医用超声换能器

医用超声换能器应用超声波进行诊断时，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，通过使用超声换能器可以解决这个问题。目前医学超声设备大多采用声电换能器来实现超声波的发射与接收。声电换能器按工作原理分为两大类，即电场式和磁场式。电场式中，利用电场所产生的各种力效应来实现声电能量的相互转换，其内部储能元件是电容，它又分为压电式、电致伸缩式、电容式。磁场式中，是借助磁场的力效应实现声电能量的互相转换，内部储能元件是电感，它又分为电动式、电磁式、磁致伸缩式。在医学超声工程中，使用的最多的是压电式超声换能器。§3.1压电效应与压电材料特性一、压电效应压电效应是法国物理学家PierreCurie和JacqnesCurie兄弟于1880年发现的。图3-1压电效应示意图对某些单晶体或多晶体电介质，如石英晶体、陶瓷、高分子聚合材料等，当沿着一定方向对其施加机械力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应表面上便产生符号相反的等量电荷，并且电荷密度与机械力大小成比例；而且当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为正压电效应，如图3-1。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场（加电压）作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形；外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩）。如果在电介质的两面外加交变电场时，电介质产生压缩及伸张，即产生振动，此振动加到弹性介质上，介质亦将振动，产生机械波。如外加交变电场频率高于20KHz，则这种波即是超声波。超声接收换能器采用了正压电效应，将来自人体中的声压转变为电压。超声波发射换能器采用了逆压电效应，将电压转变为声压，并向人体发射。压电效应是可逆的，压电材料既具有正压电效应，又具有逆压电效应。医学超声设备中，常采用同一压电换能器作为发射和接收探头，但发射与接收必须分时工作。当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强；当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。实验证明，当所施加力或电的频率不与晶体固有频率一致时，压电换能器晶体产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小，可见，它们都是频率的函数。二、压电材料具有压电效应的物质称为压电材料或压电元件。目前已发现的压电材料品种繁多，性能各异，按系列可分为三大类。（一） 压电单晶体超声换能器应用的天然单晶体有石英、电石等，人工制造的单晶体，如硫酸锂、鈮酸锂等，都具有同样的压电特性。石英晶体的性能相当稳定，但需使用几千伏以上的高电压，而且要求加工精密度高，机电耦合系数（灵敏度）低，故目前医用诊断探头已很少使用。（二） 压电陶瓷压电陶瓷品种最多，它是人工制成的压电多晶体材料，由许多取向不同的单个晶粒所组成的多晶体。通常人工烧制出来的初始的压电陶瓷，在没有极化之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处理后具有压电效应。钛酸钡是最先制造出来的人造陶瓷材料。但自1955年，PZT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。（三）压电高分子聚合材料1969年，研制成功具有实用价值的有机压电材料 压电高分子聚合材料。这是一种半结晶聚合物，其中性能较好的材料为聚偏氟乙烯（PVF2或PVDF）,分子式为（CH2--CF2）,材料外貌与聚乙烯相似。压电高分子聚合材料薄膜的制备过程为制膜、拉伸、极化、上极。