第三章 超声波的产生_《超声治疗学》课件（可编辑）

第3章超声波的产生压电效应压电材料几类治疗超声换能器1压电效应超声换能器什么是换能器顾名思义换能器就是进行能量转换的器件什么是超声换能器在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换成电信号的能量转换器件在所有的超声应用中超声波都是换能器产生的用途最多的压电式超声换能器和磁致伸缩超声换能器两大类1压电效应压电效应是法国物理学家居里兄弟于1880年发现的当把一定数量的砝码放在一些天然晶体上时这些天然晶体的表面会产生一定数量的电荷而且所产生的电荷数量上与砝码的重量成正比这种现象称为压电效应1881年科学家又从理论上预计并从实验上验证了逆压电效应的存在压电效应是超声发展史上的重大发现这一发现大大加速了声学在国防以及国民经济各行各业中的广泛应用压电效应正压电效应正压电效应的物理本质是由于不对称的晶体内部离子受外力作用后离子间产生不对称的相对位移结果引起了新的电偶极矩从而引起晶体表面电荷堆积正压电效应将机械能转换成电能逆压电效应指压电材料在外电场作用下其内部电极化状态发生相应的变化导致压电体产生与外加电场强度成正比的压电现象即它把电能转换成机械能形成振动振动在弹性媒质下传播形成声波2压电材料超声技术的发展离不开压电材料的发展压电材料是压电换能器的核心而压电换能器是绝大部分超声应用技术的核心2压电材料压电单晶压电陶瓷压电高分子聚合材料压电复合材料2压电材料压电单晶天然石英酒石酸钠人工合成石英铌酸锂钽酸锂铌镁酸铅优点压电性和频率稳定性好压电陶瓷特点优点1原材料价格低廉2机械强度好易于加工成各种形状和尺寸满足不同的需求3通过材料添加可制成品种性能不同的材料4采用不同的形状和极化方式得到各种所需的振动模式2压电材料压电陶瓷用途非常广多晶体最常用的PZT配方系统合成固溶体工艺工艺流程压电陶瓷的性能主要取决与陶瓷材料组分和显微结构压电陶瓷材料各种类型压电陶瓷片2压电陶瓷材料烘料配料球磨预烧成型烧结测试性能老化极化被电极传统的压电陶瓷工艺流程压电陶瓷晶胞结构压电陶瓷的压电效应压电陶瓷属于铁电体一类的物质是人工制造的多晶压电材料它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构电畴是分子自发形成的区域它有一定的极化方向从而存在一定的电场在无外电场作用时各个电畴在晶体上杂乱分布它们的极化效应被相互抵消因此原始的压电陶瓷内极化强度为零见图A直流电场E剩余极化强度电场作用下的伸长剩余伸长A极化处理前B极化处理中C极化处理后但是当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来即在陶瓷的一端出现正束缚电荷另一端出现负束缚电荷由于束缚电荷的作用在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度如图电极自由电荷极化方向束缚电荷电极陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F如图陶瓷片将产生压缩形变图中虚线片内的正负束缚电荷之间的距离变小极化强度也变小因此原来吸附在电极上的自由电荷有一部分被释放而出现放电荷现象当压力撤消后陶瓷片恢复原状这是一个膨胀过程片内的正负电荷之间的距离变大极化强度也变大因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象这种由机械效应转变为电效应或者由机械能转变为电能的现象就是正压电效应F极化方向正压电效应示意图实线代表形变前的情况虚线代表形变后的情况同样若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场如图由于电场的方向与极化强度的方向相同所以电场的作用使极化强度增大这时陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大就是说陶瓷片沿极化方向产生伸长形变图中虚线同理如果外加电场的方向与极化方向相反则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象就是逆压电效应向方场电逆压电效应示意图极化实线