水声换能器分类、应用及分析设计方法.pdf

绪论一水声换能器分类、应用及分析设计方法为什么要学习认识换能器?主动声呐方程:(混响背景)(SL-2TL+TS)-RL=DTSL声源级，反映发射换能器辐射声功率大小。提高声源级，即提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号 强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。1,什么叫换能器换一转换；能一能量；器一器件通俗的讲：转换能量的器件我们关注的是电能和声能间的相互转换：能够发射或接收声波，并完成声波所携带的信息和能量与电的信息和 能量转换的装置，称为电声换能器，简称换能器。2.换能器如何实现换能换能材料，也叫功能材料、有源材料受交变电场/磁场激励产 生伸缩应变正向压电效应 逆向压电效应 磁致伸缩效应稀土材料3.换能器为什么要成阵为实现或增强某些电声性能（指向性、作用距离），将多个换能器按一定规律和形状排列起来，形成一个阵列，就成为换能器基阵，简称基阵。按照形状分为：平面阵、圆柱阵、球形阵、线阵、共形阵平面阵 圆柱阵 球形阵106271.艇脑圆柱阵（收、发共用）5.声速梯度仪基阵8.鱼雷报警基阵2.中频基阵6.都卜勒测速仪基阵9.测深（防碰）基阵3.舷侧阵 4.侦察阵7.被动测距基阵10.拖曳线列阵水声换能器基阵在潜艇上应用实例4.水声换能器的分类发射换能器(transducer/projector)A.按照工作方式分接收换能器（水听器，hydrophone）名称：m型低频弯张换能器名称：三态模指向性园柱发射换能器名称：空化噪声检测仪换能器几种常见水听器几种常见发射换能器B.按功能材料分最早的：换能材 料，磁I数伸函J1940s,较 强压电性能1970s。饿、镐与铁的合金。应变量比银、大4050倍，比PZT大58倍；能量密度 比镇大400500倍，比压电陶瓷大1014 倍；与PZT相比，杨氏模量小、声速低，尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换I 能器 J如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用 换能器1950s,机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料/三压电单晶=钛酸领压=整整整掣=懑去理瞥致 1弛豫铁电单晶 一/一电陶鹫 一压电陶瓷一伸缩材料 匚功(PMN-PT/系列(PZT)(Terfenol-D)WZN-997,压电系数、机赢合系数血、常的错钛酸铅压电陶瓷PZT(d33=600pC/N3k33=70%)高出许多，分 别达到2000 pC/N和92%以上。其应 变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，.达到了 1.7%JC.按结构分复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）复合棒换能器分解图 Paul.Langevi n后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比;预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出；前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。复合棒换能器实物照片及分解图双向辐射复合棒换能器特点：功率容量大、效率高、易形成宽带、结构简单紧凑、耐静水压、便于成阵等。主要应用于舰艇主动探测、通讯声呐基阵、鱼雷声制导基阵等。弯张换能器flexion+extensional=flextensional弯张换能器的位移放大作用稀土 IV弯张换能器新型弯张换能器六元弯张换能器线阵特点：频率低、大功率、尺寸小、重量轻等。主要应用于低频主动声呐、各种低频水声实验圆管换能器压电陶瓷圆管内外表面铺设电极，激发圆管的径向 振动；大尺寸圆管换能器需由压电陶瓷条镶拼而成。各种压电陶瓷圆管镶拼圆管非溢流圆管换能器溢流圆管换能器特点：水平无指向性、大功率、耐静水压等。主要应用于吊放声呐、声呐浮标声呐、各种水听器等。