1、功能：功能：電能量電能量超聲能量相互轉換超聲能量相互轉換重要性：重要性：整臺超聲儀器性能的關鍵整臺超聲儀器性能的關鍵資料性能種類：資料性能種類：壓電換能器壓電換能器超聲診斷儀主要用之超聲診斷儀主要用之磁致伸縮換能器磁致伸縮換能器超聲治療儀用之超聲治療儀用之1 壓 電 效 應 壓 電 效 應 piezoelectric effect ， 壓 電 景 象， 壓 電 景 象piezoelectricity ，壓電晶體，壓電晶體piezoelectrical crystal ：當沿某些天然晶體或人造壓電陶瓷資料的一定方向施加外部應當沿某些天然晶體或人造壓電陶瓷資料的一定方向施加外部應力拉力或壓力使資料

2、發生形變時，那么會在物體兩個受力界力拉力或壓力使資料發生形變時，那么會在物體兩個受力界面面上引起內部介質正負電荷中心相對位移，產生符號相反的束縛電上引起內部介質正負電荷中心相對位移，產生符號相反的束縛電荷。這種由機械力作用引起晶體外表電荷的效應，稱為正向壓電荷。這種由機械力作用引起晶體外表電荷的效應，稱為正向壓電相應。相應。 應力應力電荷中心相對位移電荷中心相對位移晶體外表電荷效應。晶體外表電荷效應。 假設在上述晶體或壓電陶瓷體外表沿著能產生壓電效應的電軸方假設在上述晶體或壓電陶瓷體外表沿著能產生壓電效應的電軸方向施加電壓，那么由于電場作用也會引起電介質內部電荷中心向施加電壓，那么由于電場作用

3、也會引起電介質內部電荷中心產生位移，并由這一極化位移又導致物體的幾何形變。這種由產生位移，并由這一極化位移又導致物體的幾何形變。這種由電場力作用而引起電介質幾何應變的壓電效應，稱為逆向壓電電場力作用而引起電介質幾何應變的壓電效應，稱為逆向壓電效應。效應。 電壓電壓電荷中心相對位移電荷中心相對位移 晶體幾何形變。晶體幾何形變。一壓電效應一壓電效應1. 正向壓電效應：正向壓電效應： 資料兩端加壓力資料兩端加壓力兩電極產生電場兩電極產生電場 物理本質：物理本質： 壓力壓力 形變形變晶格電偶極矩變化晶格電偶極矩變化電荷積累電荷積累電場電場 2. 逆向壓電效應逆向壓電效應 資料兩端加電壓資料兩端加電壓資

4、料產生形變資料產生形變 物理本質：物理本質： 電壓電壓電場電場晶格電偶極受力晶格電偶極受力應力應力形變形變資料正、逆向壓電效應可逆資料正、逆向壓電效應可逆+ + + + + +- - - - - -+ + + + + +- - - - - -l橫向壓電效應橫向壓電效應:形變方向和電場方向垂直。形變方向和電場方向垂直。l縱向壓電效應縱向壓電效應:形變方向和電場方向一致形變方向和電場方向一致l電致伸縮效應電致伸縮效應:一切電介質在電場中都要一切電介質在電場中都要遭到拉伸作用，由于靜電力的作用而伸遭到拉伸作用，由于靜電力的作用而伸長或緊縮的景象稱電致伸縮效應長或緊縮的景象稱電致伸縮效應換能器如何利用

5、壓電效應完成：電能量超聲能量的相互轉換l壓電資料：具有壓電效應特性的資料非晶方性。壓電資料：具有壓電效應特性的資料非晶方性。l壓電資料的種類：壓電資料的種類：l壓電單晶體：壓電單晶體：l石英，酒石酸鉀鈉，磷酸二氫銨，鈮酸鉀，硫酸鋰等石英，酒石酸鉀鈉，磷酸二氫銨，鈮酸鉀，硫酸鋰等l壓電多晶體也稱壓電陶瓷：壓電多晶體也稱壓電陶瓷：l鈦酸鋇，偏鈮酸鉛，鋯鈦酸鉛，鈮鎂鈦酸鋇，偏鈮酸鉛，鋯鈦酸鉛，鈮鎂-鋯鋯-鈦酸鉛等鈦酸鉛等l壓電高分子聚合物：壓電高分子聚合物：l聚偏二氟乙烯等聚偏二氟乙烯等l復合壓電資料：復合壓電資料：l聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復合鋯鈦酸鉛復合(PVDF+PZT)等等l壓電特