压电高分子聚合材料有以下特性：结构简单、体软量轻、成本低、适于大量生产；力学性能较好，不易断裂和破碎，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；具有较好的抗腐蚀性；材料弹性刚度小，机械损耗小，适于宽带换能器；弹性刚度系数低，因而单位应力所产生的压电应变系数高，比石英大10倍，比PZT大17倍，是一种良好的接收型压电振子材料；材料的声阻抗，接近人体组织的声阻抗，容易获得良好匹配；薄膜不受潮湿和灰尘的影响，在室温条件下性能稳定。四、压电体参数压电体的参数是反映压电材料性能的标志，它除了力学性质、电学性质外，还有压电性质。（一）机械品质因数Qm压电元件在谐振时，要克服内摩擦而产生能量损耗，机械品质因数Qm就是衡量该能量损耗大小。它可定义为：Q二2n谐振时压电体储存的机械能量m 压电体谐振时损耗的机械能量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，通频带越窄。机械品质因数Qm是压电换能器的一个重要设计参数，与压电元件谐振模式有关，它决定了换能器通频带。Qm为无量纲的物理量，一般压电陶瓷因配方和工艺条件的不同，Qm相差很大，如锆钛酸铅（PZT）陶瓷的值可在50~3000之间大幅度调节。（二） 机电耦合系数k压电体在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示压电体中机械能和电能之间的耦合效应，用机电耦合系数k表示。k值是综合反映压电材料性能的重要参数，是判别压电材料性能的重要依据。k不仅与压电材料有关，而且与压电体的振动模式和形状有关。设计超声压电换能器要求机电耦合系数高，有利于发射或接收。（三） 压电常数压电元件具有弹性力的力学特性和电介质的电学特性，压电方程反映了其力学量和电学量之间耦合关系，压电常数则反映了这种关系的参数。它有压电应变常数d、压电电压常数g、压电应力常数e和压电劲度常数g四种形式。它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。（1） 压电应变常数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。d反映了压电元件的逆压电效应，d愈大，压电元件由单位电场引起的变形也愈大。d大时宜于制造发射型换能器。（2） 压电应力常数e压电体在应变恒定时，单位电场所引起的应力变化；或电场恒定时，单位应变所引起的电位移变化。e反映了压电元件的逆压电效应，e愈大，愈能用较低的电压产生较大的压力。（3） 压电电压常数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，单位电位移变化所引起的应变变化。g反映了压电元件的正压电效应，g愈大，压电元件由单位应力引起的电场强度也愈大，因而能对外输送较大的电信号，所以g它标志了接收性能的好坏。在设计接收型换能器时，应选择g大的压电材料。（4） 压电劲度常数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。h反映了压电元件的正压电效应，h愈大，愈能用较低的应变产生较大的电场强度。d、e、g、h都是描述压电材料压电性能的四个压电参数矩阵，d和e表示逆压电性能，关系到换能器的发射性能，所以亦称为发射系数。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。（四） 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，定义为压电体谐振频率与沿振动方向的几何尺寸（如厚度§、长度l或直径d等）的乘积。它只与材料性质有关，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向的尺寸。对于厚度振动模式N二fT5（五） 居里点压电材料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，压电材料失去压电性能，此临界温度称为压电居里点。居里点是表征压电体可承受的温度极限。压电材料的居里点包括上居里点（高温临界点）和下居里点（低温临界点）。如锆钛酸铅的上居里点最高为350°C,石英的上居里点为576C，铌酸锂的上居里点可达1210C。有时，虽然温度尚未达到居里点，但压电材料的压电性能降低。