医用换能器的简介.ppt

绪论 水声换能器分类 应用及分析设计方法桑永杰 为什么要学习认识换能器 SL 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 主动声呐方程 混响背景 SL 2TL TS RL DT 1 什么叫换能器换 转换 能 能量 器 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 压电陶瓷 稀土材料 逆向压电效应 正向压电效应 磁致伸缩效应 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 拖曳线列阵 共形阵 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 接收换能器 水听器 hydrophone A 按照工作方式分 几种常见发射换能器 几种常见水听器 B 按功能材料分 镍 压电单晶 钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅压电陶瓷系列 PZT 稀土超磁致伸缩材料 Terfenol D 弛豫铁电单晶 PMN PT和PZN PT 最早的换能材料 磁致伸缩 如石英 1917年 朗之万制成第一个实用换能器 1940s 较强压电性能 1950s 机电转换效率高 工作温度宽 至今仍是主力功能材料 1970s 铽 镝与铁的合金 应变量比镍大40 50倍 比PZT大5 8倍 能量密度比镍大400 500倍 比压电陶瓷大10 14倍 与PZT相比 杨氏模量小 声速低 尤其适合制作低频 大功率 宽带水声换能器 1997 压电系数 机电耦合系数比通常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT d33 600pC N k33 70 高出许多 分别达到2000pC 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 其他 压电聚合物 PVDF 压电复合材料等 复合棒换能器分解图 Paul Langevin C 按结构分 复合棒换能器 朗之万换能器 Tonpilz换能器 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 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 复合棒换能器实物照片及分解图 双向辐射复合棒换能器 弯张换能器 弯张换能器的位移放大作用 常见的七种弯张换能器 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 新型弯张换能器 稀土IV弯张换能器 六元弯张换能器线阵 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 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 MultiportHelmhotztransducer JanusHelmhotztransducer 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 UW350 UW600 SL 平均165dB频带 20Hz 20kHz重量 100kg耐压 188m SL 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 1kHz 声源级 160dB 工作深度 0 50米 结构尺寸 外径 206mm 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 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 开缝圆管换能器 空气动力型换能器 组合式换能器 不同类型换能器性能对比 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 水声换能器的分析设计方法 换能器等效电路图 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 压电陶瓷的径向及厚度振动 压电陶瓷圆管的径向振动 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 两款常用的设计换能器有限元软件 指向性圆管换能器有限元模型 弯张换能器1 8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 发射电压响应曲线 电导纳曲线 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 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 V 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 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 1 2 Rs U b 据此可计算换能器的电声效率 Pa 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 10log I Io 10log Pa A Io SL 170 8 10logPa 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 TransmittingVoltageResponse 单位 dB a 体现换能器自身的声辐射潜力b 计算公式 TVR 20log P d V 120dB 20log e d V 120 MdBc 与声源级的关系 SL 20log V TVRd 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 发射和接受指向性互易 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 压电效应 压电效应 一压电学的物理基础 压电效应1880年居里兄弟皮尔 P Curie 与捷克斯 J Curie 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 蔗糖 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 二医用压电材料 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 压电材料 石英晶体 压电材料石英晶体 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 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自发极化的电畴 它有一定的极化方向 从而存在电场 在无外电场作用时 电畴在晶体中杂乱分布 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施加外电场时 电畴的极化方向发生转动 趋向于按外电场方向的排列 从而使材料得到极化 外电场去掉后 电畴的极化方向基本不变 即剩余极化强度很大 这时的材料才具有压电特性 医用超声换能器中用得最多的 偏铌酸铅压电陶瓷 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 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 PV 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 3 压电材料在磁学效应中有 B H式中B为磁感应强度 H为磁场强度 为磁导率 4 压电材料在热学效应中有 Q c式中Q为热量 为温度 为熵 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 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 同时受应力和电场作用 压电体同时受电场和应力作用时 利用叠加原理来处理 第一类方程组 应力 电场强度为自变量应变 电位移为因变量 应变 弹性柔顺系数 应力 应变常数 电场强度电通密度 应变常数 应力分量 介电常数 电场 压电方程组 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 应力 电场下弹性刚度系数 应变 压电应力常数 电场强度电位移量 压电应力常数 应变 恒定应变下的介电常数 电场强度 压电参数 8 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 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 tg C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 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 6 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 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 的区别 此外 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 7 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 例如锆钛酸铅的上居里点在115 120 下居里点在 5 若在钛酸钡中添加5 的钛酸钙 则其下居里点可到 40 此外 