6、性的獲得：壓電特性的獲得：l單晶體：某些方向本身固有壓電效應單晶體：某些方向本身固有壓電效應選定切割選定切割l多晶體：資料加熱到居里點溫度壓電效應消逝，各種多晶體：資料加熱到居里點溫度壓電效應消逝，各種l 資料不同資料不同 ，然后在強電場中冷卻，然后在強電場中冷卻極化。極化。l 居里點：石英居里點：石英=550oc，鋯鈦酸鉛，鋯鈦酸鉛=330oc，鈦酸，鈦酸鋇鋇=120ocl各類壓電資料的優缺陷：各類壓電資料的優缺陷：l壓電陶瓷：壓電陶瓷：l 電聲轉換效率高；易于電路匹配；性能穩定；電聲轉換效率高；易于電路匹配；性能穩定；l價廉，易加工。但頻率受限；脆；物性受溫度影響。價廉，易加工。但頻率受限

7、；脆；物性受溫度影響。l石英晶體：石英晶體：l 電容小，頻率高；機械性能好。但昂貴；加工不便。電容小，頻率高；機械性能好。但昂貴；加工不便。l高分子壓電聚合資料：高分子壓電聚合資料：l接納靈敏，效率高，易匹配，機械性能好。接納靈敏，效率高，易匹配，機械性能好。 超聲波的產生超聲波的產生超聲頻率交變電壓超聲頻率交變電壓壓電體超聲振動壓電體超聲振動發射超聲發射超聲諧振的條件諧振的條件普通前后外表總有部分超聲被反射，在壓電體內傳普通前后外表總有部分超聲被反射，在壓電體內傳向對面。由于前后外表振動反相，當向對面。由于前后外表振動反相，當L=/2時，壓電體內傳播時間時，壓電體內傳播時間t = L/c =

8、 (/2)/c = (cT/2)/c = T/2即：到達對面時，與相移即：到達對面時，與相移180o的對面振動疊加，到達同的對面振動疊加，到達同頻同相疊加，輻射超聲最強。此為諧振情況。對應頻率頻同相疊加，輻射超聲最強。此為諧振情況。對應頻率 f = c/= c/2L稱根本諧振頻率，或基頻。稱根本諧振頻率，或基頻。T/2TTttT/2L收縮膨脹收縮外表位移c, f前向后向壓電體超聲超聲3T/2 普通地，基頻或更高頻率在壓電體內傳播從一個外表到達對面所用時間為： t = Lc = (2n-1)T2n-1 2 (n=1,2,)即： L= (2n-1)2n-1 2 或： f2n-1 = 1T2n-1

9、= (2n-1)c2L時，都能到達諧振。 f1基頻， f 3，f5，f7高次諧振頻率。f1Lc2資料的頻率常數2-2 醫用超聲換能器聲波輻射器反向壓電效應(電能聲能，高頻電流機械振動)聲波檢測器正向壓電效應(聲能電能，聲波振動高頻電流) 超聲場：超聲能量作用的彈性介質空間稱為超聲場。了解超聲場在一定區域的空間分布形狀，對于超聲診斷儀的設計和運用無疑都是非常重要的。l根據惠更斯弗涅爾原理，對于單個振子，當它的尺寸極小時，可以將它看成是一個子波聲源(點聲源)，它所產生的聲場是沒有指向性的球面波，如圖18所示。l假設根源尺寸缺乏夠小，那么可以將其輻射面上的每一點看成是一個子波聲源，由于各個子波疊加的

10、結果，其聲場區域就具有指向性。l以兩個點聲源所產生的聲場為例，由于兩個子波疊加的結果將具有指向性函數；留意！留意！一、 超聲輻射聲場特性描畫聲壓、聲強在空間的分布形狀1指向性： 通常將恣意角度 方位的聲壓 與 時聲壓 之比 、稱為聲場指向性函數，其圖形稱為指向性圖案，用極坐標表示。 指向性圖案中有一系列波束，其中輻射能量集中或接納靈敏度最高的波束稱為主波束主瓣，旁側波束稱為次波束付瓣。指向性函數directivity function，主瓣main lobe。)(BP0)0(BPiDcos(sin)idD2近場與遠場特性：近場與遠場特性： 物理上，近場指聲源在自在場可忽略邊境影響的無限大均物理

