医用超声换能器.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,1/7/2022,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,医用超声换能器,医用超声换能器,第1页,超声诊疗仪换能器探头,医用超声换能器,第2页,超声诊疗仪换能器探头,医用超声换能器,第3页,测厚探头,直探头,医用超声换能器,第4页,第一节压电换能器,一、压电效应,1.,正向压电效应,材料两端加,压力,两电极产生,电场,压力 形变晶格电偶极矩改变电荷积累电场,2.,逆向压电效应,材料两端加,电压,材料产生,形变,电压电场晶格电偶极受力应力形变,材料正、逆向压电效应可逆,+,-,+,-,医用超声换能器,第5页,压电效应示意图,医用超声换能器,第6页,二、医用压电材料,1.,压电材料,:,含有压电效应特征材料。,2.,压电材料种类,（,1,）压电单晶体,石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、铌酸钾、硫酸锂等,（,2,）压电多晶体,钛酸钡、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌镁,-,锆,-,钛酸铅等,（,3,）压电高分子聚合物,聚偏二氟乙烯等,（,4,）复合压电材料,聚偏二氟乙烯,+,锆钛酸铅复合（,PVDF+PZT,）等,医用超声换能器,第7页,医用超声换能器,第8页,3.,压电特征取得,单晶体：,一些方向本身固有压电效应,选定切割,多晶体：,材料加热到,居里点,温度，压电效应消失，,然后在强电场中慢慢冷却,极化。,居里点：,石英,=550,o,C,，锆钛酸铅,=330,o,C,，,钛酸钡,=120,o,C,医用超声换能器,第9页,4.,各类压电材料优缺点,压电陶瓷,电声转换效率高；易于电路匹配；性能稳定；,价廉，易加工。但频率受限；脆；物性受温度影响。,石英晶体,电容小，频率高；机械性能好。但昂贵；加工,不便。,高分子压电聚合材料,接收灵敏，效率高，易匹配，机械性能好。,医用超声换能器,第10页,三、压电材料主要参数和压电方程,1.,主要参数,（,1,）压电常数,d,和,g,d,：压电材料加上单位,电场,所产生,应变,。,又称：材料发射常数，单位：,m/v,g,：压电材料开路时，施加单位,应力,所产生,电场,。,又称：材料接收常数，单位：,v/m.,医用超声换能器,第11页,（,2,）介电常数,一样电压下，压电材料介质和真空介质电容比值。,S,：换能器被夹紧（,S=0,）时介电常数，,T,：换能器自由（,T=0,）时介电常数。,d/g=,T,S,应变：单位长度内长度改变量，,T,应力：材料内力。,医用超声换能器,第12页,2,压电方程,材料仅作厚度振动，参量仅在厚度方向时压电方程,S=,（,1/Y,E,）,T+dE,D=dT+,T,E,式中：,Y,电场不变时杨氏模量,D,电位移：单位面积上电荷量,E,电场强度,S,应变,T,应力,应力不变时介电常数,d,压电常数,医用超声换能器,第13页,图,2-3,是压电体所在坐标系,其中：,D,，,E,，,S,，,T,均在,z,方向,与压电体表面垂直,L,压电体厚度,V,压电体表面电压,P,外加压力,有：,E=V/L,，,P=,T,医用超声换能器,第14页,讨论：,（,1,）加电压,V,，自由（,T=0,）时，由式得：,L=SL=dEL=dV,即：形变,L,正比于加电压,V,（,2,）加电压,V,，夹紧（,S=0,）时，由式得：,T=,Y,E,d,E=,(dY,E,)V/L,即：应力,T,正比于加电压,V,（,3,）,加压力,P,，开路（,D=0,）时，由式得：,V=,dT(L/,T,)=(d/,T,)LP=gLP,即：产生电压,V,正比于加压力,P,（,4,）加压力,P,，短路（,E=0,）时，因,D=q/A,，由式得：,q=dTA=,dAP,式中：,A,压电体面积,即：产生电荷积累,q,正比于加压力,P,S=(1/Y,E,)T+dE,D=dT+,T,E ,E=V/L,，,P=,T,d/g=,T,医用超声换能器,第15页,超声诊疗中常依据不一样受检对象和部位选择不一样探头，如,2 MHz,、,2.5 MHz,、,5 MHz,、,10 MHz,等，探头发射频率是由什么决定呢？,探头发射频率,医用超声换能器,第16页,当一交变电压加至压电材料上时，压电晶片表面产生对应振动，并向与之接触介质中辐射超声能量。除非特征阻抗相等，普通总有个别超声能量被压电晶片前后表面反射，在压电体内传向对面。因为前后表面振动反相，当,L=/2,时，压电体内传输时间,t=L/c=(/2)/c=(cT/2)/c=T/2,即：抵达对面时，与相移,180,o,对面振动叠加，抵达同,频同相叠加，辐射超声最强，即为谐振情况。对应频率,f=c/=c/2L,称,基础谐振频率,，或,基频,。