医学超声原理第七讲压电效应课件

第七讲—压电效应牛金海jhniu@第七讲—压电效应牛金海指定教材目前，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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来本章主要内容压电效应压电材料特性压电方程压电体参数压电振子本讲思考题本章主要内容一、压电效应图3.1医用超声换能器结构示意图如何解决医学超声的发射与接收？右图的压电换能器如果要工作的话？还缺什么？日常生活中，电-声转换的设备？举例说明？一、压电效应图3.1医用超声换能器结构示意图如何解决医一、压电效应用压电材料做成的换能器一、压电效应用压电材料做成的换能器一、压电效应

受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家P.居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应生活中的应用？打火机，煤气灶或者热水器打火，你注意到了么？一、压电效应受到压力作用时会在两端面一、压电效应一、压电效应（一）压电效应：施加压力－>电场（二）逆压电效应：相反施加电场－>会产生形变。压电效应与逆压电效应，是换能器的工作基础。一、压电效应一、压电效应打火机原理打火机原理PiezoelectricroadharveststrafficenergytogenerateelectricityPiezoelectricroadharveststr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。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、压电效应

压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。因而压电材料广泛用于传感器元件中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元件以及电声传感器等。一、压电效应压电效应的机一、压电效应图3.2压电效应一、压电效应图3.2压电效应WhatisPiezoelectricity？Piezoelectricityisthechargewhichaccumulatesincertainsolidmaterials(notablycrystals,certainceramics,andbiologicalmattersuchasbone,DNAandvariousproteins)[1]inresponsetoappliedmechanicalstrain.Thewordpiezoelectricitymeanselectricityresultingfrompressure.ItisderivedfromtheGreek

piezoorpiezein(πιέζειν),whichmeanstosqueezeorpress,andelectricorelectron(ήλεκτρον),whichstandsforamber–anancientsourceofelectriccharge.[2]Piezoelectricityisthedirectresultofthepiezoelectriceffect.WhatisPiezoelectricity？WhatisPiezoelectricity？Thepiezoelectriceffectisunderstoodasthelinearelectromechanicalinteractionbetweenthemechanicalandtheelectricalstateincrystallinematerialswithnoinversionsymmetry.[3]Thepiezoelectriceffectisareversibleprocessinthatmaterialsexhibitingthedirectpiezoelectriceffect(theinternalgenerationofelectricalchargeresultingfromanappliedmechanicalforce)alsoexhibitthereversepiezoelectriceffect(theinternalgenerationofamechanicalforceresultingfromanappliedelectricalfield).WhatisPiezoelectricity？WhatisPiezoelectricity？Forexample,leadzirconatetitanatecrystalswillgeneratemeasurablepiezoelectricitywhentheirstaticstructureisdeformedbyabout0.1%oftheoriginaldimension.Conversely,leadzirconatetitanatecrystalswillchangeabout0.1%oftheirstaticdimensionwhenanexternalelectricfieldisappliedtothematerial.WhatisPiezoelectricity？WhatisPiezoelectricity？Piezoelectricityisfoundinusefulapplicationssuchastheproductionanddetectionofsound,generationofhighvoltages,electronicfrequencygeneration,microbalances,andultrafinefocusingofopticalassemblies.Itisalsothebasisofanumberofscientificinstrumentaltechniqueswithatomicresolution,thescanningprobemicroscopiessuchasSTM,AFM,MTA,SNOM,etc.,andeverydayusessuchasactingastheignitionsourceforcigarettelightersandpush-startpropanebarbecues.WhatisPiezoelectricity？二、压电材料

二、换能器材料（一）压电单晶体：如天然单晶体有石英、电石等，人工制造的单晶体，如硫酸锂、铌酸锂等，都具有同样压电特性。

特点：石英晶体的性能相当稳定，但是需要使用几千伏以上的高电压，而且要求加工精度高，机电耦合系数（灵敏度）低，故目前医用诊断探头已经很少使用。二、压电材料二、换能器材料二、压电材料压电石英晶体材料二、压电材料压电石英晶体材料指定教材目前，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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来医学超声原理第七讲压电效应课件二、压电材料