Helmholtz 换能器OM CERAMIC TUBE fcJ CEHAMIG FLEXURAL DISK 利用液腔谐振，实现小体积、低频发射 液腔谐振与其他模态（结构振动、高阶液腔谐振等）一起使用，可实 现宽带 溢流结构，几乎不受工作深度限制 工程实践中腔体形态灵活多样，不拘泥于传统的Helmholtz腔体结构Janus Helmhotz transducer电动式换能器输出力:F=BIL电动式换能器的优点:(1)频率低,可做到几赫兹(2)非谐振结构,易实现宽带(2)体积小、重量轻电动式换能器的缺点:(1)效率低,通常不足1%,声源级低(2)波形差,易受工作环境影响(2)工作深度不足UW350SL:平均 165dB频带：20Hz-20kHz重量：100kg耐压:188mUW600SL:(max)188dB频带：4Hz-20kHz重量：1070kg耐压：200m哈尔滨工程大学水声换能器研究室研制 的甚低频电动式声源，最低工作频率5Hz性能指标及结构特点 工作频带：5Hz-1 kHz 声源级：160dB 工作深度：050米 结构尺寸：夕卜径0206mm,高度580mm 重量：25kg 耐海水腐蚀金属涂 层（盐雾试验可以达到 800小时）其他换能器结构开缝圆管换能器空气动力型换能器组合式换能器当今水声换能器朝着低频、大功率、宽带、小体积、高耐静水压方向 发展，实现低频宽带的机理和结构成为人们探求的热点。实现宽带的机理：利用多模态耦合、改善激励方式、增加匹配层等实现低频的结构：利用低频模态、利用液腔谐振、采用电动（磁）式等。不同类型换能器性能对比类型工作频率带宽声源级指向性复合棒换能器5kHz-100kHz2个倍频程高好弯张换能器200Hz-5kHz不易形成宽带较高低频基本无指向性圆管换能器lkHz-100kHz1个倍频程较高水平无指向性Helmholtz换能器200Hz-lkHz1个倍频程高低频基本无指向性电动式换能器5Hz-10kHz超宽带低基本无指向性水声换能器的分析设计方法等效电路法将换能器看为做机械振动的弹性体，利用机电类比，给出换能 器的动态电路图。由电路图计算出换能器的电声性能。Equivalent Ciirciuit换能器等效电路图Rodiol oscilhtionJ1 Thidnca oscillation压电陶瓷的径向及厚度振动压电陶瓷圆管的径向振动压电圆管电极刚性背板压电圆管优点：物理意义明确，可明确看出计算结果与哪些参量有关。缺点：通常只能做一维分析，仅适合于简单结构的换能器。有限元法有限元法是以变分原理和剖分插值原理为基础，将待分析模型想 象的划分成一系列单元，构造单元插值函数，将单元内部点的状态用 单元节点状态的插值函数来近似描述，这样就将实际的物理问题转化 为求解单元节点状态的代数方程组问题。man两款常用的设计换能器有限元软件弯张换能器1/8有限元模型指向性圆管换能器有限元模型指向性圆管换能器模态分析结果指向性圆管换能器流体中有限元模型 声场分布图用云图表现动态位移分布模拟静水压环境下壳体应力分布G&B(mS)TVR(dB)282420161284 0-4-8-123300 3340 3380 34Z0 3460 35003320 3360 3400 3440 3480FREQ2000 2500 3000 3500 4000 45002250 2750 3250 3750 4250FREQ(Hz)电导纳曲线发射电压响应曲线优点：分析任意结构的换能器。结果直观、准确，结构优化方便有效，工程应用最广泛。设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具有限元分析软件ANSYS、ATILA等，进行结构优化、电声性能预报等科学计算软件Matlab等，进行数值运计算。工程制图软件 AutoCAD、Solid Works,构画图纸进行机械加工贵SolidWorksMATLABThe Language of Technical ComputingCopyright 1984-2007,The MathWorka Inc.Protected by U.S.patents.See MathWbrks描述水声换能器电声性能的主要参数（1）电导纳（单位：西门子，常用ms）a.从电导纳曲线图上可立即判断换能器是否正常：漏水、陶瓷碎裂b.希望电导值越大越好（输入换能器端的电功率P二VI G）c.依据电纳曲线设计同功放匹配的电路d.通过阻抗分析仪测量I【Gd FindThtext.Next I%ext胃 Next 1印e Mode|他 peak Left Right High LowEl正常情况下换能器典型电导纳曲线陶瓷碎裂时典型电导曲线(2)声功率(单位：w)a.体现换能器系统(含功放、匹配电路)的声辐射能力，Pa=l/2.Rs.U2 b.据此可计算换能器的电声效率：fPa/Pe(3)声源级(单位：dB)a.使得不同种类的换能器有了统一的比较标准,b.