——波長可見：（2）軸向聲場分布圖（據上式）當0＜r≤r0，存在數(shù)個極大值和極小值，當r＞r0后，隨著r的增大，聲強逐漸減弱。第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

軸向上聲場分布圖第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）近場距離(r0)式中，D=2a——壓電體直徑，如a>>λ，則聲學上稱：①r<r0——近場區(qū)②r>r0——遠場區(qū)

（4）軸向聲強分布特點①近場區(qū)：聲強軸向起伏分布，但平均強度不變②遠場區(qū)：聲強軸向單調衰減，I∝1／r2第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、徑向聲場分布（r=定值,θ可變）

（1）徑向近場分布近場衍射現(xiàn)象：聲束截平面上聲強分布為許多最大強度和最小強度的同心圓環(huán)，環(huán)的數(shù)量隨著距離的增加而減少。聲能幾乎不擴散，聲束寬度接近相等（等于D）。

（2）徑向遠場分布波束如圖2－6所示。遠場聲強呈多個瓣形，主瓣最強(>98%)，旁瓣多但較弱。第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）主瓣角θ

θ又稱半發(fā)射角或擴散角，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：f↑→θ↓，和a↑→θ↓

（4）徑向聲場簡化圖如圖2－5(a)，聲束成錐形發(fā)散，半發(fā)散角為θ近場中零值點，可能引起盲點。遠場中旁瓣，會造成顯示位置、距離測量等失真。需采取措施改善。

第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)探頭的結構及其作用超聲探頭——超聲檢測用換能器各種超聲診斷儀，探頭基本結構大致相同，以Ａ型為例。一、探頭的基本結構①壓電晶片

②吸聲背塊③匹配層④電極、導線⑤聲隔離層⑥保護層⑦外殼第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月１.壓電晶片

（1）晶片形狀：圓片形、矩形、球殼圓片形、圓筒形第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）作用發(fā)射、接收超聲，即：電－聲、聲－電轉換

（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分布第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月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對超聲的吸收力強，很快衰減，不再反射

（3）組成環(huán)氧樹脂+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29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3．匹配層

（1）作用①使晶體輻射的超聲有效進入人體，實現(xiàn)對人體組織的檢查。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隔開晶體和人體，保護晶體，免受機械、化學損壞；保護人體，免受激勵電壓的傷害。

（2）要求①衰減系數(shù)低②耐磨損

（3）材料環(huán)氧樹脂、二酊脂、乙二氨等第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4．電極、導線

（1）作用