（二）压电陶瓷：某些经过极化处理的陶瓷，如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。

二、压电材料（二）压电陶瓷：二、压电材料

特点：压电陶瓷只在某一温度范围内才具有压电性能，当温度达到某一临界值时，压电陶瓷内部的电畴结构即告解体，失去压电性能，此临界温度称为压电居里点。另一方面，在极低温度情况下，压电性能也会恶化，钛酸钡是最先制造出来的人造陶瓷材料。但自1955年，PZ锆钛酸铅已逐步取代了其位置，成为使用最广泛的压电材料．压电陶瓷的最大优点是它可以制成任何所需要的形状，并能在所需要的方向进行极化处理。二、压电材料特点：压电陶瓷只在某一二、压电材料

压电陶瓷材料二、压电材料二、压电材料

（三）高分子聚合物某些经过计划处理的高分子化合物，如氟化聚乙二烯PVDF高分子压电聚合材料如有下持性：结构简单、体软量轻、成本低，适合大量生产；力学性能较好，不易裂断和破碎、具有一定韧性，可弯曲．柔软．耐冲击、振动、抗化学腐蚀、成型性好，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，适合宽带换能器PVF2材料的声阻抗，接近人体组织的声阻抗、容易获得良好匹配；PVF2薄膜不受潮湿和灰尘的影响．在室温条件下性能稳定．二、压电材料（三）高分子聚合物二、压电材料不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。西门子研发PVDF探头超声波液位传感器二、压电材料不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发二、压电材料PVDF材料二、压电材料PVDF材料二、压电材料（四）复合压电材料这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用于不同的深度。二、压电材料（四）复合压电材料三、压电方程三、压电方程

作为弹性体，根据虎克定律，T/S=c称为弹性模量；作为介电体，根据电介质理论，D/E=ε称为介电常数。E电场是电场强度，D是电位移。T表示应力，S表示应变。三、压电方程三、压电方程三、压电方程

压电材料可用d,g,e,h四组不同形式的压电方程表示。

参考：《医学超声设备-原理设计应用》，伍于添主编，科学技术文献出版社，p162-170三、压电方程压电材料可用d,g,e,h四组不同形式的压电方四、压电体参数

四、压电体参数（一）机械品质因数Qm

机械品质因数与机械损耗成反比，Qm越大，机械损耗越小、能量衰减越慢。从能量角度看，它反应压电体振动时克服内摩擦而消耗的大小，它可定义为：四、压电体参数四、压电体参数四、压电体参数（二）机电耦合系数k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Ea，压电能Eb及介电能Ec三部分组机电耦合系数k定义为：四、压电体参数（二）机电耦合系数k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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来四、压电体参数

（三）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叫压电系数。具体可分为下述四种表达：1、发射系数（1）压电应变系数d：(2)压电应力系数e2.接收系数（1）压电电压系数g：(2)压电劲度系数h：四、压电体参数（三）压电系数四、压电体参数1、发射系数（1）压电应变系数d：当压电体处于应力恒定的情况下，单位电场强度变化所引起的应变变化。或电场恒定时，单位应力变化所引起的电位移变化；单位是m/V或C/N。d通常也称为发射系数．d大时是否易于制造发射型换能器？四、压电体参数1、发射系数四、压电体参数(2)压电应力系数e：压电体在应变恒定时，单位电场所引起的应力变比。或电场恒定时，单位应变所引起的电位移变化。如把压电材料作为发射换能器用，e越大，越能用较低的电压产生较大的声压，所以常将e称为电发射系数。四、压电体参数(2)压电应力系数e：压电体在应变恒定时，单四、压电体参数2.接收系数（1）压电电压系数g：当压电体的电位移恒定时，单位应力变化引起的场强变化，或应力恒定时，单位电位移变比所引起的应变变比。单位是V.m/N或m2／C。

如作为接收换能器的压电材料，g越大，在同样的声压条件下，可使压电材料出现较大的电场强度，因而能对外输送较大的电信号，所以g又称为压电接收系救，它标志了接收性能的好坏。四、压电体参数2.接收系数指定教材目前，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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来四、压电体参数(2)压电劲度系数h：压电体在应变恒定时，单位电位移引起的应力变化。或电位移恒定时，单位应变引起的电场强度变化，单位为N／C。四、压电体参数(2)压电劲度系数h：压电体在应变恒定时，单四、压电体参数（四）、频率常数N

频率常数N是确定压电体几何尺寸的一个重要参数，定义为压电体谐振频率f与沿振动方向的几何尺寸(如厚度、长度或直径等)的乘积。它只要材料性质有关，与几何尺寸无关。当材料选定后，N即确定，因而根据N就可求出任意频率下的压电体沿振动方间的尺寸。对于厚度振动模式：