与声功率的关系：SL=10 log(I/Io)=10 log(Pa/A/Io)SL=170.8+101ogPa+DIb.直接决定声信号传播距离和回波信号强度|声源级越大越好吗？混响过大，淹没回波信号、空化腐蚀(4)发射电压响应级(ransmitting Voltage Response,dB)a.体现换能器自身的声辐射潜力b.计算公式：TVR=201og(P.d/V)+120 dB=201og(e.dA)+120-M dB c.与声源级的关系：SL=201og(V)+TVR d.显示换能器的工作带宽,进行结构优化的依据(5)发射/接收指向性反映换能器辐射能量的集中程度，发射和接受指向性水平方向24.1 kHz指向性 9 0 0270Frequency m kHz1*诉制bgcr Mp0nse300祗必：f$MKHiqf匕怜iEk2内ivrCrSauic换能器交付使用时应给出的测量参数水声换能器设计制作流程 依据要求的电声指标确定换能器的类型 利用有限元、等效电路法等方法确定各部分尺寸 构画结构图纸，交付加工零部件 设计合理的预应力施加工艺、装配工艺进行装配 做聚氨酯灌封等密封处理 测试换能器的电声性能各种工艺（预应力施加、粘接、灌封、装配等）在换能器 制作中是关键一环。某种意义上，“做换能器是个手艺活 儿。”概述压电式传感器是一种典型的发电型传感 器，以电介质的压电效应为基础，外力作 用下在电介质表面产生电源，从而实现非 电量测量。压电式传感器可以对各种动态力、机 械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。F=0无电荷F+T+F某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形 时，内部产生极化现象，同时在I 它表面会产生符号相反的电荷；IA当外力去掉后，又重新恢复不 带电状态；当作用力方向改变后，电荷 极性也随之改变；3这种现象称压电效应。+卜压电等号压电陶/在压电陶先超声换能暴压电秤重浮游计 压电效应是可逆的A在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形 变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效 应”。所以压电元件可以将机械能转化成电能压电学的物理基础压电效应1880年居里兄弟皮尔(PCurie)与捷克斯(JCurie)发现压电效应。经他们实验而发 现，具有压电性的材料有：具有压电性的材料有:闪锌矿(zincblende)钠氯酸盐(sodiumchlorate)、电气石(tourmaline)、石英(quartz)、酒石酸(tartaricacid)、蔗瘫(canesuger)、方硼石(boracite)、异极矿(calamine)、黄晶(topaz)及若歇尔盐(Rochellesalt)这些晶 体都具有非晶方性(anisotropic)结构，晶方性(isotropic)材料是不会产生压电性的。第一次大战后不久，石英换能器便发展出两项 重要的应用。哈佛大学的皮尔士教授(G.W.Pierce)用石英晶体 制作超声波干涉仪，可定出波在气体介质中的速度。可求出波在气体中的表减系数。当时用它来测量声 波在二氧化碳中波速对频率的关系，而求出波速的 色散关系。用这种方法，可研究气体在不同混合比 与温度下声波的波速与衰减率。1927年，伍德(R.W.Wood)与鲁密斯(A.L.Loomis)首先使用高功率超声波。使用蓝杰 文型的石英换能器配合高功率真空管，在液体中产 生高能量，使液体引起所谓的空腔(cavitation)现 象。同时也研究高功率超声波对生物试样的效应。1919年，卡迪(Cady)教授第一次利用 石英当作频率控制器，图四就是最早期 的晶体控制振荡器电路。在第二次世界 大战中，大约使用了一千万个晶体振荡 器，用以建立坦克与坦克之间及地面和 飞机之间的通讯。压电效应 在非晶方晶体中，施一外力使晶体变形,由于晶格中电荷的移动造成晶体内局部 不均匀电荷分布，而产生电位移。只有在材料每单位体积中造成有效地净 的电双极距变化。才具有压电特性。医用压电材料 石英晶体昂贵、加工不方便、优良的机械性能，较低的电容，高的品质因数，良 好的温度系数压电陶瓷：电声转换系数高易于电路匹配材料性能稳定、廉价、易于加工、可控制成任意形 状、尺寸。可通过掺杂、取代、改变材料配方等办法进行参数 调整。