压电材料的上居里点和下居里点相差愈大愈好，即工作温度区域宽。对于压电体，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（如焊线），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。各种压电材料的性能有各自的特点，适用于不同的用途。而有些实用的性能参数是相互制约的。故在选择压电材料时，应根据用途来选择适当的材料。§3.2压电振子对压电体进行极化后，在它的可极化面上覆盖上激励电极后，就成为压电振子。它具有正压电效应和逆压电效应，具有机电转换能力，它是一个可逆的机电换能系统，是换能器的核心部分。具有压电效应的材料很多，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等，自锆钛酸铅问世以来，医用超声换能器所用的压电材料就由锆钛酸铅代替了。换能器的压电振子相当于一个电容（具有容抗作用），在超声发射电路中与线圈形成并联谐振，得到高频激励电压，产生机械振动和超声波．压电换能器上施加的交变电压的频率与换能器的压电振子的固有频率相等时，才能获得最大的机械振动。一、压电振子的振动模式压电振子的振动方式称为振动模式。当电场方向与极化方向的关系不相同时，可使不同形状的压电振子激发出不同的振动模式。按压电振子的形状、极化方向之间的振动关系，有如下几种基本模式：「伸缩振动弯曲抿£「厚度振动（纵向）氏度振动〔横向）径向振动「伸缩振动弯曲抿£面切变能陷振动r厚度弯曲（纵向）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。极化方向（P）与电场方向（E）平行时，产生伸缩振动。其振动方向与超声传播方向一致，产生纵波。厚度伸缩振动模式如图3-2。沿厚度方向极化，电场垂直于薄片平面。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 T4=Nst式中，Ns是厚度振动模式的频率常数。悅檢方向电换面图3-2厚度伸缩振动模式在结构上，厚度振动模式的振子常采用薄圆片、方片、矩形片，在振动厚度的两对面敷上电极。为了抑制不需要的其它振动模式（如径向振动的高次谐波）对厚度振动模式的基频的干扰，并保证一定的指向性，薄圆片的直径d应比厚度6大10倍以上，即d/6>10；薄方片的边长l比厚度6大10倍以上，即1/6>10。二、压电振子的等效电路压电振子可以看作是一个电路系统和一个机械振动系统构成的机电耦合系统，经压电方程及边界条件可导出机电四端网络，在这四端网络中有力学端和电学端两个端口构成压电振子统一的等效网络，如图3-3。（a）四端网络（b）谐振频率附近的等效电路图3-3压电振子等效电路当交变应力或交变电场作用在压电元件上，在不考虑介电损耗条件下，低阻尼单一振动模式的压电振子在谐振频率附近的等效电路如图所示。C0代表晶片未振荡时的电容，反映压电材料的介电性质；L］、C］、比分别为动态电感（晶片振动质量）、动态电容（晶片机械弹性）、动态电阻（阻力系

数），它们反映了压电振子的机械振动性质。C数），它们反映了压电振子的机械振动性质。C0、L1、C1、振动模式以及边界条件有关。如果压电振子在谐振频率附近的有限频带内工作，并且振动模式是单一的，不受其它振动模式的干扰，那么等效参数与频率无关，在小信号下它们为常数。这样压电振子可以看作为线性器件。三、压电振子的谐振特性压电振子是弹性体，本身存在固有频率，当所施加的力的频率等于固有频率时，它就产生机械谐振，由于正压电效应而产生最大电信号。另一方面，压电振子又是压电体，当所施加的电的频率和压电振子固有频率一致时，由于逆压电效应，亦引起机械谐振。机械谐振时振幅最大，弹性能量也最大，压电振子此时发生的形变也最大，即发生最大形变振动，产生超声波输出。实验证明，当所施加力或电的频率不与压电振子固有频率一致时，压电振子产生的电信号幅度和变形振动幅度都将压电振子在图3-4测量示意电路中，观察负载上的电流与信号频率之间的关系：图3-5压电振子在图3-4测量示意电路中，观察负载上的电流与信号频率之间的关系：图3-5压电晶体的电流-频率特性当信号源频率从低到高变化，从高频电压表上测出流过电阻R上的电流如图3-5所示。