N＝f•δ

式3.8

δ是什么参数？四、压电体参数（四）、频率常数Nδ是什么参数？四、压电体参数

(五)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现反常现象，压电性能消失，这一临界温度称为居里点。压电材料的上居里点(高温临界点)和下居里点(低温临界点）相差愈大愈好，即工作温度区域宽。由于压电体的压电性能及热膨胀性能都具备各向异性的，因而即使它能工作在高温，亦不能承受突然的温度变化。故使用时(如焊接)应避免温度突变。超声诊断和治疗中不会出现极低，极高的温度和温度突变的情况。四、压电体参数(五)居里点：（六）介质损耗（dielectricloss）和损耗角正切tanδ（tangentoflossangle）理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90度，但是在压电陶瓷试样中，电流超前的相位角ψ小于90度，它的余角δ（δ+ψ=90度）称为损耗角，δ的存在导致压电体在工作过程中产生能量损耗，它是一个无量纲的物理量，人们通常用损耗角正切tanδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）与无功功率之比。四、压电体参数（六）介质损耗（dielectricloss）和损耗角正切四、压电体参数四、压电体参数四、压电体参数式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（3-14）可以看出，IR大时，tanδ也大；IR小时tanδ也小。介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同相）；一种为无功部分（异相）。介质损耗表示为同相分量与异相分量的比值如图3-13所示，Ic为异相分量，IR为同相分量。四、压电体参数式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为四、压电体参数压电材料也是介电材料，介电材料在交变电场的作用下，温度会升高，说明这个过程中有一部分电能转化为了热能，这种损耗就是上述提到的介电损耗。产生介电损耗的原因比较复杂，其中原因之一是，处于交变电场中的介质，与其在外电场的作用下的极化过程有关。极化过程中介质的交变电场建立的非常快，而电畴的取向极化相对较慢产生滞后，这个现象是极化弛豫。极化弛豫导致动态介电常数和静态介电常数之间的差异，从而产生介电损耗。具体而言就是供给电介质的能量有一部分消耗在强迫偶极矩的转向上，并变为热量消耗掉。其次，即使处于静电场中，在压电陶瓷材料中，还存在着介质的漏电流，也是导致介质损耗的原因之一。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，在此不再详述。四、压电体参数压电材料也是介电材料，介电材料在交变电场的作用四、压电体参数tanδ可用交流阻抗电桥来测量，tanδ越大，材料的性能越差。特别是大功率发射换能器和以大振幅工作的换能器，宁可牺牲其他参数的性能也要选择较小的tanδ。否则发热会带来一系列不利因素。而对于接收型换能器，对该参数要求不高，其值可以比发射型的材料高一个数量级。电学品质因数Qe（electricalqualityfactor），电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数，用Qe表示，它是一个无量纲的物理量。若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则Qe=1/tanδ=ωCR。四、压电体参数tanδ可用交流阻抗电桥来测量，tanδ越大指定教材目前，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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来四、压电体参数表3.1几种压电材料的主要参数四、压电体参数表3.1几种压电材料的主要参数五、压电振子一、压电振子的振动模式压电材料的机械能和电能的相互转换、是通过某一尺寸和几何形状的压电振子，在某一特定的条件(极化方向、激励情况等)下，实现振子的振动。压电振子的振动方式为振动模式。五、压电振子一、压电振子的振动模式五、压电振子五、压电振子五、压电振子1、厚度伸缩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。极化方向(P)与电场方向(E)平行时，产生伸缩振动。振动方向与超声传播万向一致，产生纵波。圆片厚度伸缩振动模式振子的几何形状、极化和激励方式见表3.2。沿厚度方向极化，电场垂直于薄片平面。一股压电陶瓷的极化方向取为Z轴。当沿厚度方向施加交变电场时，振动方向和超声波的传播方向均与电极面垂直。谐振频率f与厚度的关系为：

f＝N/δ

式3.9

为了抑制其它振动模式要求直径d大于δ10倍以上。五、压电振子1、厚度伸缩振动五、压电振子五、压电振子五、压电振子五、压电振子五、压电振子五、压电振子五、压电振子

二．压电振子的等效电路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和波动传输法。力电类比等效电路法，是将机械振动变成等效交变电路形式，求解压电(电学一力学)转换过程的特性参数，即求出电路参数的解．亦可类比地求出机械振动的解。亦即用机、电、声类比等效电路描述压电振子特性，此法简单，物理概念清楚。波动传输法是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。实用中，常采用力电类比等效电路法。五、压电振子二．压电振子的等效电路换能器的电学等效电路