,医用超声换能器,第17页,T/2,T,T,t,t,T/2,L,收缩,膨胀,收缩,表面位移,c,f,前向,后向,压电体,超声,超声,3T/2,普通地，基频或更高频率在压电体内传输从一个,表面抵达对面所用时间为：,t=L,c=(2n-1)T,2n-1,2,(n=1,2,),即：,L=(2n-1),2n-1,2,或：,f,2n-1,=1,T,2n-1,=(2n-1)c,2L,时，都能抵达谐振。,f,1,基频，,f,3,，,f,5,，,f,7,高次谐振频率，,f,1,L,c,2,材料频率常数,医用超声换能器,第18页,结论,探头发射频率是由晶体厚度决定。,医用超声换能器,第19页,第二节换能器超声场,超声场,弹性介质中充满超声能量空间，或超声传输时超,声能量在介质中空间分布。,平面圆片换能器活塞振动稳态超声场,活塞振动,平面振动,稳态超声场,不考虑,建立过程稳定超声场,r,极坐标,z,声轴方向,a,圆片半径,B(r,),z,r,a,医用超声换能器,第20页,可看成无数频率、振幅、相位相同点声源声场叠加，,在,B(r,),点积分求得,P,，并进而求得,I=P,2,/Z,一、轴向声场分布（,=0,r,可变）,（,1,）声轴上声强表示式,式中：,Z,介质声阻抗，,V,0,速度振幅，,波长,可见：,（,2,）轴向声场分布图（据上式）,当,0,r r,0,，存在数个极大值和极小值，,当,r,r,0,后，伴随,r,增大，声强逐步减弱。,医用超声换能器,第21页,轴向上声场分布图,医用超声换能器,第22页,（,3,）近场距离,(r,0,),式中，,D=2a,压电体直径，如,a,，则,声学上称：,r r,0,远场区,（,4,）轴向声强分布特点,近场区：,声强轴向起伏分布，但平均强度不变,远场区,：,声强轴向单调衰减，,I 1,r,2,医用超声换能器,第23页,二、径向声场分布（,r=,定值,可变）,（,1,）,径向近场分布,近场衍射现象：声束截平面上声强分布为许多最,大强度和最小强度同心圆环，环数量伴随距,离增加而降低。,声能几乎不扩散，声束宽度靠近相等（等于,D,）。,（,2,）径向远场分布,波束如图,2,6,所表示。,远场,声强,呈多个瓣形，,主瓣最强,(98%),，,旁瓣多但较弱。,医用超声换能器,第24页,（,3,）,主瓣角,又称半发射角或扩散角，表示,声束集中程度,Sin 0.61,a,普通,角很小，,sin,，故有,0.61,a=0.61c,fa,可见：,f,，和,a,（,4,）径向声场简化图,如图,2,5(a),，声束成锥形发散，半发散角为,近场中零值点，可能引发盲点。远场中旁瓣，会造成,显示位置、距离测量等失真。需采取办法改进。,医用超声换能器,第25页,第三节探头结构及其作用,超声探头,超声检测用换能器,各种超声诊疗仪，探头基础结构大致相同，以型为例。,一、探头基础结构,压电晶片,吸声背块,匹配层,电极、导线,声隔离层,保护层,外壳,医用超声换能器,第26页,.,压电晶片,（,1,）晶片形状,：圆片形、矩形、球壳圆片形、圆筒形,医用超声换能器,第27页,（,2,）作用,发射、接收超声，即：电声、声电转换,（,3,）要求,可加工性,银层牢靠,各个别性能一致性,性能稳定性和可靠性,（,4,）特征,晶片厚度确定发射超声频率,晶片形状确定声束形状和声场分布,医用超声换能器,第28页,2,吸声背块,（,1,）作用,吸收晶体背向辐射超声，降低或消除晶体两端,之间超声屡次反射造成干扰,增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提升分辨率,（,2,）要求,与压电晶体声阻抗相等，以全部吸收背向辐射,对超声吸收力强，很快衰减，不再反射,（,3,）组成,环氧树脂,+,钨粉,+,橡胶粉,空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。,医用超声换能器,第29页,3,匹配层,（,1,）作用,使晶体辐射超声有效进入人体，实现对人体组织检验。换能器和人体之间声阻抗匹配，条件：,增加换能器带宽,隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、化学,损坏；保护人体，免受激励电压伤害。,（,2,）要求,衰减系数低,耐磨损,（,3,）材料,环氧树脂、二酊脂、乙二氨等,医用超声换能器,第30页,4,电极、导线,（,1,）作用,传输电信号,（,2,）结构,晶体两面银层为电极，各引出一根导线,5,声隔离层,（,1,）作用,壳体与振动体之间声隔离，预防超声传至外壳引发,反射，产生干扰,（,2,）材料,软木、橡胶、尼龙等,医用超声换能器,第31页,二、单片换能器基础型式,1,非聚焦换能器,换能元件：平面圆片压电陶瓷,工作模式：厚度振动,2,聚焦换能器（声学聚焦）,球面（曲面）压电体聚焦,声透镜聚焦,凹透镜,c,透,c,人,（金属、多数塑料）,凸透镜,c,透,c,人,，,1,2,2,医用超声换能器,第32页,3.,换能器设计,医用超声换能器,第33页,