醫用超聲換能器第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二超聲診斷儀換能器探頭第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二超聲診斷儀換能器探頭第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二測厚探頭直探頭第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二第一節壓電換能器一、壓電效應1.正向壓電效應材料兩端加壓力→兩電極產生電場壓力→形變→晶格電偶極矩變化→電荷積累→電場

2.逆向壓電效應材料兩端加電壓→材料產生形變電壓→電場→晶格電偶極受力→應力→形變材料正、逆向壓電效應可逆++++++------++++++------第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二壓電效應示意圖第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二二、醫用壓電材料1.壓電材料:具有壓電效應特性的材料。2.壓電材料的種類（1）壓電單晶體石英、酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鈮酸鉀、硫酸鋰等（2）壓電多晶體鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂-鋯-鈦酸鉛等（3）壓電高分子聚合物聚偏二氟乙烯等（4）復合壓電材料聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復合（PVDF+PZT）等第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二3.壓電特性的獲得單晶體：某些方向本身固有壓電效應——選定切割多晶體：材料加熱到居里點溫度，壓電效應消失，然后在強電場中慢慢冷卻——極化。

居里點：石英=550oC，鋯鈦酸鉛=330oC，鈦酸鋇=120oC第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二4.各類壓電材料的優缺點壓電陶瓷電－聲轉換效率高；易于電路匹配；性能穩定；價廉，易加工。但頻率受限；脆；物性受溫度影響。石英晶體電容小，頻率高；機械性能好。但昂貴；加工不便。高分子壓電聚合材料接收靈敏，效率高，易匹配，機械性能好。第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二三、壓電材料的主要參數和壓電方程1.主要參數（1）壓電常數d和gd：壓電材料加上單位電場所產生的應變。又稱：材料的發射常數，單位：m/vg：壓電材料開路時，施加單位應力所產生的電場。又稱：材料的接收常數，單位：v/m.

第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二（2）介電常數ε同樣電壓下，壓電材料介質和真空介質的電容比值。

εS：換能器被夾緊（S=0）時的介電常數，

εT：換能器自由（T=0）時的介電常數。

d/g=εTS－應變：單位長度內的長度變化量，T－應力：材料內力。第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二2．壓電方程材料僅作厚度振動，參量僅在厚度方向時的壓電方程

S=（1/YE）T+dE

①

D=dT+εTE

②式中：Y－電場不變時的楊氏模量

D－電位移：單位面積上的電荷量

E－電場強度

S－應變

T－應力

ε－應力不變時的介電常數

d－壓電常數

第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二圖2-3是壓電體所在坐標系其中：D，E，S，T均在z方向與壓電體表面垂直

L－壓電體厚度

V－壓電體表面電壓

P－外加壓力有：E=V/L，P=－T第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二討論：（1）加電壓V，自由（T=0）時，由①式得：

△L=SL=dEL=dV

即：形變△L正比于加的電壓V（2）加電壓V，夾緊（S=0）時，由①式得：

T=－YEd

E=－(dYE)V/L即：應力T正比于加的電壓V（3）加壓力P，開路（D=0）時，由②式得：

V=－dT(L/εT)=(d/εT)LP=gLP即：產生電壓V正比于加的壓力P（4）加壓力P，短路（E=0）時，因D=q/A，由②式得：

q=dTA=－dAP式中：A—壓電體面積即：產生電荷積累q正比于加的壓力PS=(1/YE)T+dE①D=dT+εTE②E=V/L，P=－Td/g=εT第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

超聲診斷中常根據不同的受檢對象和部位選擇不同的探頭，如2MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，探頭的發射頻率是由什么決定的呢？３．探頭的發射頻率第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

當一交變電壓加至壓電材料上時，壓電晶片表面產生相應的振動，并向與之接觸的介質中輻射超聲能量。除非特性阻抗相等，一般總有部分超聲能量被壓電晶片前后表面反射，在壓電體內傳向對面。因為前后表面振動反相，當L=λ/2時，壓電體內傳播時間

t=L/c=(λ/2)/c=(cT/2)/c=T/2即：到達對面時，與相移180o的對面振動疊加，達到同頻同相疊加，輻射超聲最強，即為諧振情況。對應頻率

f=c/λ=c/2L稱基本諧振頻率，或基頻。第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二０T/2０TTttT/2L收縮膨脹收縮表面位移c,f前向后向壓電體超聲超聲3T/2