自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究现石英晶体、钛酸银、偌钛酸铅是优能的压电材未 A压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。外形结构石英晶体压 电 晶 片石英压电机理 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形 排列。当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分 布在正六边形的顶角上,形成三个互成120。夹角的电 偶极矩P1、P2、P3(a)(b)压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多 而存在电场。的电畴,它有一定的极化方向，从在无外电场作用时，在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质在陶瓷上时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电囿余极化强度这时的材料才具有压电特性场方向的排列，从而使材料得到。外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即很大,医用超声换能器中用得最多的，偏锯酸 铅压电陶瓷。优点：几点耦合系数的各向异性大，径向共振弱，厚度共振强，可获得单纯厚度 模式共振，超声图像清晰，电容率小，与高频电路容易匹配，机械阻尼 高，频带范围宽，易于获得高频下的窄脉冲 换能器。声阻抗低，易于与人体软组织匹配居里温度高，压电性能随温度变化小，性能 稳定O高分子压电聚合物材料，是一种半结晶 聚合物，如：聚二氟乙烯（PVDF）：压电聚合物薄膜，据欧柔软性的塑料薄膜特 性接收灵敏度高，容易达到较高厚度谐振基频特性阻抗约为水的3倍。三压电材料的主要参数1弹性系数1,压电材料是弹性体，它在力学效应上服从胡克定律，即应力加应变e 之间服从弹性关系:r=ce 或 e=?r式中c为弹性模量，又称弹性刚度常数或弹性劲度常数，表示物体产生 单位应变所需的九S为弹性顺从系数，又称弹性都常觐表示材料 的应力与应变之间的关系并且s=l/c上述关系雌物理意义是：在弹性限度内，弹性体的应力与应变成正 比。2.压电材料是铁电体，它在电学效应中，其电学参数-电场强度E和电位 移强度D之间服从介电关系式：E邛D 或 D=eE(2-7)式中e为电容率，又称介电常数(单位：法/米)，它反映材料的介电性 质，对压电体则反映其极化性质，与压电体附上电极所构成的电容有P为介电诱导系数，又称介电隔离率，它表示电介质的电场随电位移矢 量变化的快慢，并且芹不过这个系数一般较少使用。上述介电关系式的物理意义就是：当一个电介质处干电场E中时，电介 质内部的电场可以用电位移D表示。3.压电材料在磁学效应中有：B=pH式中B为磁感应强度，H为磁场强度，pi为磁 导率 4.压电材料在热学效应中有：Q=(pa/pc口式中Q为热量；卬为温度；Q为焙；p为介质密 度；c为材料比热。对于压电体，我们通常不考虑磁学效应并且认 为在压电效应过程中无热交换一般只考虑前面所述的力学效应和电学效应，而且还必须同时考虑它们之间存在的相互作用。把两个力学量-应力t和应变e与两个电学 量-电场强度E和电位移强度D联系在一 起，描述它们之间相互作用的表达式就 是所谓的压电方程。处在工作状态下的压电体，其力学边界条件 可以有机械自由与机械夹紧两种情况，而电 学边界条件则有电学短路和电学开路两种情 况，根据不同的边界条件，选择不同的自变 量与因变量，就可以得到不同类型的压电方 程。电位移D 压电体上敷设金属电极，电极面与极化 强度方向垂直 自由电荷面密度等于极化强度 自由电荷面密度等于电通密度D压电方程组一同时受应力和电场作用 压电体同时受 和 作用时，利用叠加原理来处理。应力、电场强度为自变量应变、电位移为因变量f Si=扇+dmiEm Dm-+6mm,=1,2,3;z,j=l,2,-,6)应变=弹性柔顺系数X应力 应变常数X电场强度 电通密度=应变常数X应力分量 介电常数X电场压电方程组一同时受应力和电场作用第二类压电方程组以应变和电场强度为自变量 以应力和电位移为因变量S 一 端号-e1n Dm=(m9k=,7=1,2,，6)应力=电场下弹性刚度系数X应变 压电应力常数X电场强度电位移量=压电应力常数X应变 恒定应变下的介电常数X电场强度压电参数应变电场常数物=e/E=W/U（米/伏）在机械自由状态下（尸。），沿极化方向施加电场弓I起沿极化方向的相 对应变，或者说表征厚度方向上单位电压产生应变的大小；式中W为简 单伸长（米），U为外加电压（伏）。