1、第三章 醫用超聲換能器 3.1壓電效應與壓電材料特性 3.1.1壓電效應 1.正壓電效應 在機械力的作用下產生電場，將機械能轉變為電能的效應叫正壓電效應。 超聲接收換能器采用了正壓電效應。 2.逆壓電效應 由于電場作用，使材料內部產生應力，將電能轉化為機械能的效應叫逆壓電效應。 超聲波發射換能器采用了逆壓電效應。 3.1.2壓電材料 不同方向上所表現的壓電效應，強弱和性質不同，這種特性是由壓電材料內部結構的各向異性所決定的。 分類： 1.壓電單晶體（石英）：x,y軸為壓電軸，z為光學軸，x軸 又分別有三個極化軸x * 按X切割法得到的石英晶體片在兩面外加交變電場時，晶體片產生厚度的壓縮及伸張，

2、即晶體片產生厚度振動。石英的固有振動頻率與其厚度有關，晶體片越薄，固有振動頻率越高。 特點：優點：性能穩定。缺點：需使用幾千伏以上的高電壓；要求加工精密度高； 機電耦合系數（靈敏度）低。 2.壓電陶瓷 人工制成的壓電多晶體材料。 * 電疇：自發極化方向相互趨于一致的的區域。通常人工燒結出來的陶瓷是多疇的，材料內不出現宏觀電極化，無壓電性能。 * 極化處理：用大于陶瓷的矯頑電場Ec的直流電場進行一定時間的極化處理，使電疇轉向，由多疇變成單疇晶體。極化處理后，陶瓷保留一定的總體剩余極化強度，從而 使陶瓷體具有壓電性能。在外加交變電場作用時，其極化量便跟隨外加電場的極性周期性的變化，在宏觀上形成了電

3、致伸縮的現象。 鈦酸鋇是最先制造出來的人造陶瓷材料。 PZT鋯鈦酸鉛是使用最廣泛的壓電陶瓷。 優點：可以制成任意形狀，制作工藝簡單，能在所需要的方向進行極化處理。 3.壓電高分子聚合材料 聚偏氟乙烯（PVF2或PVDF），分子式為（CH2-CF2)n 在垂直于高分子薄膜上加交變電場，就會引起薄膜做厚度伸縮振動。 特點： 結構簡單，體軟量輕、成本低、適用于大量生產；力學性能較好，可制成幾微米厚大面積的壓電薄膜;具有較好的抗輻射性;材料彈性剛度小，機械損耗小，Qm低，適用于寬帶換能器;PVDF壓電薄膜的彈性剛度常數和 值低，壓電電壓系數g 高，是一種良好的接收型壓電振子材料； PVDF材料的聲阻抗

4、接近人體組織，容易獲得良好匹配；PVDF薄膜不受潮濕和灰塵的影響，在室溫條件下性能穩定。 4. 1-3復合材料 PZT細棒以一定分布方式排成陣列，在其間澆灌環氧樹脂，其壓電相是一維連通的，聚合物相是三維連通的。 1-3復合壓電材料的性能主要取決于： (1) PZT柱的寬度與高度之比； (2) PZT相的體積百分比； (3) 壓電陶瓷材料的性能； (4) 非壓電相（聚合體）材料的性能。 特點： 1) 較低的聲阻抗，與人體和水具有更好的匹配特性；2) 較高的機電耦合系數，具有較好的聲電能量轉換效率；3) 較好的聲學隔離特性，減少了橫向耦合，對于多陣元應 用具有優勢；4) 更靈活的使用特性，可按需要

5、制作成曲線形狀的換能器。 3.1.3 壓電方程 壓電材料既是彈性體，又是介電體，因而既具有力學量，又具有電學量。 T/S c 稱為彈性模量，D/E= 稱為介電常數。 壓電的力學量（T或S）和電學量（E或D）之間存在著比例關系。當同時存在T、S、E、D四種物理量時，選用不同參數作變量，可得出四組矩陣形式的壓電方程。 3.1.4 壓電體參數 1、機械品質因數Qm Q 決定換能器通頻帶。Q越大，通頻帶越窄。 Q 與機械損耗成反比。Q越大，機械損耗越小，能量衰減越慢。 諧振時壓電體貯存的機械能 壓電體諧振時每周期損耗的機械能 2、機電耦合系數k k是表示壓電體中機械能和電能之間相互轉化的程度。 k無量

6、綱，最大值為1，當=0時，無壓電效應。 在一個有E、D、T和S的壓電體線性系統中，單位體積所具有的能量E 由彈性能E、壓電能E及介電能E三部分組成。即： 3、壓電系數 壓電體把機械能轉變為電能，或把電能轉變為機械能的轉換系數。 1) 發射系數 (1)壓電應變系數d: 應力恒定時，單位電場強度變化所引起的應變變化； 電場恒定時，單位應力變化所引起的電位移變化。 d大時宜于制造發射型換能器。 (2)壓電應力系數e： 應變恒定時，單位電場所引起的應力變化； 電場恒定時，單位應變所引起的電位移變化。 e越大，越能用較低的電壓產生較大的聲壓。 2) 接收系數 (1)壓電電壓系數g: 電位移恒定時，單位應

