第三章医用超声换能器

1、第三章 医用超声换能器 3.1压电效应与压电材料特性 3.1.1压电效应 1.正压电效应 在机械力的作用下产生电场，将机械能转变为电能的效应叫正压电效应。 超声接收换能器采用了正压电效应。 2.逆压电效应 由于电场作用，使材料内部产生应力，将电能转化为机械能的效应叫逆压电效应。 超声波发射换能器采用了逆压电效应。 3.1.2压电材料 不同方向上所表现的压电效应，强弱和性质不同，这种特性是由压电材料内部结构的各向异性所决定的。 分类： 1.压电单晶体（石英）：x,y轴为压电轴，z为光学轴，x轴 又分别有三个极化轴x * 按X切割法得到的石英晶体片在两面外加交变电场时，晶体片产生厚度的压缩及伸张，

2、即晶体片产生厚度振动。石英的固有振动频率与其厚度有关，晶体片越薄，固有振动频率越高。 特点：优点：性能稳定。缺点：需使用几千伏以上的高电压；要求加工精密度高； 机电耦合系数（灵敏度）低。 2.压电陶瓷 人工制成的压电多晶体材料。 * 电畴：自发极化方向相互趋于一致的的区域。通常人工烧结出来的陶瓷是多畴的，材料内不出现宏观电极化，无压电性能。 * 极化处理：用大于陶瓷的矫顽电场Ec的直流电场进行一定时间的极化处理，使电畴转向，由多畴变成单畴晶体。极化处理后，陶瓷保留一定的总体剩余极化强度，从而 使陶瓷体具有压电性能。在外加交变电场作用时，其极化量便跟随外加电场的极性周期性的变化，在宏观上形成了电

3、致伸缩的现象。 钛酸钡是最先制造出来的人造陶瓷材料。 PZT锆钛酸铅是使用最广泛的压电陶瓷。 优点：可以制成任意形状，制作工艺简单，能在所需要的方向进行极化处理。 3.压电高分子聚合材料 聚偏氟乙烯（PVF2或PVDF），分子式为（CH2-CF2)n 在垂直于高分子薄膜上加交变电场，就会引起薄膜做厚度伸缩振动。 特点： 结构简单，体软量轻、成本低、适用于大量生产；力学性能较好，可制成几微米厚大面积的压电薄膜;具有较好的抗辐射性;材料弹性刚度小，机械损耗小，Qm低，适用于宽带换能器;PVDF压电薄膜的弹性刚度常数和 值低，压电电压系数g 高，是一种良好的接收型压电振子材料； PVDF材料的声阻抗

4、接近人体组织，容易获得良好匹配；PVDF薄膜不受潮湿和灰尘的影响，在室温条件下性能稳定。 4. 1-3复合材料 PZT细棒以一定分布方式排成阵列，在其间浇灌环氧树脂，其压电相是一维连通的，聚合物相是三维连通的。 1-3复合压电材料的性能主要取决于： (1) PZT柱的宽度与高度之比； (2) PZT相的体积百分比； (3) 压电陶瓷材料的性能； (4) 非压电相（聚合体）材料的性能。 特点： 1) 较低的声阻抗，与人体和水具有更好的匹配特性；2) 较高的机电耦合系数，具有较好的声电能量转换效率；3) 较好的声学隔离特性，减少了横向耦合，对于多阵元应 用具有优势；4) 更灵活的使用特性，可按需要

5、制作成曲线形状的换能器。 3.1.3 压电方程 压电材料既是弹性体，又是介电体，因而既具有力学量，又具有电学量。 T/S c 称为弹性模量，D/E= 称为介电常数。 压电的力学量（T或S）和电学量（E或D）之间存在着比例关系。当同时存在T、S、E、D四种物理量时，选用不同参数作变量，可得出四组矩阵形式的压电方程。 3.1.4 压电体参数 1、机械品质因数Qm Q 决定换能器通频带。Q越大，通频带越窄。 Q 与机械损耗成反比。Q越大，机械损耗越小，能量衰减越慢。 谐振时压电体贮存的机械能 压电体谐振时每周期损耗的机械能 2、机电耦合系数k k是表示压电体中机械能和电能之间相互转化的程度。 k无量

6、纲，最大值为1，当=0时，无压电效应。 在一个有E、D、T和S的压电体线性系统中，单位体积所具有的能量E 由弹性能E、压电能E及介电能E三部分组成。即： 3、压电系数 压电体把机械能转变为电能，或把电能转变为机械能的转换系数。 1) 发射系数 (1)压电应变系数d: 应力恒定时，单位电场强度变化所引起的应变变化； 电场恒定时，单位应力变化所引起的电位移变化。 d大时宜于制造发射型换能器。 (2)压电应力系数e： 应变恒定时，单位电场所引起的应力变化； 电场恒定时，单位应变所引起的电位移变化。 e越大，越能用较低的电压产生较大的声压。 2) 接收系数 (1)压电电压系数g: 电位移恒定时，单位应