2电场应力常数g?=-E/r=-U/P（伏米/牛顿）在电开路状态下（1=0），沿极化方向德加应力引起沿极化方向的相对 开路典雅，或者说表征厚度方向上单位应力产生开路电场强度的大小;式中U为开路电压，P为声压。以上两个参量（士二、g二）是在电声换能器中主要的应用参量。3应力电场常数七二=-r/E（牛顿/伏米）表征沿极化方向（厚度方向）上单位电场强度产生应力的大小。5介电常数E介电常数是综合反映介质电极化行为的一个重要的宏观物理量。在静电 场下测定的介电常数称为静态介电常数，在交变电场下测定的介电常数 称为动态介电常数，两者是不同的。动态介电常数的大小与测量频率有6弹性模量压电效应产生的应变是在弹性应变范畴，显然其应变的状态将与材料的 弹性模量密切相关。频率常数N：单位Hz m、MHz mm和KHz,mm等我们知道压电体的谐振频率不仅与材料本身特性有关，而且还与材料的 外形尺寸有关，因此对其评价就很不方便。引入频率常数这个参数的目 的就是避开材料外形尺寸的影响而仅作为与材料性质相关的一个压电性 能叁数以便千评价。根据压电体的不同振动模式，可以分为：(a)厚度振动频率常数(2-30)(b)长度伸缩振动频率常数N5fl(2-31)(c)径向伸缩振动频率常数此二fd(2-32)一式中f为谐振频率；t为振子厚度；1为振子长度；d为振子直径。超声检测技术中主要应用的是厚度振动模式，以N.为常用的重要参数，例1：已知钛酸物lN.=2520Hz m,欲制作中心频率为2.5MHz的压电晶 片，其晶片厚度应为多少？解：N=2520Hz-m=2.52x1 OaHz-mm,fif=2.5MHz=2.5xlOeHz,贝lt=NVf=l.008mm例2：已知错钛酸铅(PZT-5A)的C.=378dm/s,欲制作中心频率为5MHz的 压电晶片，其晶片厚度应为多少?一解：C：=3780jn/s=3.78xl0:mjn/s,且f=5MHz=5xlGTHz=5xlCT/s,A=C/f贝h=X/2=C/2f=CI.378mm以上两例说明可以有两种方法求得压电晶片的某一中心频率作厚度谐振 时的晶片厚度。根据C=Af C.为波长)，可知压电晶体以基频作厚度谐振时的厚度t=IV2,由此可以确定某一基频谐振的压电晶片厚度。介电损耗电介质晶体突然受到电场作用时，极化强度并 不是一下子就达到最终值，即极化是一种弛豫 现象（极化弛豫）。如果介质受交变电场作用，而交变频率又比较 高，就会使极化追随不及时而发生滞后，从而 引起了所谓的介质损耗，并使动态介电常数与 静态介电常数发生差异。供给电介质的能量有一部分消耗在强迫固有电矩的 转动上并转变为热能而被消耗掉，另一原因则是介质漏电，尤其在高温和强电场作用 下其表现更为显著，由于漏电，电能被转化成热能 而消耗掉（电导损耗）。我们可以用一个并联的损耗电阻R.代表电能在介质中的消耗，则通过介 质的电流可分成消耗能量的部分I；和通过介质纳电容不消耗能量的部分 1.0我们以介.质损耗角正切来表示：tgG=IJI.=l/coC.R.(2-33)式中6为交变电场的圆频率；C.为上了电极的介质样品的静电容值；6即 是电流对电压的滞后角介质损耗角正切又称为介质损耗、介质损耗因干，它与电场强度、温度 及频率均有关。9电学品质因数Qe介质损耗角正切的倒数即为电学品质因数:Qe=1/tg6=ooC在谐振时有：Qe=(/4K;)(Z/Z-)(2-35),式中K为机电耦合系数；为负载声阻抗；z二为压电体的声阻证。电学品质因数Qe的定义为：Qe二谐振时压电振子储存的电能/谐振时每周期内 损耗的电能它反映了压电体在交变电场作用下消耗电能(转 变为热能)的大小。Qe越大，意味着电能损耗越小。Qe的存在表明任何压电材料都不可能把电能完全转 变成机械能，其能量损耗的原因即是上述的介质损 耗。10机械品质因数Qm压电体作谐振振动时，要克服内部的机械摩擦 损耗（内耗），在有负载时还要克服外部负载 的损耗，与这些机械损耗相联系的是机械品质 因数Qmo（空载机械Q值）及Qm（有负载时 的机械Q值）。它的定义为：Qm=谐振时压电振子储存的机械能量/谐振 时每周期内损耗的机械能量它反映了压电体振动时克服机械损耗而消耗能量的 大小。Qm越大，意味着机械能损耗越小。Qm的存 在也表明任何压电材料都不可能把输入的机械能全 部用于输出。对于一个压电换能器而言，它的Qm和Qe并不 是常量，它们与工作频率、频带宽度、压电换 能器的制作工艺、结构、辐射介质（负载）等 有关。当Qm太高时，容易使振子产生的振动波形过 长（振铃现象），导致波形失真和分辨率降低,同样，Qe也并非越大越好。