7、力變化引起的場強變化； 應力恒定時，單位電位移變化所引起的應變變化。 g越大，在同樣的聲壓條件下可產生較大的電場強度。 (2)壓電勁度系數h: 電位移恒定時，單位應變引起的電場強度變化; 應變恒定時，單位電位移引起的應力變化. 小結： * d和e表示逆壓電性能，關系到換能器的發射性能，所以稱為發射系數。 * g和h表示正壓電性能，涉及到換能器的接收性能，所以稱為接收系數。 4. 頻率常數N 頻率常數是確定壓電體幾何尺寸的一個重要參數。它只與材料性質有關，與幾何尺寸無關。 對于厚度振動模式 5、居里點 居里點是表征壓電體可承受的溫度極限值，當超過此溫度時，電疇結構解體，介電、彈性及熱學等性質均出

8、現反常現象，壓電性能消失。 壓電體材料的上居里點（高溫臨界點）和下居里點（低溫臨界點）相差越大越好，即工作溫度區域寬。 壓電體的壓電性能及熱膨脹性能是各向異性的，不能承受突然的溫度變化。 3.2 壓電振子 壓電體在極化面覆蓋上激勵電極后，即成為壓電振子。 3.2.1壓電振子的振動模式 長度振動（橫向） 伸縮振動 厚度振動（縱向） 徑向振動 振動模式 厚度切變 切變振動 面切變 厚度彎曲（縱向） 彎曲振動 長度彎曲（縱向） 能陷振動 醫學超聲工程中，多采用伸縮振動模式，其中又以厚度伸縮振動模式為主。 1、厚度伸縮振動： 極化方向與電場方向平行時,產生伸縮振動。 沿厚度方向極化，沿厚度方向施加交變

9、電場，振動方 向和超聲波的傳播方向均與電極面垂直。 諧振頻率與厚度的關系為: 2. 長度伸縮振動 壓電振子的極化方向與厚度方向平行，電極面與厚度方向垂直。 薄長片振子的長度伸縮振動模式的諧振頻率fr與長度 l 之間的關系為： 3. 徑向伸縮振動 沿圓片徑向作伸縮振動，在振動的厚度方向極化，外 加電場和極化方向平行，振動方向與半徑方向平行，與厚 度方向垂直。圓片徑向振動的振子諧振頻率與振子直徑 （或半徑）成反比。即： 4. 厚度切變振動 振子的極化方向與激勵電場方向相垂直，而電極面與 極化方向平行，在交變電場作用下，振子產生沿厚度方向傳播的切變振動。 5. 能陷振動 能陷振子的電極面積遠小于壓電

10、體本身面積。電極體固有頻率小于壓電固有頻率。 彈性波能在電極區域自由傳播，且隨位置向邊緣靠近，彈性波幅度呈指數或其它函數而衰減。 分析壓電振子特性的方法主要有兩種 力電類比等效電路法：將機械振動變成等效交變 電路形式，求解壓電（電學力學）轉換過程的特性參數。 波動傳輸法：將壓電振子各部分作為分布參數，求解滿足波動方程及耦合條件的邊值問題，常采用有限元等計算方法，理論上比較嚴謹而復雜。 3.2.2 壓電振子的等效電路 C 是壓電振子兩極間的電容，又稱靜電容。 Cm相當于晶片的機械柔韌性，稱為力順，又稱為動態電容。 Lm是描述振動系統慣性的量，稱為力質量，又稱為動態電感。 R 是輻射電阻，又稱為動

11、態電阻，R=R+R 。 Rm反映振動系統摩擦阻尼，稱為力阻，描述機械損耗。 RL描述振動系統輻射阻尼的力阻，在真空中等于零。 3.2.3 壓電振子的諧振特性 f ：最小阻抗頻率，亦稱最大傳輸頻率或最大導納頻率。 fn：最大阻抗頻率，亦稱最小傳輸頻率和最小導納頻率。 f ：壓電振子諧振頻率，在f附近。 f ：壓電振子反諧振頻率，在f附近。 *串聯諧振頻率 *并聯諧振頻率 隨著頻率的增加，相應的特征頻率為f 、f 、f 、 當輻射電阻或動態電阻RT=0時 醫學超聲領域多采用厚度伸縮振動模式，其反諧振頻率為: 接收換能器的最佳工作頻率應當工作在反諧振頻率。 有效機電耦合系數可表示為: 發射換能器的最