11、上，近場指聲源在自在場可忽略邊境影響的無限大均勻各向同性媒質中的聲場輻射時，接近聲源的聲場，其瞬時聲勻各向同性媒質中的聲場輻射時，接近聲源的聲場，其瞬時聲壓和質點振動速度不同相位。壓和質點振動速度不同相位。 在近場區，由于聲波相互關涉和衍射的結果，沿傳播方向各在近場區，由于聲波相互關涉和衍射的結果，沿傳播方向各點聲能聲壓或聲強會時而出現極大或極小，同時在垂直傳播點聲能聲壓或聲強會時而出現極大或極小，同時在垂直傳播方向上也能夠出現聲能微弱變化，即近場衍射景象。近場區聲束方向上也能夠出現聲能微弱變化，即近場衍射景象。近場區聲束根本不分散。根本不分散。 遠場指自在輻射時，遠離聲源部分的聲場，其瞬時聲

12、壓和質遠場指自在輻射時，遠離聲源部分的聲場，其瞬時聲壓和質點振速同相位。點振速同相位。 遠場區聲壓不均勻性減弱，對圓盤振子，遠場為圓錐體，聲遠場區聲壓不均勻性減弱，對圓盤振子，遠場為圓錐體，聲束開場分散，聲壓隨間隔添加而單調衰減，近似球面波分散。束開場分散，聲壓隨間隔添加而單調衰減，近似球面波分散。l由于處于發射形狀的圓形晶片相當于一個往復振動的活塞，所以常稱為圓形活塞振源， 是超聲診斷中常用的也是最根本的換能器，人們期望振源能發出一束均勻的超聲波。l在計算和分析圓形活塞聲源輻射的超聲時，假設：l把圓形活塞聲源看成是無限個小聲源組成l對每個小聲源，都在 立體角的半空間輻射對稱球面波l對于該圓形

13、聲源聲場中的某點的聲壓看成是每個小聲源輻射到此點處的聲壓的疊加。2超聲場：超聲場： 彈性介質中充溢超聲能量的空間。或超聲傳播時超彈性介質中充溢超聲能量的空間。或超聲傳播時超聲能量在介質中的空間分布。聲能量在介質中的空間分布。平面圓片換能器活塞振動的穩態超聲場：平面圓片換能器活塞振動的穩態超聲場：活塞振動活塞振動平面振動平面振動穩態超聲場穩態超聲場不思索不思索建立過程的穩定超聲場建立過程的穩定超聲場 r, 極坐標極坐標 z 聲軸方向聲軸方向 a 圓片半徑圓片半徑B(r,)zra1、聲場中心軸線上的聲壓py17等時，等時，Dc=0,即聲能限制在一個瓣內。其物理意義是這些數值相應的即聲能限制在一個瓣

14、內。其物理意義是這些數值相應的 角方角方向上沒有輻射聲波，圖向上沒有輻射聲波，圖2-11可看出這種情況，主瓣要比輻瓣的聲壓強得多。可看出這種情況，主瓣要比輻瓣的聲壓強得多。 對于Dc=0的第一點，即貝賽爾函數的第一個根 時，相應的角度 稱為半分散角，其值： 2-19 此式稱為主瓣指向角的Franbofer公式，常用來求主聲束半分散角。如Ka非常小，以致Dc對一切的 值幾乎都為1，即圓片成點聲源。對方性晶片，實際計算證明，半分散角上式d為方片的邊長，方晶片的面d2，所以和方晶片直徑相當的圓形晶片的直徑D為：sin3.83yKa11113.833.83sinsinsin0.61sin1.222Ka

15、aDa1sind2 dD3、關于近場和遠場的簡單結論在式2-14 ，而在2-19中 可看出，超聲f越高，即波長越小，a越大，近場長度L越大，同時半分散角越小。這表示超聲的聲束性好，方向性顯著。 2aL1sin0.61a 當檢查的組織或臟器位于近場范圍內，這時近場內的超聲束平行度最高，反射界面與晶片的垂直性最好，因此反射的聲強較高，失真度小。但在近場之近晶片端，由于發射干擾等緣由能夠存在盲區。探查對象能否位于近場范圍內，可根據表22大致進展判別。3曲面換能器直接發射系統 把壓電晶片做成凹面形，直接由它輻射出超聲波也能產生聚焦。如圖2-18所示。這種探頭稱為聚焦型探頭或自聚焦發射器。它的聚焦原理與