换能器的电学等效电路指定教材目前，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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来换能器的电学等效电路其中C0是两级之间的静态电容，Cm是动态电容，Lm是动态电感，RT是动态电阻，动态电阻包含两部分Rm和RL，其中Rm是摩擦阻尼力阻；RL是辐射阻尼力阻（如果换能器不带负载，如在真空中RL=0）。R0是表示换能器介质损耗的并联电阻，R0=（2πfsC0tanδe）-1,其中fs是串联谐振频率，C0是静态电容，tanδe为损耗角正切，一般情况下R0>>Rm。为简化起见，因为是并联关系，可以忽略R0，换能器的等效电路简化如图3-17右。换能器的电学等效电路其中C0是两级之间的静态电容，Cm是指定教材目前，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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来六、本章思考题1、什么是压电效应？2、压电材料主要有哪几类？3、压电体力学量与声学量的类比关系？4、什么是居里点？5、介电损耗的定义？压电陶瓷产生介电损耗物理原因？在制作换能器时，损耗角正切的选择原则？六、本章思考题1、什么是压电效应？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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来第七讲—压电效应牛金海jhniu@第七讲—压电效应牛金海指定教材目前，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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来本章主要内容压电效应压电材料特性压电方程压电体参数压电振子本讲思考题本章主要内容一、压电效应图3.1医用超声换能器结构示意图如何解决医学超声的发射与接收？右图的压电换能器如果要工作的话？还缺什么？日常生活中，电-声转换的设备？举例说明？一、压电效应图3.1医用超声换能器结构示意图如何解决医一、压电效应用压电材料做成的换能器一、压电效应用压电材料做成的换能器一、压电效应

受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家P.居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应生活中的应用？打火机，煤气灶或者热水器打火，你注意到了么？一、压电效应受到压力作用时会在两端面一、压电效应一、压电效应（一）压电效应：施加压力－>电场（二）逆压电效应：相反施加电场－>会产生形变。压电效应与逆压电效应，是换能器的工作基础。一、压电效应一、压电效应打火机原理打火机原理PiezoelectricroadharveststrafficenergytogenerateelectricityPiezoelectricroadharveststr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。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、压电效应

压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。因而压电材料广泛用于传感器元件中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元件以及电声传感器等。一、压电效应压电效应的机一、压电效应图3.2压电效应一、压电效应图3.2压电效应WhatisPiezoelectricity？Piezoelectricityisthechargewhichaccumulatesincertainsolidmaterials(notablycrystals,certainceramics,andbiologicalmattersuchasbone,DNAandvariousproteins)[1]inresponsetoappliedmechanicalstrain.Thewordpiezoelectricitymeanselectricityresultingfrompressure.ItisderivedfromtheGreek

piezoorpiezein(πιέζειν),whichmeanstosqueezeorpress,andelectricorelectron(ήλεκτρον),whichstandsforamber–anancientsourceofelectriccharge.[2]Piezoelectricityisthedirectresultofthepiezoelectriceffect.WhatisPiezoelectricity？WhatisPiezoelectricity？Thepiezoelectriceffectisunderstoodasthelinearelectromechanicalinteractionbetweenthemechanicalandtheelectricalstateincrystallinematerialswithnoinversionsymmetry.[3]Thepiezoelectriceffectisareversibleprocessinthatmaterialsexhibitingthedirectpiezoelectriceffect(theinternalgenerationofelectricalchargeresultingfromanappliedmechanicalforce)alsoexhibitthereversepiezoelectriceffect(theinternalgenerationofamechanicalforceresultingfromanappliedelectricalfield).WhatisPiezoelectricity？WhatisPiezoelectricity？Forexample,leadzirconatetitanatecrystalswillgeneratemeasurablepiezoelectricitywhentheirstaticstructureisdeformedbyabout0.1%oftheoriginaldimension.Conversely,leadzirconatetitanatecrystalswillchangeabout0.1%oftheirstaticdimensionwhenanexternalelectricfieldisappliedtothematerial.WhatisPiezoelectricity？WhatisPiezoelectricity？Piezoelectricityisfoundinusefulapplicationssuchastheproductionanddetectionofsound,generationofhighvoltages,electronicfrequencygeneration,microbalances,andultrafinefocusingofopticalassemblies.Itisalsothebasisofanumberofscientificinstrumentaltechniqueswithatomicresolution,thescanningprobemicroscopiessuchasSTM,AFM,MTA,SNOM,etc.,andeverydayusessuchasactingastheignitionsourceforcigarettelightersandpush-startpropanebarbecues.WhatisPiezoelectricity？二、压电材料