12、佳工作頻率應當是串聯諧振頻率，即 3.3 醫用超聲換能器種類、結構、與特性 3.3.1 醫用超聲換能器分類 3.3.2 醫用超聲換能器的結構 1. 基本單元換能器 單振元超聲換能器內部基本結構壓電振子產生壓電效應的元件 主體 吸收塊吸收背向輻射的聲能，稱為背材 保護層減輕振子磨損、進行阻抗匹配，稱為面材 外殼為換能器的結構件 殼體 接插機構經接插機構與儀器連接 電纜線超聲電信號的載體 2 多陣元換能器 包括：線陣、相控陣、凸陣、方陣 3. 機械掃描換能器 4. 聲學聚焦換能器（聲速與透鏡形狀的關系） 5. 超聲多普勒換能器 脈沖多普勒換能器基本結構和單陣元換能器結構相同，發射、接收共用一個壓電

13、振子。 在和B型超聲成像復合而成的超聲系統中，對于機械 掃描方式，可附加一探頭作多普勒換能器，也可直接用掃 描成像換能器作為多普勒探頭。 電子掃描成像系統中，同樣，既可附加多普勒換能 器，也可選定多陣元中的某一條掃描聲束，從中提取多普勒血流信號。 連續波多普勒超聲換能器的特點在于用兩個晶片分別作為發射和接收換能器。 1) 分隔式：采用一個壓電晶體片，一面是共同接地端，與人體相接觸，另一面只將電極鍍層從中間分開形成發和收相絕緣的兩個半片。 2) 分離式 ：結構上把同一晶片切開，形成同面積的收發兩個部分，而且兩部分之間加隔電隔聲材料。 3) 重疊式由兩個晶片重疊構成，兩晶片間用同頻率的晶片或厚度適

14、宜的環氧樹脂隔離。 3.3.3 醫用超聲換能器的特性 1. 頻率特性 1) 工作頻率與頻率調配 對于發射換能器，應使附加電感L 與換能器本身的靜態工作 電容C調諧于換能器串聯諧振頻率f 。 對于接收換能器，應使L 與C調諧于換能器并聯諧振頻率f 。 2) 頻帶寬度 * PZT超聲換能器本身帶寬受到限制。 從提高分辨能力方面來看，電路的激勵源的脈沖寬度要盡量窄；系統帶寬越寬越好。 從提高信噪比方面來看，帶寬越窄越好。 一般取發射接收系統帶寬等于換能器帶寬。 2. 阻抗匹配 1) 電阻抗匹配 換能器等效阻抗等于發射源內阻時，輸出功率最大。 2) 聲阻抗匹配 3.吸收特性 換能器的壓電振子被電脈沖激

15、震后，其兩端面產生震蕩，并分別向前、后傳播。 1） 后向波被反射后亦向前傳播，可能出現多次反射；2） 聲震動衰減比電脈沖慢，使輻射的超聲波脈沖持續時間大于電脈沖的寬度，因而使距離分辨力變壞，盲區增長。因此，在壓電振子背部加吸收塊。要求衰減系數高，聲阻抗與壓電振子接近。常用環氧樹脂家鎢粉制成。 4. 靈敏度 靈敏度是指在某一具體條件下，能探測出目標大小的能力。輻射效率高，接收靈敏度高的換能器（或有效機電耦合系數ke大），探測靈敏度就大。 5. 輻射特性 換能器的輻射特性主要描述輻射聲場在空間的分布狀態。 它主要影響橫向分辨率，探測靈敏度隨空間位置的分布等參數。 3.4 醫用超聲換能器的聲場特性

16、超聲輻射場是指超聲能量分布的空間，即超聲換能器所發射的超聲波到達的區域。 各種換能器輻射的超聲場取決于換能器本身的特性、尺寸、形狀等。 3.4.1 單陣元換能器的超聲場 任何形狀和大小的換能器，其有效的振源表面均可看成許多小面積的聲源，每個小面積的聲源都可看作一個簡單的換能器，它們以合適的方式，應用惠更斯原理來輻射或接收超聲能量。 1、平面圓形換能器的超聲場 1)聲源軸線上的聲壓分布 點聲源在m處產生的聲壓 對整個圓面積分，求得軸線上的任一點m的聲壓為： （1）在Z，簡化為 Z 常被作為近場向遠場過渡的起始點，擴散角為 聲束指向性 （1）指向性函數D：在換能器遠場中任一方向上的聲壓幅值 p 與最大值方向上的聲壓幅值p 比。 對于圓片換能器 J 為第一類第一階貝塞爾函數 （2）波瓣圖 角度為 時，主瓣波束聲壓降到零，稱為方向銳度角。 波束寬度：主波束最大響應與其兩邊比最大響應低某一分貝數的兩點間的開角。常指低3分貝的開角，亦即半功率點之間的開角，用-3dB表示。 2) 聲束指向性 （2）波瓣圖 2. 振幅漸變式圓片換能器超聲場 盲區的產生：圓片振源在近場內的軸線上或橫截面上出現若干聲壓的