7、力变化引起的场强变化； 应力恒定时，单位电位移变化所引起的应变变化。 g越大，在同样的声压条件下可产生较大的电场强度。 (2)压电劲度系数h: 电位移恒定时，单位应变引起的电场强度变化; 应变恒定时，单位电位移引起的应力变化. 小结： * d和e表示逆压电性能，关系到换能器的发射性能，所以称为发射系数。 * g和h表示正压电性能，涉及到换能器的接收性能，所以称为接收系数。 4. 频率常数N 频率常数是确定压电体几何尺寸的一个重要参数。它只与材料性质有关，与几何尺寸无关。 对于厚度振动模式 5、居里点 居里点是表征压电体可承受的温度极限值，当超过此温度时，电畴结构解体，介电、弹性及热学等性质均出

8、现反常现象，压电性能消失。 压电体材料的上居里点（高温临界点）和下居里点（低温临界点）相差越大越好，即工作温度区域宽。 压电体的压电性能及热膨胀性能是各向异性的，不能承受突然的温度变化。 3.2 压电振子 压电体在极化面覆盖上激励电极后，即成为压电振子。 3.2.1压电振子的振动模式 长度振动（横向） 伸缩振动 厚度振动（纵向） 径向振动 振动模式 厚度切变 切变振动 面切变 厚度弯曲（纵向） 弯曲振动 长度弯曲（纵向） 能陷振动 医学超声工程中，多采用伸缩振动模式，其中又以厚度伸缩振动模式为主。 1、厚度伸缩振动： 极化方向与电场方向平行时,产生伸缩振动。 沿厚度方向极化，沿厚度方向施加交变

9、电场，振动方 向和超声波的传播方向均与电极面垂直。 谐振频率与厚度的关系为: 2. 长度伸缩振动 压电振子的极化方向与厚度方向平行，电极面与厚度方向垂直。 薄长片振子的长度伸缩振动模式的谐振频率fr与长度 l 之间的关系为： 3. 径向伸缩振动 沿圆片径向作伸缩振动，在振动的厚度方向极化，外 加电场和极化方向平行，振动方向与半径方向平行，与厚 度方向垂直。圆片径向振动的振子谐振频率与振子直径 （或半径）成反比。即： 4. 厚度切变振动 振子的极化方向与激励电场方向相垂直，而电极面与 极化方向平行，在交变电场作用下，振子产生沿厚度方向传播的切变振动。 5. 能陷振动 能陷振子的电极面积远小于压电

10、体本身面积。电极体固有频率小于压电固有频率。 弹性波能在电极区域自由传播，且随位置向边缘靠近，弹性波幅度呈指数或其它函数而衰减。 分析压电振子特性的方法主要有两种 力电类比等效电路法：将机械振动变成等效交变 电路形式，求解压电（电学力学）转换过程的特性参数。 波动传输法：将压电振子各部分作为分布参数，求解满足波动方程及耦合条件的边值问题，常采用有限元等计算方法，理论上比较严谨而复杂。 3.2.2 压电振子的等效电路 C 是压电振子两极间的电容，又称静电容。 Cm相当于晶片的机械柔韧性，称为力顺，又称为动态电容。 Lm是描述振动系统惯性的量，称为力质量，又称为动态电感。 R 是辐射电阻，又称为动

11、态电阻，R=R+R 。 Rm反映振动系统摩擦阻尼，称为力阻，描述机械损耗。 RL描述振动系统辐射阻尼的力阻，在真空中等于零。 3.2.3 压电振子的谐振特性 f ：最小阻抗频率，亦称最大传输频率或最大导纳频率。 fn：最大阻抗频率，亦称最小传输频率和最小导纳频率。 f ：压电振子谐振频率，在f附近。 f ：压电振子反谐振频率，在f附近。 *串联谐振频率 *并联谐振频率 随着频率的增加，相应的特征频率为f 、f 、f 、 当辐射电阻或动态电阻RT=0时 医学超声领域多采用厚度伸缩振动模式，其反谐振频率为: 接收换能器的最佳工作频率应当工作在反谐振频率。 有效机电耦合系数可表示为: 发射换能器的最

