医学超声原理-第九讲---超声换能器的声场.ppt

1、第九讲 超声换能器的声场特性器,与本PPT配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原

2、理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,第九讲 超声换能器的声场特性,本章主要内容 一、单阵元换能器的声场 二、多阵元超声换能器的声场 三、凹型压电材料聚焦声场的数值模拟,一、单阵元换能器的声场,一、单阵元换能器的声场 （一）平面圆形换能器的超声场 1、声源轴线上的声压分布 点状声源在空间的 声场分布表达式,一、单阵元换能器的声场,圆片上各微小元面积都可看成单一的声源。故在圆片源的轴线上对整个圆面积分，求得轴线上任一点M的声压： 声压振幅为：,一、单阵元换能器的声场,我们对声压振幅做一些简化：,一、单阵元换能器的声场

3、,从上式看出，Pm与Z成反比，当Z足够大时，圆形声源轴线上的声压随距离的增加而衰减的规律。,讨论：,（1）ZZN的范围内，存在若干个极大值和极小值。极大值为2，极小值为0，极大值的位置为：,与本PPT配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的

4、中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,一、单阵元换能器的声场,极小值的位置为： 定义最后一个极大值位置为近场到远场的临界距离： 轴上最后一个最大值的位置ZN常被最为近场（Fresnel区）向远场（Fraunhofer区）过渡的起始点，自ZN开始，声束开始扩散，扩散角为,一、单阵元换能器的声场,图3.14 圆片换能器的 （a)声束； （b)轴线上的声压分布,一、

5、单阵元换能器的声场,一、单阵元换能器的声场,2、声束指向性 （1）指向性函数Ds。在换能器远场中，任意方向上的声压幅值Pr与最大方向上的声压幅值P0r之比，定义为该换能器的辐射声场指向性函数，即 通过计算可得圆片振子的指向性函数为：（可参见数学物理方法） J1为第一类第一阶贝塞尔函数,一、单阵元换能器的声场,（2）波瓣图 1）第一旁瓣与主瓣相差约20dB 请问声压相差多少倍？ 2）当 时，J1为0，声压幅度降为0，Ds为0。由下式可以估计主瓣的宽度。,图3.15 平面圆盘换能器的远场波瓣图,一、单阵元换能器的声场,几点说明： A) 频率越高，主瓣越窄；旁瓣个数越多； B）圆片面积越大，主瓣越窄

6、； C）0定义为主瓣方向锐度角； D）通常也用半功率点来表示主瓣的展宽角度。即声功率降到最大功率一半时（3dB），所对应的角度。,What is ultrasound transducer？,Sound field of a non focusing 4MHz ultrasonic transducer with a near field length of N=67mm in water. The plot shows the sound pressure at a logarithmic db-scale,What is ultrasound transducer？,Soundfield

7、of a focused ultrasound transducer, f=4MHz, D=10mm (aperture), R=30mm (curvature radius), water,一、单阵元换能器的声场,（二） 矩形换能器声场（自学） 快速电子扫描显像仪中所使用的单元晶片大多是矩形或长方形晶片，其使用愈来愈普遍。 1、坐标系统,图3.16 矩形源声场的坐标系统,一、单阵元换能器的声场,2、轴线上的声压分布图,图3.17 源轴线上声压分布曲线,一、单阵元换能器的声场,3、波瓣图,图3.18 矩形换能器主瓣模型图 （a)l1=l2 ; (b）l1l2,一、单阵元换能器的声场,（三）聚焦

8、换能器 主要的聚焦方式：1）透镜聚焦，2）声反射镜聚焦，3）曲面聚焦换能器，4）相控聚焦，5）曲面多元阵聚焦等。（ 大家回忆这些聚焦方式的原理与区别？）,与本PPT配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本

9、概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,二、多阵元超声换能器的声场,多阵元换能器的声场。仍可利用惠更斯原理，将各个阵元看成一个惠更斯声源。然将各声源的声场叠加而得。 （一）线阵换能器超声场 1、声压分布,n为阵元的数目，P0为声源表面起始声压振幅。 XOZ平面的声场分布,图3.21 线阵换能器声场坐标系统,二、多阵元超声换能器的声场,2、声束指向性 （1）指向性函数Ds （2）主瓣、栅瓣的位置以及

10、消除栅瓣的条件，Ds出现极值的条件： 其中l0为主瓣，l1，2，3。为栅瓣。 试求第一象限栅瓣的个数？,二、多阵元超声换能器的声场,第一象限栅瓣的个数为： （3）方向锐角与半功率点开角 半功率点开角的条件：,？,二、多阵元超声换能器的声场,波束宽度： L是阵的长度dL/（n1）,二、多阵元超声换能器的声场,（4）定向准确度 当超声设备用极大值法定向时，能发现声束偏离极大值方向的最小偏角称为准确度，用表示，一般情况下， g0.2是识别系数，此外定向准确度是波长、间距、阵元数目的函数。,二、多阵元超声换能器的声场,（5）旁瓣级 旁瓣级仅同阵元的个数n有关，当n时， MdB 13.5dB 因此对于线

11、阵旁瓣级最小值为13.5dB,二、多阵元超声换能器的声场,图3.22 线列阵指向性图,表3.4 10个振元线阵列指向性图的参数随振元间距的变化,关于主瓣，旁瓣，栅瓣的解释,与本PPT配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书

12、的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,二、多阵元超声换能器的声场,（二）相控阵换能器超声场 所谓相控换能器阵列：就是指多个换能器阵列排列成一条直线，每个阵元上所加信号的相位不同。,图3.23 同相线阵列及力向图,二、多阵元超声换能器的声场,延时扫描：达到扇型扫描的效果,图3.24 延时线列阵及方向图,二、多阵元超声换能器的声场,延时扫描：达到扇型扫描的效果 声程差L= d si

13、n，其中d为相邻换能器之间的距离， 为偏转的角度。 发射延时t= L/c = d sin /c； c为超声波的速度。,二、多阵元超声换能器的声场,相控可以实现线形扫描，扇形扫描，电子聚焦功能。 同相线阵列，阵元数目越多，主瓣越尖锐。旁瓣受到更大抑制，幅度更小。 扫描方式：机械扫描，相控扫描 机械扫描示例，,与本PPT配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配

14、置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,二、多阵元超声换能器的声场,图6-8 各种扫描线形式 (a) Linear(线性), (b) curvilinear(曲线), (c) Trapezoidal(梯形), (d) sector(扇形) (e)

15、 radial(辐射),三、凹型压电材料聚焦声场的数值模拟,图4-57球面换能器声场模型示意图,其中，微元到原点距离； -声场点到原点距离；-衰减系数；k-角波数，为2f/c；c-声速；-介质密度；-振元振速；dS-微元面积。,图4-66 z=0处xy平面的声强三维分布（左：声强结果取log；右：声强结果没取log）,图4-69 y=0处xz平面的声强三维分布（左：声强结果取log；右：声强结果没取log）,与本PPT配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基

16、础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,本讲思考题,1、圆片声场的分布， 指向性函数，方向锐度角，远场与近场的临界距离？ 2、声功率的测量方法？ 3、透镜聚焦的焦距，焦斑直径等声场分布？ 4、 相控扇扫的原理。,与本PPT配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容