从图3-5可见，当信号源频率改变，压电振子的等效阻抗也发生改变，引起压电振子的电流随频率变化而变化。当信号频率为fm时，压电振子电流有最大值Imax，表明等效阻抗有最小值，此时，fm称最大导纳频率，也称最小阻抗频率；当信号频率为fn时，压电振子电流有最小值Imin。此时，fn称最小导纳频率，也称最大阻抗频率。在fm附近，存在一个使压电振子呈纯阻性的频率fr，这个频率称谐振频率；同样,在fn附近存在一个使压电振子呈纯阻性的频率fa，这个频率称反谐振频率。当继续增加信号频率，可以有规律地出现一系列电流的波动，且电流的最大值（对应fm1、fm2…）是依次减小的，而电流的最小值（对应fn1、fn2…）则是依次增大的。相应的频率，fm1、fm2，…，称为次最大导纳频率，fn1、fn2,…，称为次最小导纳频率，也出现一系列次谐振频率気、fr2,…，和次反谐振频率fa1、fa2,…。为了区别，把最低的谐振频率称为基频f「，把基频以外的谐振频率気、fr2，…，称为泛频。压电晶体的电流随频率而变化的现象（见图3-5），说明了压电换能器晶体的等效阻抗是一个随频率而变化的量。§3.3医用超声换能器种类、结构与特性一、医用超声换能器分类医用超声探头的种类繁多，可以从以下不同角度来分类，它们是：按诊断部位分类，有眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、腔内探头和儿童探头等；按应用方式分类，有体外探头、体内探头、穿刺活检探头；按探头中换能器所用振子单元数目分类，有单元探头和多元探头；按收发方式分类，则有发射型探头、接收型探头、收发兼用型探头等；按探头的几何形状分类（这是一种惯用的分类方法），则有圆形探头、环形探头、方形探头、矩形探头、柱形探头、弧形探头（又称凸形）、喇叭形探头、菊花形探头等。二、医用超声换能器的结构（一）基本单元换能器根据临床诊断的要求，换能器有许多种不同结构形式，而基本单元换能器是基本的结构，见图3-6它由主体和壳体两部分组成。主体：①压电振子产生压电效应的元件吸收块吸收背向辐射（反射回来）的声能,称为背材保护层一一减轻振子磨损，进行阻抗匹配，称为面材壳体：①外壳 换能器的结构件接插机构——与超声仪器连接的插头电缆线一一超声电信号的载体唯衬吸声材料图唯衬吸声材料图3-6单元换能器的基本结构压电振子是主体功能件，用来发射和接收超声波，完成声-电和电-声转换工作。其几何形状和尺寸是根据诊断要求来设计的。由于压电振子较脆及要求绝缘、密封、防腐蚀等要求，故必须将压电振子装入壳体内。压电振子两端镀上电极，上、下电极分别焊有一根引线,与壳体上的电极插件相连，用来传输电信号。垫衬吸声材料（又称为吸收块、吸声块），用于衰减并吸收压电振子背向辐射的超声能量，使之不在探头中来回反射而使振子的振铃时间加长，因此要求垫衬具有较大的衰减能力，并具有与压电材料接近的声阻抗，以使来自压电振子背向辐射的声波全部进入垫衬中并不再反射回到振子中去，吸声材料一般为环氧树脂加钨粉，或铁氧体粉加橡胶粉配合而成。声学绝缘层，防止超声能量传至探头外壳引起反射，造成对信号的干扰。保护层，用以保护振子不被磨损。由于保护层与振子和人体组织同时接触，是介于振子与人体组织之间的一层物质，要求保护层既要起到防止磨损，保护振子的功能，又要在传递超声波中尽量没有衰减，具有良好的透射功能；因此,要求保护层的声阻抗接近人体组织的声阻抗，并且具有既有耐磨性，又有良好的透射性的最佳厚度。保护层应该选择衰减系数低并耐磨的材料，并将保护层兼做为层间插入的声阻抗渐变层，其厚度应为入/4。外壳作为探头内部材料的支承体，起支撑、容纳、密封、绝缘、承压、屏蔽及保护振子的作用，并用来固定电缆引线,壳体上通常标明该探头的型号、标称频率。有时壳体内还装有阻抗变换器、前置放大器、阻尼电阻以及调节电感等附件。（二）多振元换能器多振元换能器由多个单元振子组成，压电振子按线阵排列且尺寸较长的称为线阵探头；按线阵排列且尺寸较小的心脏扇形成像用探头叫相控阵换能器；按弧形排列，尺寸与线阵换能器相当或略小的探头叫凸阵探头；方阵换能器。如图3-7所示。（c） （d）图3-7（a）线阵；（b）相控阵；（c）凸面线阵；（d）方阵（三）机械扫描换能器机械扫描换能器可分为扇形扫描和线性扫描换能器，多采用探头旋转方式，故常称旋转式换能器。