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则 应视具体应用情况和需要作综合考虑 适当选择 二 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 1 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 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钨粉 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 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共振频率 传感器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5 30mm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 重量可以做到0 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 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 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躁 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 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衬作用相同 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 1mm 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体的基础共振频率 晶体材料的半波长厚度 可由下式给出 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 20 35 106kg s m 2 人体组织的阻抗Ze 1 58 1 7 106 kg s 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钨粉配制 4 电子凸阵超声探头 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特点 但凸形探头波束扫描远程扩散 必须给予线插补 否则因线密度低将使影像清晰度变差 探头中的振元都不是同时被激励的 它们总是被分组分时受激励 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2 3mm的圆孔 用来通过不同型号的穿刺线或活检钳 第二章医用超声换能器 功能电能量 超声能量相互转换重要性整台超声仪器性能的关键材料性能种类 压电换能器 超声诊断仪主要用之 磁致伸缩换能器 超声治疗仪用之 超声诊断仪换能器探头 超声诊断仪换能器探头 测厚探头 直探头 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 晶格电偶极矩变化 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 压电效应示意图 二 医用压电材料 1 压电材料 具有压电效应特性的材料 2 压电材料的种类 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 3 压电特性的获得单晶体 某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 550oC 锆钛酸铅 330oC 钛酸钡 120oC 4 各类压电材料的优缺点压电陶瓷电 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 三 压电材料的主要参数和压电方程 1 主要参数 1 压电常数d和gd 压电材料加上单位电场所产生的应变 又称 材料的发射常数 单位 m vg 压电材料开路时 施加单位应力所产生的电场 又称 材料的接收常数 单位 v m 2 介电常数 同样电压下 压电材料介质和真空介质的电容比值 S 换能器被夹紧 S 0 时的介电常数 T 换能器自由 T 0 时的介电常数 d g TS 应变 单位长度内的长度变化量 T 应力 材料内力 2 压电方程材料仅作厚度振动 参量仅在厚度方向时的压电方程S 1 YE T dE D dT TE 式中 Y 电场不变时的杨氏模量D 电位移 单位面积上的电荷量E 电场强度S 应变T 应力 应力不变时的介电常数d 压电常数 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 讨论 1 加电压V 自由 T 0 时 由 式得 L SL dEL dV即 形变 L正比于加的电压V 2 加电压V 夹紧 S 0 时 由 式得 T YEdE dYE V L即 应力T正比于加的电压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正比于加的压力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正比于加的压力P S 1 YE T dE D dT TE E V L P Td g T 超声诊断中常根据不同的受检对象和部位选择不同的探头 如2MHz 2 5MHz 5MHz 10MHz等 探头的发射频率是由什么决定的呢 探头的发射频率 当一交变电压加至压电材料上时 压电晶片表面产生相应的振动 并向与之接触的介质中辐射超声能量 除非特性阻抗相等 一般总有部分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 压电体内传播时间t L c 2 c cT 2 c T 2即 到达对面时 与相移180o的对面振动叠加 达到同频同相叠加 辐射超声最强 即为谐振情况 对应频率f c c 2L称基本谐振频率 或基频 一般地 基频或更高频率在压电体内传播从一个表面到达对面所用时间为 t L c 2n 1 T2n 1 2 n 1 2 即 L 2n 1 2n 1 2或 f2n 1 1 T2n 1 2n 1 c 2L时 都能达到谐振 f1 基频 f3 f5 f7 高次谐振频率 f1L c 2 材料的频率常数 结论探头的发射频率是由晶体的厚度决定的 第二节换能器的超声场 超声场弹性介质中充满超声能量的空间 或超声传播时超声能量在介质中的空间分布 平面圆片换能器活塞振动的稳态超声场活塞振动 平面振动稳态超声场 不考虑建立过程的稳定超声场r 极坐标z 声轴方向a 圆片半径 可看成无数频率 振幅 相位相同的点声源声场叠加 在B r 点积分求得P 并进而求得I P2 Z一 轴向声场分布 0 r可变 1 声轴上声强表达式式中 Z 介质声阻抗 V0 速度振幅 波长可见 2 轴向声场分布图 据上式 当0 r r0 存在数个极大值和极小值 当r r0后 随着r的增大 声强逐渐减弱 轴向上声场分布图 3 近场距离 r0 式中 D 2a 压电体直径 如a 则声学上称 rr0 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 r2 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的同心圆环 环的数量随着距离的增加而减少 声能几乎不扩散 声束宽度接近相等 等于D 2 径向远场分布波束如图2 6所示 远场声强呈多个瓣形 主瓣最强 98 旁瓣多但较弱 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一般 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 可能引起盲点 远场中旁瓣 会造成显示位置 距离测量等失真 需采取措施改善 第三节探头的结构及其作用 超声探头 超声检测用换能器各种超声诊断仪 探头基本结构大致相同 以 型为例 一 探头的基本结构 压电晶片 吸声背块 匹配层 电极 导线 声隔离层 保护层 外壳 压电晶片 1 晶片形状 圆片形 矩形 球壳圆片形 圆筒形 2 作用发射 接收超声 即 电 声 声 电转换 3 要求 可加工性 银层牢固 各部分性能一致性 性能稳定性和可靠性 4 特性 晶片厚度确定发射超声的频率 晶片形状确定声束的形状和声场分布 2 吸声背块 1 作用 吸收晶体背向辐射的超声 减少或消除晶体两端之间超声的多次反射造成的干扰 增大晶片阻尼 使发射脉冲窄 从而提高分辨率 2 要求 与压电晶体的声阻抗相等 以全部吸收背向辐射 对超声的吸收力强 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 3 匹配层 1 作用 使晶体辐射的超声有效进入人体 实现对人体组织的检查 换能器和人体之间声阻抗匹配 条件 增加换能器的带宽 隔开晶体和人体 保护晶体 免受机械 化学损坏 保护人体 免受激励电压的伤害 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 4 电极 导线 1 作用传输电信号 2 结构晶体两面的银层为电极 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 防止超声传至外壳引起反射 产生干扰 2 材料软木 橡胶 尼龙等 二 单片换能器的基本型式 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 3 换能器设计 三 探头使用注意事项 1 严守使用规定 2 小心轻放 不得摔跌 3 关电源拆装 4 避免接触有机溶剂 5 保护透声面 6 使用无腐蚀性的耦合剂 7 非水密探头不能浸水使用 8 不得高温消毒 9 用前检查 10 用后清洁