16、聲透鏡聚焦系統類似。超聲探頭的分類v超聲探頭超聲探頭超聲檢測用換超聲檢測用換能器能器v各種超聲診斷儀，探頭根本各種超聲診斷儀，探頭根本構造一樣，以型為例。構造一樣，以型為例。v一探頭的根本構造一探頭的根本構造v 壓電晶片壓電晶片v 吸聲背塊吸聲背塊v 匹配層維護層匹配層維護層v 電極、導線電極、導線v 聲隔離層聲隔離層v 外殼外殼v 晶片外形：圓片形、矩形、球殼圓片形、圓筒形晶片外形：圓片形、矩形、球殼圓片形、圓筒形 作用： 發射、接納超聲，即：電聲、聲電轉換； 要求： 可加工性； 銀層結實； 各部分性能一致性； 性能穩定性和可靠性。 特性： 晶片厚度確定發射超聲的頻率； 晶片外形確定聲束的外

17、形和聲場分布。 作用：作用： 吸收晶體背向輻射的超聲。吸收晶體背向輻射的超聲。 增大晶片阻尼，使發射脈沖窄，從而提高分辨率。增大晶片阻尼，使發射脈沖窄，從而提高分辨率。 要求：要求： 與壓電晶體的聲阻抗相等，以全部吸收背向輻射。與壓電晶體的聲阻抗相等，以全部吸收背向輻射。 對超聲的吸收力強，很快衰減，不再反射。對超聲的吸收力強，很快衰減，不再反射。 組成：組成： 環氧樹脂環氧樹脂 + 鎢粉鎢粉 + 橡膠粉橡膠粉 空氣背襯，幾乎全反射，效率最高，用于超聲治療儀。空氣背襯，幾乎全反射，效率最高，用于超聲治療儀。 作用：作用： 換能器和人體之間聲阻抗匹配；條件：換能器和人體之間聲阻抗匹配；條件： 添

18、加換能器的帶寬；添加換能器的帶寬； 隔開晶體和人體，隔開晶體和人體， 維護晶體，免受機械、化學的損壞；維護晶體，免受機械、化學的損壞； 維護人體，免受鼓勵電壓的損傷。維護人體，免受鼓勵電壓的損傷。 要求：要求： 衰減系數低；衰減系數低； 耐磨損。耐磨損。 資料：資料： 環氧樹脂、二酊脂、乙二氨等。環氧樹脂、二酊脂、乙二氨等。4) 12 (,匹匹皮晶匹nlZZZ 作用： 傳輸電信號。 構造： 晶體兩面的銀層為電極，各引出一根導線。5聲隔離層 作用： 殼體與振動體之間聲隔離，防止超聲傳至外殼引起 反射，產生干擾。 資料： 軟木、橡膠、尼龍等。 1非聚焦換能器非聚焦換能器 換能元件：平面圓片壓電陶瓷

19、，換能元件：平面圓片壓電陶瓷， 任務方式：厚度振動。任務方式：厚度振動。2聚焦換能器聲學聚焦聚焦換能器聲學聚焦球面曲面壓電體聚焦球面曲面壓電體聚焦聲透鏡聚焦聲透鏡聚焦 凹透鏡凹透鏡 c透透 c人金屬、多數塑料人金屬、多數塑料 凸透鏡凸透鏡 c透透 c人，人，1,22人透cc21sinsin 嚴守運用規定。 小心輕放，不得摔跌。 關電源拆裝。 防止接觸有機溶劑。 維護透聲面。 運用無腐蝕性的耦合劑。 非水密探頭不能浸水運用。 不得高溫消毒。 用前檢查。 用后清潔。 機械扇形掃描探頭主要用于B超，最初掃描線數少、角度小、笨重、噪聲大角度小、磨損嚴重 直流馬達驅動整個機械傳動安裝帶動壓電振子擺動，位置電位器檢測振子瞬間取向，產生位置信號。旋轉變壓器作為角度檢測器，測角精度和運用