二、换能器材料（一）压电单晶体：如天然单晶体有石英、电石等，人工制造的单晶体，如硫酸锂、铌酸锂等，都具有同样压电特性。

特点：石英晶体的性能相当稳定，但是需要使用几千伏以上的高电压，而且要求加工精度高，机电耦合系数（灵敏度）低，故目前医用诊断探头已经很少使用。二、压电材料二、换能器材料二、压电材料压电石英晶体材料二、压电材料压电石英晶体材料指定教材目前，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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来医学超声原理第七讲压电效应课件二、压电材料

（二）压电陶瓷：某些经过极化处理的陶瓷，如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。

二、压电材料（二）压电陶瓷：二、压电材料

特点：压电陶瓷只在某一温度范围内才具有压电性能，当温度达到某一临界值时，压电陶瓷内部的电畴结构即告解体，失去压电性能，此临界温度称为压电居里点。另一方面，在极低温度情况下，压电性能也会恶化，钛酸钡是最先制造出来的人造陶瓷材料。但自1955年，PZ锆钛酸铅已逐步取代了其位置，成为使用最广泛的压电材料．压电陶瓷的最大优点是它可以制成任何所需要的形状，并能在所需要的方向进行极化处理。二、压电材料特点：压电陶瓷只在某一二、压电材料

压电陶瓷材料二、压电材料二、压电材料

（三）高分子聚合物某些经过计划处理的高分子化合物，如氟化聚乙二烯PVDF高分子压电聚合材料如有下持性：结构简单、体软量轻、成本低，适合大量生产；力学性能较好，不易裂断和破碎、具有一定韧性，可弯曲．柔软．耐冲击、振动、抗化学腐蚀、成型性好，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，适合宽带换能器PVF2材料的声阻抗，接近人体组织的声阻抗、容易获得良好匹配；PVF2薄膜不受潮湿和灰尘的影响．在室温条件下性能稳定．二、压电材料（三）高分子聚合物二、压电材料不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。西门子研发PVDF探头超声波液位传感器二、压电材料不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发二、压电材料PVDF材料二、压电材料PVDF材料二、压电材料（四）复合压电材料这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用于不同的深度。二、压电材料（四）复合压电材料三、压电方程三、压电方程

作为弹性体，根据虎克定律，T/S=c称为弹性模量；作为介电体，根据电介质理论，D/E=ε称为介电常数。E电场是电场强度，D是电位移。T表示应力，S表示应变。三、压电方程三、压电方程三、压电方程

压电材料可用d,g,e,h四组不同形式的压电方程表示。

参考：《医学超声设备-原理设计应用》，伍于添主编，科学技术文献出版社，p162-170三、压电方程压电材料可用d,g,e,h四组不同形式的压电方四、压电体参数

四、压电体参数（一）机械品质因数Qm

机械品质因数与机械损耗成反比，Qm越大，机械损耗越小、能量衰减越慢。从能量角度看，它反应压电体振动时克服内摩擦而消耗的大小，它可定义为：四、压电体参数四、压电体参数四、压电体参数（二）机电耦合系数k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Ea，压电能Eb及介电能Ec三部分组机电耦合系数k定义为：四、压电体参数（二）机电耦合系数k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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来四、压电体参数

（三）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叫压电系数。具体可分为下述四种表达：1、发射系数（1）压电应变系数d：(2)压电应力系数e2.接收系数（1）压电电压系数g：(2)压电劲度系数h：四、压电体参数（三）压电系数四、压电体参数1、发射系数（1）压电应变系数d：当压电体处于应力恒定的情况下，单位电场强度变化所引起的应变变化。或电场恒定时，单位应力变化所引起的电位移变化；单位是m/V或C/N。d通常也称为发射系数．d大时是否易于制造发射型换能器？四、压电体参数1、发射系数四、压电体参数(2)压电应力系数e：压电体在应变恒定时，单位电场所引起的应力变比。或电场恒定时，单位应变所引起的电位移变化。如把压电材料作为发射换能器用，e越大，越能用较低的电压产生较大的声压，所以常将e称为电发射系数。四、压电体参数(2)压电应力系数e：压电体在应变恒定时，单四、压电体参数2.接收系数（1）压电电压系数g：当压电体的电位移恒定时，单位应力变化引起的场强变化，或应力恒定时，单位电位移变比所引起的应变变比。单位是V.m/N或m2／C。