代表形变前的情况方向虚线代表形变后的情况正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系DDTD压电常数逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系SDED压电常数注正逆压电效应的压电常数一样各种压电材料的参数介质损耗TAN压电体在交变电场的作用下输入电能以漏电损耗和微观的弛豫损耗等方式被消耗掉转化为热能损失此过程称为介质损耗TAN1IRICRNCQECOTRNC电学品质因素将压电振子经极化工艺处理的压电陶瓷片接入一特定的传输网络中如图一AB两点外加一定的信号电压给压电振子并逐步改变电压频率当频率调到某一数值时压电振子产生谐振此时振子阻抗最小输出电流最大以表示最小阻抗或最大导纳的频率当频率继续增大到另一频率时振子阻抗最大输出电流最小以表示最大阻抗或最小导纳的频率我们把阻抗最小的频率近似作为谐振频率阻抗最大的频率近似作为反谐振频率型网络传输法测试线路机械品质因素QM表示压电材料在谐振时机械损耗的大小是综合评价压电材料性能的重要参数1QM4COC1R1F将压电振子在谐振频率附近的参数和特性用一相应电路的参数和特性来表示这个电路称为电振子的等效电路等效电路L1动态电感C1动态电容R1动态电阻或串联谐振电阻C0并联电容或静态电容频率常数N压电振子的基本谐振频率与沿振动方向的振子长度的乘积是一个常数这个常数称为频率常数频率常数与振动模式有关单位HZMNLFLLNTFTH机电耦合系数K反映材料中机械能与电能之间的转换关系2通过压电效应转换的电能K储人的机械能的总量2通过逆压电效应转换的机械能K储人的电能的总量机电耦合系数与振子的材料和振动模式有关其它的压电参数D33D31压电电荷系数压电应变系数GG压电电压系数3331KKK机电耦合系数机电转换效3331P率指标NNN频率常数3331PYE31YE33杨氏模量T居里温度C压电陶瓷振动模态2压电振子的振动模式伸缩振动切变振动弯曲振动沿轴向振动薄片型极轮廓振动或厚度振动化薄长片径向振动方向厚度切变振动长度振动极化方向横向效应伸缩振动极化方向与电场方向平行时产生的振动包括长度伸缩振动厚度伸缩振动切变振动极化方向与电场方向垂直时产生的振动包括平面切变振动厚度切变振动纵向效应弹性波传播方向与极化轴平行横向效应弹性波传播方向与极化轴垂直弯曲振动具有两种以上激励电极的振子在极化方向与电场方向平行而施加的方式不同时产生的振动包括厚度弯曲和横向弯曲各种振动模式可达到的频率范围振动模式频率1K10K100K1M10M100M弯曲振动1G长度振动轮廓振动径向振动厚度振动能阱振动声表面波4压电材料及其应用1材料钛酸钡钛酸铅钙钛锆酸铅矿型钛锆酸铅非钙钛矿型焦绿石硫化镉氧化锌氮化铝2应用电声器扬声器送话筒水下通讯和探测水声换能器鱼群探测器雷达中的陶瓷表面波器件通讯设备陶瓷滤波器精密测量压力计红外技术红外热电探测器高压电源变压器压电陶瓷点火器冲击块外V壳高压引线垫块压电陶瓷变压器VV22输出输入伸缩振动双膜片压电振子串联型_V等效电路_双膜片压电振子并联型_压电陶瓷滤波器1MV21MV2损耗FFFFFR2A2R1A1在频率附近的信号衰减最小FA22的反谐振FR11的谐振F二压电材料3压电高分子聚合物PVDFORPVF2聚偏氟乙烯特点薄膜型压电材料高柔顺性高机械强度高压电常数低值声阻抗率低可作水听器高分辨率窄脉冲换能器高频超声换能器二压电材料4压电复合材料压电陶瓷高分子聚合物压电复合材料类型13型22型03型31型等现在的超探头换能器几乎全是压电复合材料13型压电复合材料13型压电复合材料工艺流程13型压电复合材料图示13型压电复合材料13型压电复合材料特点1声阻抗低约为PZT的14制作换能器时容易找到相应的吸声被衬材料易与人体组织匹配2低QM值约比PZT低12个数量级适合做宽带换能器3低KP比PZT径向振动模低使能量集中于厚度振动提高电声转换效率4柔韧性可制作成特定形状满足实际应用5材料中的PZT相分布的可控性换能器设计灵活压电陶瓷与复合压电陶瓷比较压电陶瓷与复合压电陶瓷三治疗超声换能器各种类型的超声换能器电能机械振动能换能器的工作原理驱动源超声换能器耦合介质人体组织超声设备仪器声学系统换能器的主要性能指标工作频率F超声换能器工作频