12、佳工作频率应当是串联谐振频率，即 3.3 医用超声换能器种类、结构、与特性 3.3.1 医用超声换能器分类 3.3.2 医用超声换能器的结构 1. 基本单元换能器 单振元超声换能器内部基本结构压电振子产生压电效应的元件 主体 吸收块吸收背向辐射的声能，称为背材 保护层减轻振子磨损、进行阻抗匹配，称为面材 外壳为换能器的结构件 壳体 接插机构经接插机构与仪器连接 电缆线超声电信号的载体 2 多阵元换能器 包括：线阵、相控阵、凸阵、方阵 3. 机械扫描换能器 4. 声学聚焦换能器（声速与透镜形状的关系） 5. 超声多普勒换能器 脉冲多普勒换能器基本结构和单阵元换能器结构相同，发射、接收共用一个压电

13、振子。 在和B型超声成像复合而成的超声系统中，对于机械 扫描方式，可附加一探头作多普勒换能器，也可直接用扫 描成像换能器作为多普勒探头。 电子扫描成像系统中，同样，既可附加多普勒换能 器，也可选定多阵元中的某一条扫描声束，从中提取多普勒血流信号。 连续波多普勒超声换能器的特点在于用两个晶片分别作为发射和接收换能器。 1) 分隔式：采用一个压电晶体片，一面是共同接地端，与人体相接触，另一面只将电极镀层从中间分开形成发和收相绝缘的两个半片。 2) 分离式 ：结构上把同一晶片切开，形成同面积的收发两个部分，而且两部分之间加隔电隔声材料。 3) 重叠式由两个晶片重叠构成，两晶片间用同频率的晶片或厚度适

14、宜的环氧树脂隔离。 3.3.3 医用超声换能器的特性 1. 频率特性 1) 工作频率与频率调配 对于发射换能器，应使附加电感L 与换能器本身的静态工作 电容C调谐于换能器串联谐振频率f 。 对于接收换能器，应使L 与C调谐于换能器并联谐振频率f 。 2) 频带宽度 * PZT超声换能器本身带宽受到限制。 从提高分辨能力方面来看，电路的激励源的脉冲宽度要尽量窄；系统带宽越宽越好。 从提高信噪比方面来看，带宽越窄越好。 一般取发射接收系统带宽等于换能器带宽。 2. 阻抗匹配 1) 电阻抗匹配 换能器等效阻抗等于发射源内阻时，输出功率最大。 2) 声阻抗匹配 3.吸收特性 换能器的压电振子被电脉冲激

15、震后，其两端面产生震荡，并分别向前、后传播。 1） 后向波被反射后亦向前传播，可能出现多次反射；2） 声震动衰减比电脉冲慢，使辐射的超声波脉冲持续时间大于电脉冲的宽度，因而使距离分辨力变坏，盲区增长。因此，在压电振子背部加吸收块。要求衰减系数高，声阻抗与压电振子接近。常用环氧树脂家钨粉制成。 4. 灵敏度 灵敏度是指在某一具体条件下，能探测出目标大小的能力。辐射效率高，接收灵敏度高的换能器（或有效机电耦合系数ke大），探测灵敏度就大。 5. 辐射特性 换能器的辐射特性主要描述辐射声场在空间的分布状态。 它主要影响横向分辨率，探测灵敏度随空间位置的分布等参数。 3.4 医用超声换能器的声场特性

16、超声辐射场是指超声能量分布的空间，即超声换能器所发射的超声波到达的区域。 各种换能器辐射的超声场取决于换能器本身的特性、尺寸、形状等。 3.4.1 单阵元换能器的超声场 任何形状和大小的换能器，其有效的振源表面均可看成许多小面积的声源，每个小面积的声源都可看作一个简单的换能器，它们以合适的方式，应用惠更斯原理来辐射或接收超声能量。 1、平面圆形换能器的超声场 1)声源轴线上的声压分布 点声源在m处产生的声压 对整个圆面积分，求得轴线上的任一点m的声压为： （1）在Z，简化为 Z 常被作为近场向远场过渡的起始点，扩散角为 声束指向性 （1）指向性函数D：在换能器远场中任一方向上的声压幅值 p 与最大值方向上的声压幅值p 比。 对于圆片换能器 J 为第一类第一阶贝塞尔函数 （2）波瓣图 角度为 时，主瓣波束声压降到零，称为方向锐度角。 波束宽度：主波束最大响应与其两边比最大响应低某一分贝数的两点间的开角。常指低3分贝的开角，亦即半功率点之间的开角，用-3dB表示。 2) 声束指向性 （2）波瓣图 2. 振幅渐变式圆片换能器超声场 盲区的产生：圆片振源在近场内的轴线上或横截面上出现若干声压的