一般地，基頻或更高頻率在壓電體內傳播從一個表面到達對面所用時間為：

t=L／c=(2n-1)T2n-1／2(n=1,2,…)即：L=(2n-1)λ2n-1／2

或：f2n-1=1／T2n-1=(2n-1)c／2L時，都能達到諧振。

f1—基頻，f3，f5，f7…—高次諧振頻率，

f1L＝c／2——材料的頻率常數第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二結論

探頭的發射頻率是由晶體的厚度決定的。第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二第二節換能器的超聲場超聲場彈性介質中充滿超聲能量的空間，或超聲傳播時超聲能量在介質中的空間分布。平面圓片換能器活塞振動的穩態超聲場活塞振動——平面振動穩態超聲場——不考慮建立過程的穩定超聲場r,θ——極坐標z——聲軸方向a——圓片半徑B(r,θ)zθra第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

可看成無數頻率、振幅、相位相同的點聲源聲場疊加，在B(r,θ)點積分求得P，并進而求得I=P2/Z一、軸向聲場分布（θ=0,r可變）（1）聲軸上聲強表達式式中：Z——介質聲阻抗，V0——速度振幅，λ——波長可見：（2）軸向聲場分布圖（據上式）當0＜r≤r0，存在數個極大值和極小值，當r＞r0后，隨著r的增大，聲強逐漸減弱。第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

軸向上聲場分布圖第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

（3）近場距離(r0)式中，D=2a——壓電體直徑，如a>>λ，則聲學上稱：①r<r0——近場區②r>r0——遠場區

（4）軸向聲強分布特點①近場區：聲強軸向起伏分布，但平均強度不變②遠場區：聲強軸向單調衰減，I∝1／r2第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二二、徑向聲場分布（r=定值,θ可變）

（1）徑向近場分布近場衍射現象：聲束截平面上聲強分布為許多最大強度和最小強度的同心圓環，環的數量隨著距離的增加而減少。聲能幾乎不擴散，聲束寬度接近相等（等于D）。

（2）徑向遠場分布波束如圖2－6所示。遠場聲強呈多個瓣形，主瓣最強(>98%)，旁瓣多但較弱。第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

（3）主瓣角θ

θ又稱半發射角或擴散角，表示聲束集中程度

Sinθ≈0.61λ／a一般θ角很小，sinθ≈θ，故有

θ≈0.61λ／a=0.61c／fa

可見：f↑→θ↓，和a↑→θ↓

（4）徑向聲場簡化圖如圖2－5(a)，聲束成錐形發散，半發散角為θ近場中零值點，可能引起盲點。遠場中旁瓣，會造成顯示位置、距離測量等失真。需采取措施改善。

第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二第三節探頭的結構及其作用超聲探頭——超聲檢測用換能器各種超聲診斷儀，探頭基本結構大致相同，以Ａ型為例。一、探頭的基本結構①壓電晶片

②吸聲背塊③匹配層④電極、導線⑤聲隔離層⑥保護層⑦外殼第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二１.壓電晶片

（1）晶片形狀：圓片形、矩形、球殼圓片形、圓筒形第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

（2）作用發射、接收超聲，即：電－聲、聲－電轉換

（3）要求①可加工性②銀層牢固③各部分性能一致性④性能穩定性和可靠性

（4）特性①晶片厚度確定發射超聲的頻率②晶片形狀確定聲束的形狀和聲場分布第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二2．吸聲背塊

（1）作用①吸收晶體背向輻射的超聲，減少或消除晶體兩端之間超聲的多次反射造成的干擾②增大晶片阻尼，使發射脈沖窄，從而提高分辨率

（2）要求①與壓電晶體的聲阻抗相等，以全部吸收背向輻射②對超聲的吸收力強，很快衰減，不再反射

（3）組成環氧樹脂+鎢粉+橡膠粉

空氣背襯，幾乎全反射，效率最高，用于超聲治療儀。第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二3．匹配層

（1）作用①使晶體輻射的超聲有效進入人體，實現對人體組織的檢查。換能器和人體之間聲阻抗匹配，條件：

②增加換能器的帶寬③隔開晶體和人體，保護晶體，免受機械、化學損壞；保護人體，免受激勵電壓的傷害。

（2）要求①衰減系數低②耐磨損

（3）材料環氧樹脂、二酊脂、乙二氨等第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二4．電極、導線

（1）作用傳輸