率的选择是很重要的它不仅直接关系到换能器的频率特性和方向性也影响换能器的发射功率效率和灵敏度等重要指标换能器的工作频率应与整个超声设备的工作频率相一致通常等于它本身的谐振频率这样可以获得最佳的工作状态取得最大的发射功率和效率带宽机电转换系数和机电耦合系数换能器的阻抗特性换能器的品质因素由于换能器是由机械系统和电路系统两大部分组成所以常用QE和QM共同描写换能器的品质因素方向特性指向性函数换能器的频率特性换能器的一些重要参数指标随工作频率变化的特性声场的几何参数换能器的焦距焦域尺寸等辐射声功率换能器在单位时间内向声场介质辐射的声能量电声效率换能器辐射声功率与输入电功率的比值三治疗超声换能器换能器的结构类型1厚度振动模式超声理疗热疗高强聚焦超声设备F055MHZ2长度伸缩振动模式超声手术器械F20100KHZ理疗换能器的结构单元聚焦换能器结构单球面元自聚焦自聚焦平凹面换声透镜声透镜聚焦能平凸面器声透镜平凸面透镜换能器2透镜式聚焦换能器2透镜式聚焦换能器压电陶瓷透镜2透镜式聚焦换能器考虑声阻抗匹配ZPZT30ZAL169ZPERSPEX32ZWATER15ZFAT14ZFAFTTISSUE16ZBONE78TRANSMISSIVITYPLANETRANSDUCERSWITHALENSPLANETRANSDUCERSWITHALENS2透镜式聚焦换能器3球面聚焦换能器RW122RACFHWA相同大大相同高小和相同大小和相同大大200030000075MHZ10CMFOCALLENGTH180010CMFOCALLENGTH3MHZ10CMFOCALLENGTH25000160010CMDIAMETER1400200001200100015000800600100004005000200000246810121402468101214800015MHZ10CMFOCALLENGTH700010CMDIAMETER600050004000EFFECTOFFREQUENCY30002000100000246810121425000015MHZ10CMFOCALLENGTH20CMDIAMETER200000150000EFFECTOFTRANSDUCERDIAMETER100000500000024681012141650045015MHZ10CMFOCALLENGTH5CMDIAMETER4003508000300700015MHZ10CMFOCALLENGTH25010CMDIAMETER200600015050001004000503000160200002468101214161000002468101214162000900075MHZ10CMFOCALLENGTH10CMDIAMETER075MHZ15CMFOCALLENGTH10CMDIAMETER18008001600700140060012005001000400800300600200400100200000510152025051015202525000075MHZ5CMFOCALLENGTH10CMDIAMETER2000015000CHANGEINFOCALLENGTH100001650000024681012球面自聚焦换能器TRUNCATEDBOWLSTRUNCATEDBOWLS单元聚焦换能器的使用球面自聚焦换能器焦域可设计转换效率高大功率使用但制造工艺复杂大尺寸不易加工且易脆声透镜要考虑透镜材料性能阻抗匹配衰减耐温和变形粘接剂等因素适用于中小功率聚焦换能器阵列的结构4多阵元组合换能器HEMISPHERICALBOWLSUSEDFORBRAINHIFUBYBOSTONGROUP4组合换能器纹影法4组合换能器4组合换能器4组合换能器平凹面声透镜与厚度振动换能器结合用于治疗脑部疾病的动物试验的聚焦换能器应用实列几类聚焦超声换能器比较换能器类型优点缺点单元透镜制造控制易实效率低易变形现技术成熟换能自聚焦容易实现理想成本高工艺器焦域难焦距不可调多阵元纯多阵元转换效率高工艺复杂压电片和多路功放要求高换能器相控焦距焦点形状可开发难度大技控效率高术尝不成熟超声无创治疗广阔的应用范围市场潜力超过1000亿美元治疗超声血管成形术超声去脂眼药物传送经皮药物传送声动力治疗药物传送到大脑溶栓乳化基因传送基因治疗降低动脉增生骨折