扇形扫描旋转换能器晶片只在扇形成像的角度内发射声束扫描人体。线性扫描旋转式换能器的基本结构：两片性能一致的压电振子装在旋转圆盘直径线的两侧，两振子在面对反射镜时发射、接收超声波，亦即旋转时两振子轮流工作，超声波通过反射镜平行地射入人体。（四） 声学聚焦换能器声聚焦原理与光学聚焦原理相似，可在多元阵或压电振子前装置聚焦透镜，或将晶片制成凹面振子。（五） 超声多普勒换能器超声多普勒换能器结构因发射信号和工作方式的不同而不同。脉冲多普勒换能器基本结构和单振元换能器结构相同，发射、接收共用一个压电振子。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，既可附加一探头作为多普勒换能器使用，也可直接用扫描成像换能器作为多普勒探头。在电子扫描成像系统中，同样，既可附加多普勒换能器，也可选定多振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。按其构造又可分为分隔式、分离式和重叠式多普勒换能器。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，另一面是将镀层从中间分开形成发射和接收相绝缘的两个半片，如图3-8。共用接地面接触人体，另一面的发射晶片与发射功放连接，利用逆压电效应产生连续超声波；接受晶片与接收前置放大电路相连，放大接受到的连续超声波（a）直线式（b）同心圆式 （c）S式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，且两部分之间加隔电隔声材料。收、发两部分朝向人体的一面经引线连接到公共地端，而背向人体的一面的两部分分别与发射功放输出和接收前放输入相连。分隔式中，收、发两部分只隔电，而不隔声，而分离式中的收、发两部分既是电绝缘，也是声绝缘。因此，减少了基底漏信号，接受到的多普勒信号放大效果得到提高。即提高了灵敏度，降低了噪声。一般收、发两部分相同，可以互换。当收、发两部分不同时，如接受部分晶片大于发射部分晶片，收、发两部分不能互换。3、重叠式如图3-9所示，由两个晶片重叠构成，两晶片间用同频率的晶片或厚度适宜的环氧树脂隔离。接触人体的晶片作接收换能器，另一晶片作发射换能器。图3-9重叠式压电振子（六）特殊用途换能器1、 穿刺活检换能器在此换能器中心部位，有一个2〜3mm的圆孔，用来通过不同型号的穿刺或活检器。根据超声波显示的部位和深度指导穿刺或活检，在屏幕上可看到针尖的刺入部位，以指导穿刺或活检，如避开胆囊、大血管等器官，同时可经活检器取出组织作细胞学检查，鉴别是否肿瘤。2、 腔内换能器换能器加长或变薄以插入腔内检测，如妇科及查结肠用的加长型（长约20cm）换能器。3、 手术用换能器（1）脑针型小针片置针尖处，经颅骨穿孔可插入脑组织，检查脑瘤的方位和深度；（2）薄片型手术换能器（3）检查穿刺联合式探头4、 眼杯式换能器凹面形状与眼部凸出面重合，以便对眼进行探查。5、 儿科用探头压电晶片及探头前端均较小，以便于经狭窄的肋间进行探测。因声束扩散角度变大，故应挑选压电转换效率高的材料制造，以保证获得足够的信息量。三、超声换能器的特性换能器是医学超声设备的关键部件，其特性直接影响甚至限制整个系统的性能。超声换能器特性包括声学特性与使用特性两大类。压电振子是换能器的核心部件，换能器的许多特性主要由压电振子参数所确定。（一）频率特性1、工作频率与频率调配换能器的许多参数都与频率有关，它并不是在所有频率上都以较高的换能效率工作。因此应选择工作频率在换能强对于发射换能器,应使附加电感L0与换能器本身的静态工作电容C0调谐于换能器串联谐振频率f。即0sf=—_S 2“Wo以便获得最大辐射功率。而对接收换能器，应使L0与C0调谐于换能器并联谐振频率f。p2、频带宽度目前大部分采用的PZT超声换能器带宽受到限制,从提高分辨能力方面来看,除了电路的激励源的脉冲宽度要尽量窄外,还希望系统带宽越宽越好。而从提高信噪比方面来看,则希望带宽越窄越好。实用中,一般取发射接收系统带宽等于换能器带宽,在保证信噪比的同时,尽量利用换能器频带宽度。（二）阻抗匹配为了使换能器的效率较高,除了合理地调配频率外,还应进行阻抗匹配。只有换能器的等效阻抗等于发射源内阻时,输出电功率才能最大；只有经声阻抗匹配后,才能使尽可能多的声功率透射入人体内。