如作为接收换能器的压电材料，g越大，在同样的声压条件下，可使压电材料出现较大的电场强度，因而能对外输送较大的电信号，所以g又称为压电接收系救，它标志了接收性能的好坏。四、压电体参数2.接收系数指定教材目前，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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来四、压电体参数(2)压电劲度系数h：压电体在应变恒定时，单位电位移引起的应力变化。或电位移恒定时，单位应变引起的电场强度变化，单位为N／C。四、压电体参数(2)压电劲度系数h：压电体在应变恒定时，单四、压电体参数（四）、频率常数N

频率常数N是确定压电体几何尺寸的一个重要参数，定义为压电体谐振频率f与沿振动方向的几何尺寸(如厚度、长度或直径等)的乘积。它只要材料性质有关，与几何尺寸无关。当材料选定后，N即确定，因而根据N就可求出任意频率下的压电体沿振动方间的尺寸。对于厚度振动模式：

N＝f•δ

式3.8

δ是什么参数？四、压电体参数（四）、频率常数Nδ是什么参数？四、压电体参数

(五)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现反常现象，压电性能消失，这一临界温度称为居里点。压电材料的上居里点(高温临界点)和下居里点(低温临界点）相差愈大愈好，即工作温度区域宽。由于压电体的压电性能及热膨胀性能都具备各向异性的，因而即使它能工作在高温，亦不能承受突然的温度变化。故使用时(如焊接)应避免温度突变。超声诊断和治疗中不会出现极低，极高的温度和温度突变的情况。四、压电体参数(五)居里点：（六）介质损耗（dielectricloss）和损耗角正切tanδ（tangentoflossangle）理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90度，但是在压电陶瓷试样中，电流超前的相位角ψ小于90度，它的余角δ（δ+ψ=90度）称为损耗角，δ的存在导致压电体在工作过程中产生能量损耗，它是一个无量纲的物理量，人们通常用损耗角正切tanδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）与无功功率之比。四、压电体参数（六）介质损耗（dielectricloss）和损耗角正切四、压电体参数四、压电体参数四、压电体参数式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（3-14）可以看出，IR大时，tanδ也大；IR小时tanδ也小。介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同相）；一种为无功部分（异相）。介质损耗表示为同相分量与异相分量的比值如图3-13所示，Ic为异相分量，IR为同相分量。四、压电体参数式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为四、压电体参数压电材料也是介电材料，介电材料在交变电场的作用下，温度会升高，说明这个过程中有一部分电能转化为了热能，这种损耗就是上述提到的介电损耗。产生介电损耗的原因比较复杂，其中原因之一是，处于交变电场中的介质，与其在外电场的作用下的极化过程有关。极化过程中介质的交变电场建立的非常快，而电畴的取向极化相对较慢产生滞后，这个现象是极化弛豫。极化弛豫导致动态介电常数和静态介电常数之间的差异，从而产生介电损耗。具体而言就是供给电介质的能量有一部分消耗在强迫偶极矩的转向上，并变为热量消耗掉。其次，即使处于静电场中，在压电陶瓷材料中，还存在着介质的漏电流，也是导致介质损耗的原因之一。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，在此不再详述。四、压电体参数压电材料也是介电材料，介电材料在交变电场的作用四、压电体参数tanδ可用交流阻抗电桥来测量，tanδ越大，材料的性能越差。特别是大功率发射换能器和以大振幅工作的换能器，宁可牺牲其他参数的性能也要选择较小的tanδ。否则发热会带来一系列不利因素。而对于接收型换能器，对该参数要求不高，其值可以比发射型的材料高一个数量级。电学品质因数Qe（electricalqualityfactor），电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数，用Qe表示，它是一个无量纲的物理量。若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则Qe=1/tanδ=ωCR。四、压电体参数tanδ可用交流阻抗电桥来测量，tanδ越大指定教材目前，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。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书