Q值大，意味着压 电效应过程中能量消耗小，在大功率和高频应 用或者纯发射功率应用的情况下能减少发热量,这是有利的一面。但是对于以检测为目的的换 能器，Q值大则对展宽频带、改善波形、提高 分辨率等都是不利的。由于Q值的大小还随负载性质而改变（例如水 浸探头、接触法探头所面临的负载介质是不同 的），在设计换能器时还必须考虑到负载媒介 的影响（辐射阻抗问题）。11机电耦合系数K这是从能量角度来考察压电材料的一个重要参量，它的定义是：在正压电效应时，外电压E二。，有：腔二理想条件下储存于压电体中的电能/理想条件下输入到压电体中的总机械能或者说是：联二引起电荷在连接的电极间移动的被转换的机械能/与施加应力 相随的输入机械能在逆压电效应时，外应力0,有：联二理想条件下储存干压电体中的机械能/理想条件下输入到压电体中的总电能或者说是：联;引起机械应变的被转换的电能/输入电能综上所述，我们可以总结出在超声检测 的实际应用中选择压电材料制作压电换 能器时主要的选择原则如下：1色:一生二值越大，表明发射性能越好。显然，欲制作发射换能器时应选择 三值底可露大的材料为好；2 g二-g=值越大，表明接收性能越好。显然，欲制作接收换能器时应选择 值底可露大的材料为好；在需要制作发射与接收兼顾的换能器时，作为综合考虑，应选择工：与gM直 比较接近且尽可能大为好。3声阻抗Z(Z=pc)一考虑到超声波的反射率和透过率均与介质与介质间的 声阻抗差异大小有关，声阻抗的差异越小，超声波的透过率越高。为使压电 换能器产生的超声波尽可能多地进入被检介质，应选取声阻抗与接触介质声 阻抗尽量接近的压电材料。应当注意的是：电场的存在会影响压电材料中的 表观声速，以至在工作状态下压电材料的声阻抗会有所变化。4厚度振动机电耦合系数Kt-在超声检测技术中，最主要应用的是厚度振 动型压电晶片，因此Kt值越大，表明机电转换性能越好，也就是换能器的灵 敏度越高。5径向振动机电耦合系数Kp压电晶片在作厚度振动时，也有径向振动同 时存在，它对厚度振动会发生干扰而导致波形失真、杂波增多或增大等，为 此希望Kp值应越小越好。在综合考虑时，通常取Kt/Kp值越大越好。介电常数压电晶片涂附电极后即构成一个电容器,其电容量的大小符合C=A/t,即与介电常数、电极相 对面积A和电极间距（晶片厚度）t相关。在电路中，电容量小时意味着容抗大，适合用作高频压电元件，特别是超声检测换能器多工作在兆赫兹频率范围，因 此要求压电材料的小些为好。相反，在用于制作低频 压电元件（如音频范围的扬声器、话筒等）时，则宜 选用较大的材料以满足大容量、低容抗的匹配要求。E的数值还与换能器的机械自由度有关，即机械夹紧状 态与机械自由状态的介电常数是不同的，故有 e VsupTV/Slip的区另I。止匕夕卜，&与 频率的关系也比较敏感，故要以具体工作频率为条件 实际测定值。口厚度振动频率常数N主要利用厚度振动型压电换能器，故压电材 料的N值越大，意味着相同厚度的压电晶片 有较高的谐振频率，或者说在同一谐振频率 下其晶片厚度较大，从而便于加工制作高频 元件，故应选择N值较大的材料为好 8铁电居里点Tc-铁电晶体只在某一温度范围 内具有铁电性，当温度达到铁电居里点时，晶 体将失去铁电性，并且晶体的介电、压电、光 学、弹性以及热学等性质均出现反常现象。大 多数铁电体只有一个居里点，但有少数铁电体 具有上、下居里点，它只在上、下居里点之间 的温度范围内具有铁电性。例加错钛酸铅的上 居里点在115-120,下居里/在-5,若在 钛酸钢中添加5%的钛酸钙，则其下居里点可 到-40。止匕外，也有一些铁电体是没有居里点的，如一 些特殊的高分子压电材料（因达到某一温度时 即已发生融化甚至烧毁）。9机械品质因数Qm和电学品质因数Qe-在实际应用中，若Qm和Qe值较大时，将 会有“振铃”现象存在，导致波形失真、分 辨率降低等不利于检测的情况产生。一般不希望Qm和Qe太大，除了在选材时予 以考虑外，在设计制作换能器时，常常需要 通过结构上加大阻尼，电路上改变阻抗等办 法来适当降低Qm和Qe值。当然，降低Qm 和Qe值是以牺牲灵敏度（降低输出功率）为代价的。因此，应按实际应用的需要来选 择和调节适当的Q值（根据经验，超声检测 换能器的实际Q值不宜大于10）。10压电材料的老化性能-极化后的压电材料其 压电性能会随时间的推移而有不可逆的变化，这种现象称为“老化”，如介电常数、介电损耗、压电常数、机电耦合系数 及弹性等通常随时间推移而变小，频率常数和机械 Q值会随时间推移而增大。这些参数的变化基本上与时间的对数值有线性关系。一般以十年为一个单位来考虑，称为“十年老化”。