1、电阻抗匹配一般接收放大器输入阻抗均较高，电阻抗匹配并不重要。对于发射换能器，可以采用变压器式和改变电容T网络式两种电阻抗匹配方法。如图3-11（a）和（b）所示。如令换能器的阻抗为ZT，发射源内阻为Z,则变压器初次级之比Tr〃1n2对于〃1n2对于（a）变压器式 （b）改变电容的T网络式ZTC0当已知zT、Z和C0后，即可求出C,然后再由C根据Tr 0所需要调谐频率选择L0。2、声阻抗匹配为使换能器更好地向照射的介质辐射声能，通常在换能器发射面匹配面材，又称保护膜，由透过层传播的分析应做到：面材阻抗Z=ZZ，z是介质中的声阻抗。面材匹配1 、Tm m后，声能损失减少，提高了效率，通常选匹配层厚度1=|。实践证明，利用合适厚度及特性阻抗的匹配层还可以改善换能器的频带宽度。（三）吸收特性换能器的压电振子被电脉冲激振后，其两端面产生振荡，并分别向前、后传播。后向波被反射后亦向前传播，故如不设法吸收后向波，则可能出现多次反射，因此应在压电振子背部装置匹配材料，以便使后向传送的波不再反射回来或反射很小。但目前压电陶瓷的匹配材料还不易配制，不可能完全匹配。故只能尽量采用声阻抗接近的材料作为压电振子的背衬块，以便尽可能地吸收掉大部分后向辐射的超声，使换能器成为单向辐射的超声源。同时，要求背衬材料具有高衰减特性，以便将换能器后向辐射的超声能吸收掉。另外要求它具有良好的透射性，声阻抗与振子声阻抗接近或匹配，以便使换能器后向辐射的超声能无阻碍地透入到吸收块中。目前常用环氧树脂加钨粉制成，其吸收系数为6dB/（cm・MHz）,有的再加入2%的橡皮粉，使吸收系数提高为8dB/（cm•MHz））（四）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。它主要与换能器的换能特性有关。辐射频率高，接受灵敏度高的换能器（或有效机电耦合系数大），探测灵敏度就大，亦即可识别声阻抗差甚小的界面，也意味着可发现较小的病变。（五）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，是超声换能器的一个主要方面的特性。§3.4超声换能器的声场特性超声辐射场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，接受超声治疗与检测的区域均属超声场的部分。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。同时超声波在传播途中，与人体组织相互作用的结果，亦将影响超声场的分布。生物组织本身绝非单一的各向同性的介质，不同组织由不同成分构成，各组织器官有不同的形状、尺寸，其反射面也非光滑的平面，因此，其超声场是很复杂的，但在一般情况下，可假定为理想介质，其声场为近似理想的辐射声场，并根据惠更斯原理来进行分析。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。每个超声换能器相应的超声场的形状都可以由其衍射图的几何计算来确定，即根据换能器表面的全部惠更斯声源辐射的球面波相干涉求得。同样推理可用来计算接收换能器灵敏度的分布。在换能器超声场范围内的空间上的指定点p（r、V）,它在任何时刻的超声场，可由各个惠更斯声源辐射的各自的超声波到达p（r、e、W）点处的声场叠加形成。§3.5超声换能器性能的测定一、超声功率的测量超声技术已广泛应用于医学领域，在诊断和治疗应用上，超声功率、强度和剂量都是关系到人体安全健康，应予严格控制的医学参数，也是评价超声仪器性能的重要指标。在研究超声生物效应、组织特性的超声测定和换能器研究时，都需要对声功率进行测定。（一）辐射压力法辐射压力法是测量超声平面波的声功率的基本方法。对于全反射型声靶，由换能器辐射声场产生的、作用于声靶上的辐射压力F为F=2W=2AIc c式中，W—声功率，W；A 声靶面积，m2；F 全反射声靶上的总辐射压力，N；I——声强，W/m2,医学领域常用mW/m2；C 声速，m/so浮沉子法声功率测量装置示意图如图3-12。图3-12浮沉子法声功率测量辐射压力是根据浮沉子在