医用超声换能器.ppt

第二章医用超声换能器,功能电能量超声能量相互转换重要性整台超声仪器性能的关键材料性能种类.压电换能器超声诊断仪主要用之.磁致伸缩换能器超声治疗仪用之,超声诊断仪换能器探头,超声诊断仪换能器探头,测厚探头,直探头,第一节压电换能器,一、压电效应1.正向压电效应材料两端加压力两电极产生电场压力形变晶格电偶极矩变化电荷积累电场2.逆向压电效应材料两端加电压材料产生形变电压电场晶格电偶极受力应力形变材料正、逆向压电效应可逆,压电效应示意图,二、医用压电材料,1.压电材料:具有压电效应特性的材料。2.压电材料的种类（1）压电单晶体石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、铌酸钾、硫酸锂等（2）压电多晶体钛酸钡、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌镁-锆-钛酸铅等（3）压电高分子聚合物聚偏二氟乙烯等（4）复合压电材料聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合（PVDF+PZT）等,3.压电特性的获得单晶体：某些方向本身固有压电效应选定切割多晶体：材料加热到居里点温度，压电效应消失，然后在强电场中慢慢冷却极化。居里点：石英=550oC，锆钛酸铅=330oC，钛酸钡=120oC,4.各类压电材料的优缺点压电陶瓷电声转换效率高；易于电路匹配；性能稳定；价廉，易加工。但频率受限；脆；物性受温度影响。石英晶体电容小，频率高；机械性能好。但昂贵；加工不便。高分子压电聚合材料接收灵敏，效率高，易匹配，机械性能好。,三、压电材料的主要参数和压电方程,1.主要参数（1）压电常数d和gd：压电材料加上单位电场所产生的应变。又称：材料的发射常数，单位：m/vg：压电材料开路时，施加单位应力所产生的电场。又称：材料的接收常数，单位：v/m.,（2）介电常数同样电压下，压电材料介质和真空介质的电容比值。S：换能器被夹紧（S=0）时的介电常数，T：换能器自由（T=0）时的介电常数。d/g=TS应变：单位长度内的长度变化量，T应力：材料内力。,2压电方程材料仅作厚度振动，参量仅在厚度方向时的压电方程S=（1/YE）T+dED=dT+TE式中：Y电场不变时的杨氏模量D电位移：单位面积上的电荷量E电场强度S应变T应力应力不变时的介电常数d压电常数,图2-3是压电体所在坐标系其中：D，E，S，T均在z方向与压电体表面垂直L压电体厚度V压电体表面电压P外加压力有：E=V/L，P=T,讨论：（1）加电压V，自由（T=0）时，由式得：L=SL=dEL=dV即：形变L正比于加的电压V（2）加电压V，夹紧（S=0）时，由式得：T=YEdE=(dYE)V/L即：应力T正比于加的电压V（3）加压力P，开路（D=0）时，由式得：V=dT(L/T)=(d/T)LP=gLP即：产生电压V正比于加的压力P（4）加压力P，短路（E=0）时，因D=q/A，由式得：q=dTA=dAP式中：A压电体面积即：产生电荷积累q正比于加的压力P,S=(1/YE)T+dED=dT+TEE=V/L，P=Td/g=T,超声诊断中常根据不同的受检对象和部位选择不同的探头，如2MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，探头的发射频率是由什么决定的呢？,探头的发射频率,当一交变电压加至压电材料上时，压电晶片表面产生相应的振动，并向与之接触的介质中辐射超声能量。除非特性阻抗相等，一般总有部分超声能量被压电晶片前后表面反射，在压电体内传向对面。因为前后表面振动反相，当L=/2时，压电体内传播时间t=L/c=(/2)/c=(cT/2)/c=T/2即：到达对面时，与相移180o的对面振动叠加，达到同频同相叠加，辐射超声最强，即为谐振情况。对应频率f=c/=c/2L称基本谐振频率，或基频。,一般地，基频或更高频率在压电体内传播从一个表面到达对面所用时间为：t=Lc=(2n-1)T2n-12(n=1,2,)即：L=(2n-1)2n-12或：f2n-1=1T2n-1=(2n-1)c2L时，都能达到谐振。f1基频，f3，f5，f7高次谐振频率，f1Lc2材料的频率常数,结论探头的发射频率是由晶体的厚度决定的。,第二节换能器的超声场,超声场弹性介质中充满超声能量的空间，或超声传播时超声能量在介质中的空间分布。平面圆片换能器活塞振动的稳态超声场活塞振动平面振动稳态超声场不考虑建立过程的稳定超声场r,极坐标z声轴方向a圆片半径,可看成无数频率、振幅、相位相同的点声源声场叠加，在B(r,)点积分求得P，并进而求得I=P2/Z一、轴向声场分布（=0,r可变）（1）声轴上声强表达式式中：Z介质声阻抗，V0速度振幅，波长可见：（2）轴向声场分布图（据上式）当0rr0，存在数个极大值和极小值，当rr0后，随着r的增大，声强逐渐减弱。,轴向上声场分布图,（3）近场距离(r0)式中，D=2a压电体直径，如a，则声学上称：rr0远场区（4）轴向声强分布特点近场区：声强轴向起伏分布，但平均强度不变远场区：声强轴向单调衰减，I1r2,二、径向声场分布（r=定值,可变）,（1）径向近场分布近场衍射现象：声束截平面上声强分布为许多最大强度和最小强度的同心圆环，环的数量随着距离的增加而减少。声能几乎不扩散，声束宽度接近相等（等于D）。（2）径向远场分布波束如图26所示。远场声强呈多个瓣形，主瓣最强(98%)，旁瓣多但较弱。,（3）主瓣角又称半发射角或扩散角，表示声束集中程度Sin0.61a一般角很小，sin，故有0.61a=0.61cfa可见：f，和a（4）径向声场简化图如图25(a)，声束成锥形发散，半发散角为近场中零值点，可能引起盲点。远场中旁瓣，会造成显示位置、距离测量等失真。需采取措施改善。,第三节探头的结构及其作用,超声探头超声检测用换能器各种超声诊断仪，探头基本结构大致相同，以型为例。一、探头的基本结构压电晶片吸声背块匹配层电极、导线声隔离层保护层外壳,.压电晶片,（1）晶片形状：圆片形、矩形、球壳圆片形、圆筒形,（2）作用发射、接收超声，即：电声、声电转换（3）要求可加工性银层牢固各部分性能一致性性能稳定性和可靠性（4）特性晶片厚度确定发射超声的频率晶片形状确定声束的形状和声场分布,2吸声背块,（1）作用吸收晶体背向辐射的超声，减少或消除晶体两端之间超声的多次反射造成的干扰增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分辨率（2）要求与压电晶体的声阻抗相等，以全部吸收背向辐射对超声的吸收力强，很快衰减，不再反射（3）组成环氧树脂+钨粉+橡胶粉空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。,3匹配层,（1）作用使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对人体组织的检查。换能器和人体之间声阻抗匹配，条件：增加换能器的带宽隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、化学损坏；保护人体，免受激励电压的伤害。（2）要求衰减系数低耐磨损（3）材料环氧树脂、二酊脂、乙二氨等,4电极、导线,（1）作用传输电信号（2）结构晶体两面的银层为电极，各引出一根导线5声隔离层（1）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（2）材料软木、橡胶、尼龙等,二、单片换能器的基本型式,1非聚焦换能器换能元件：平面圆片压电陶瓷工作模式：厚度振动2聚焦换能器（声学聚焦）球面（曲面）压电体