显然，这个指标反映了压电材料的时间稳定性，在 制作压电换能器时也应适当考虑选择时间稳定性较 好的材料。在具体的超声换能器上，这种老化现象 会具体表现在灵敏度、始波占宽、电噪声水平等，因此对于换能器的选购和储存时也应注意到时效的 影响。11压电材料的热稳定性-这是指压电材 料在居里点以下的一定温度范围连续工 作一段时间后其压电性能不变或无退化 的特性，特别对于高温环境下工作的换 能器，应选取热稳定性好的材料。以上11项是我们选择压电材料制作超声 检测换能器时的主要考虑因素和选择原 贝I，应视具体应用情况和需要作综合考 虑，适当选择。表5c：偏锯酸铅钢、错钛锡酸铅、锯酸铅钢钠、锂、锯酸钾钠、锯酸钠锂、PVF：、PVDF、氧化锌薄膜的性能参数偏锯酸铅须re.M.,W w Z ZZ切错钛锡 酸铅(ZTS)锯酸铅钢钠(LBNN-15)0-R切 锂铝酸钾讷/2.二二：二锯酸钠锂(LNN)聚偏二 氟乙烯 薄膜(PVF.)聚偏氟 乙烯薄 膜(PVDF)氧化锌薄膜Zn。090p 10:Kg/m:5.97.65.872.064.464.491.81.78居里 点c上2602503307542036080下声速 m/sJ38304000420025705140600022002260c三Z 10-Kg/m2s3324.7273.964体积 电阻 率 QM25C1.7x10 与10-103100200-C电台数 机耦系r kJ0.380.20.380.460.3KS10.22K-=0.380.270.100.102k：30.605K：f0.12-0.18Kt0.550.460.480.460.40.190.190.15-0.25质数 品因Qe10070Qm250400240280101500400110010496100121310库/牛日二22018012760d319067d-=15512020-30:、超声探头的类别:按诊断部位分类：眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、腔内 探头和儿童探头等之分；按应用方式分类：体外探头、体内探头、穿刺活检探头之分；按探头中换能器所用振元数目分类：单元探头和多元探头 按波束控制方式分类：线扫探头、相控阵探头、机械扇扫探头和方阵探头 等；按探头的几何形状分类：矩形探头、柱形探头、弧形探头（又称凸形）、圆形 探头等。号E 规 刺 常 穿 bu M0新生儿11.柱形单振元探头柱形单振元探头主要用于A超和M超，又 称笔杆式探头。目前在经颅多普勒(TCD)及胎心监护仪器中亦用此探头。:压电晶体，用于接收电脉冲产生机械超声振动，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，上、下 电极分别焊有一根引线，用来传输电信号电银线垫衬吸声材料，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铝粉，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；外壳，作为探头内部材料的支承体，并固定电缆引线，壳体上通常标明该探 头的型号、标称频率；保护层，用以保护振子不被磨损。保 护层应该选择衰减系数低并耐磨的材料,由于保护层与振子和人体组织同时接触,其声阻抗应接近人体组织的声阻，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。(2)基本特性超声探头作为一种传感器，其最重要的性能有:特征频率、受电激励后振动时间的长短以及其 体积的大小探头的特征频率决定于压电晶体的厚度。给压电晶体施加电激励后，其前面和后面都会发出 声能，只要周围介质的声阻抗与压电晶体不一样，部分声能就会在前后界面处反射回晶体，并以声波 形式在晶体内以同一速度传播。声波传至对面所需要的时间与晶体的厚度成正比，当晶体厚度恰为波长的一半时，反射应力和发射应 力在每一面相互加强，压电晶体产生共振，呈现最 大的位移幅度。相当于半波长厚度的频率叫压电晶体的基础受电激励后振动时间的长短影响超声系统的纵向 分辨力。为了追求好的纵向分辨力，通常使激励电脉冲宽度尽量 窄，然而由于超声探头的压电材料对电激励常呈较长时 间的反应（即电脉冲结束后声振荡仍以衰减振荡方式维持 一段时间）,此种振铃反应会产生长超声脉冲，如不予以 阻尼，就会导致分辨力减弱。为此必须在压电体后面放置特别的垫衬材料，利用其吸 音特性产生阻尼，使振铃反应减弱，从而缩短脉冲总长度。同时，此阻尼材料还可以吸收压电晶体后面发出的声能，否则这种能量就会在晶体中产生反射，干扰来自被检介 质中的回声。阻尼强的垫衬使换能器的声脉冲时间缩短，但也使灵敏度降低;阻尼弱则有损于分辨力，却使换能器 有较佳的灵敏度。对于柱形单振元探头，振元直径的大小 主要影响超声场的形状。一般来说，振元直径大，声束的指向性 好,并易于聚焦。通常振元直径在530mm范围内选定。2.机械扇扫超声探头 机械扇形扫描超声探头配用于扇扫式B型超声诊断仪，它是依靠机械传动方 式带动传感器往复摇摆或连续旋转来实 现扇形扫描的 比如早期的机械扇扫探头的重量达0.6kg 以上，且扫描角度仅30。随着技术的 进步，到80年代中期，机械扇扫超声换 能器的产品性能日趋改善，重量可以做 至U0.2kg以下，扫描帧频约30帧/s,扫描角 度达85。，2.机械扇扫超声探头97-8机械扇形坦苗探头工作原理，机械扇扫探头除换能器声学特性的基本要求 之外，还应满足以下要求：E保证探头中的压电振子作30次/s左右的高速摆动,摆动幅度应足够大；摆动速度应均匀稳定；整体体积小、重量轻，便于手持操作；外形应适合探查的需要，并能灵活改变扫查方向;机械振动及噪声应小到不致引起病人的紧张和烦o目前来看，机械扇扫探头主要存在的不足之处,是噪声大和探头寿命短。多数的机械扇扫探头寿命 仅有数千小时3.电子线阵超声探头 电子线阵超声探头配用于电子式线性扫描超声诊断 仪。它主要由6部分组成:开关控制器、阻尼垫衬、换能器 阵列、匹配层、声透镜和外壳。匹配层 声透镜(1)开关控制器 用于控制探头中各振元按 一定组合方式工作，若采用直接激励，则 每一个振元需要一条信号线连接到主机，目前换能器振元数已普遍增加到数百个，则与主机的连线需要数百根，这不仅使工 艺复杂，因此而增加的探头和电缆的重量 也是不堪设想的。采用开关控制器就可以使探头与主机的连 线数大大减小。(2)阻尼垫衬 其作用与柱形单振元探头中的垫 导作用相同，用于产生阻尼，抑制振铃并消除反 射干扰。阻尼垫衬材料的构成要求亦和柱形单 振元探头相似。(3)换能器阵列换能器的晶体振元通常是采用 切割法制造工艺，即对一宽约10mm,一定厚 度的矩形压电晶体，通过计算机程控顺序开槽。开槽宽度应小于0.1 mm,开槽深度则不能一概 而论，这是因为所用晶片的厚度取决于探头的 工作频率，相当于半波长厚度的频率叫做压电 晶彳本的基础共振频幸。晶体材料的半波长厚度。可由下式给出。o=Cp-T-1/2式中:Cp为超声波在该材料中的传播速度，T为工作 频率超声波的周期。(4)匹配层 由于声透镜同时与晶体振元和人体接触，两 者的声阻抗差别甚压电晶体振元的阻抗Zf=(2035)X106kgs1m2,人体 组织的阻抗Ze=(1.581.7)X106 kg-s-1-m-2,难于使 声透镜的特性阻抗同时与两者匹配。超声经不同阻抗界面传播,将产生反射，会增加能量损耗并影响分辨力，因此，往往需要 采用匹配层来实现探头与负载之间的匹配。对匹配层除厚度与声阻抗的要求外，还要求其声阻尼要 小，以减小对超声能量的损耗。在工艺上应保证其同时 与晶体振元和声透镜接触良好。匹配层材料通常也采用环氧加鸨粉配制4.电子凸阵超声探头图7-10电子凸阵探头示意4.电子凸阵超声探头 凸阵探头的结构原理与线阵探头相类似，只是 振元排列成凸形。但相同振元结构凸形探头的视野要比线阵探头 大。由于其探查视场为扇形，故对某些声窗较 小的脏器的探查比线阵探头更为优越，比如检 测骨下脏器，有二氧化碳和空气障碍的部位更 能显现其聆点。但凸形探头波束扫描近彳，必须维予线插补，否则因线密度低将使影像清晰度熨差。探头中的振元都不是同时被激励的，它们总是,而且分配的方法有多样。5.相控阵超声探头5.相控阵超声探头 相探阵超声探头可以实现波束扇形扫 描，因此又称为相控电子扇扫探头。相控阵超声探头外形及内部结构与线阵 探头颇有相似之处。其一是所用换能器也是多元换能器阵列；其二是探头的结构、材料和工艺亦相近，主 要由换能器、阻尼垫衬、声透镜以及匹配层 几部分组成；5.相控阵超声探头 但它们的不同之处也主要有两点：第一是在探头中没有开关控制器，这是因为 相控阵探头换能器中，各振元基本上是同时 被激励的，而不是像线阵探头换能器那样分 组、分时工作的，因此，不需要用控制器来 选择参与工作的振元。第二是相控阵探头的体积和声窗面积都较小,这是因为相控阵探头是以扇形扫描方式工作 的，其近场波束尺寸小，也正因为此，它具 有机械扇形扫描探头的优点，可以通过一个 小的“窗口”，对一个较大的扇形视野进行 探查。矩阵式探头 由切割成的数百个到数千个矩阵组成。如Philips*4Matrix型超级矩阵式探头，由 3000个阵元块组成。150多个计算机电子板 进行接收恶化处理超声回波信号。穿刺活检换能器 中心部位有一个23mm