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1、医学超声学课件第3章 pdf 第三章医用超声换能器?压电材料的特性与压电效应?压电振子?医用超声换能器的种类与结构?超声换能器的声场特性?超声换能器重要性能的测定本章提要Chapter3Transducers forMedical Purpose医学超声诊断与治疗设备中的最重要部件之一是超声波发射与接收换能器。 对于超声设备而言大多数采用声电换能器来实现。 声电换能器按工作原理分为电场式与磁场式。 电场式是利用电场所产生的力效应实现声电能量相互转换的内部储能元件是电容磁场式是利用磁场的力效应实现声电能量互相转换的内部储能元件是电感。 医学超声工程中大多使用压电式超声换能器其对外电特性呈容性。
2、本章顺序渐进将从压电材料压电振子压电换能器全面介绍医用超声换能器。 第3.1节压电效应与压电材料特性一.压电效应一正压电效应将机械能转变成电能的效应称正压电效应。 超声波接收换能器采用了正压电效应声压电压。 二逆压电效应将电能转变成机械能的效应称逆压电效应。 超声波发射换能器采用了逆压电效应电压声压。 压电效应是可逆的。 奠定了用同一超声波换能器即发射与又接收脉冲回波法超声波诊断仪分时工作的基础。 -图3.1正压电效应图3.2逆压电效应二.压电材料一压电单晶体第一代压电材料SiO2自然极化二压电陶瓷第二代压电材料PZT人工极化三压电高分子聚合材料第三代压电材料PVF2自发极化优势互补结合PZT
3、耐高温、耐破碎三.压电方程压电材料既是弹性体又是介电体。 因而即具有力学性又具有电学性。 作为弹性体有弹性模量T/Sc作为介点体有电常数D/E。 力电转换的压电关系图矩阵形式的状态方程是D-hSE DhSCT:hEeSD EeSCT:eD-gTE DgTSS:gEdTD EdTSS:StDStETtDTtEd压电体弹性量介电量压电量TSED四.压电体参数一机械品质因数Qm二机电耦合系数K三压电系数1.发射系数1压电应变系数d2压电应力系2.接收系数1压电电压系数g2压电劲度系数h。 d、e表示逆压电性能g、h表示正压电性能。 四频率常数N Nfr1/2E/1/2五居里点:压电性能消失的临界温度
4、点。 有上居里温度五居里点:压电性能消失的临界温度点。 有上点和下居里温度临界点范围越宽越好。 接时会出现高温情况冰天雪地的东北地区出现低温情况。 况冰天雪地的东北地区出现低温情况。 第3.2节压电振子压电体可极化面覆盖上激励电极后即成为压电振子它具有正、逆压电效应双重机电可逆转换能力是换能器的核心部分。 一.压电振子的振动模式厚度振动纵向d图伸缩振动长度振动横向b图径向振动横向a图振动模式切变振动厚度切变反向横波e图面切变弯曲振动厚度弯曲纵向长度弯曲纵向能陷振动医学超声工程中多采用厚度伸缩振动活塞式振动模式。 能陷振动是指振子的振动能量被限制在电极区域内电极区域外能量衰减很快由压电体纵向和径
5、向振动耦合而引起的高次谐波干扰得以消失从而使压电振子获得良好的厚度振动响应。 需要注意的是在电脉冲激励振子进行厚度伸缩振动的同时也会激发径向振动它会对前者产生干扰增加辐射脉冲的宽度使探测的纵向分辨率下降盲区增大。 设计时需要注意在多阵元换能器设计制造时尤其要注意避免或采取措施来减弱多振动模式的耦合以及对厚度伸缩振动的干扰。 二.压电振子的等效电路两种等效方法力电类比等效电路法筒浞涤弥胁捎昧缋啾鹊刃缏贩mTC0CmRT C0:静态电容Cm:动态电容又被称为力顺Lm:动态电感又被称为力质量RT:辐射电阻又被称为动态电阻。 RTRmRLRm:摩擦阻尼力阻RL:辐射阻尼力阻真空中等于零。 三.压电振子
6、的谐振特性压电振子作为弹性体当所施加的机械振动的频率等于其固有频率时将产生机械谐振。 产生正压电效应机械能电能。 压电振子作为压电体当所施加的电压频率等于其固有频率时将产生电谐振。 产生逆压电效应电能机械能。 振动机理当压电振子的厚度正好等于激波频率的半波长时两振动同相位应力互相加强振动具有最大振幅产生谐振当压电振子的厚度正好等于激波频率机械振动或电压的一个波长时两振动反相互相抵消振幅最小。 若纵波的传播速度为c晶片厚度为L则发生谐振的各点是基频?LcfnLfnnLnLn2121221122212232112由书69页3.10所示压电振子阻抗随频率的变化关系电路发生串联谐振时电路发生并联谐振时
7、即当频率的半波长晶片厚度时发生谐振并且有两个谐振点串联谐振和并联谐振。 这里产生驻波也就是产生谐振。 结论应用1.发射时调谐到串联谐振发射能量最大2.接收时调谐到并联谐振接收灵敏度最高。 mmSCL21fm0m0mPCCCCL21fC0:静态电容Cm:动态电容又被称为力顺Lm:动态电感又被称为力质量。 见压电振子等效电路第3.3节医用超声换能器种类、结构与特性一.医用超声换能器分类单振元单独的A超、探伤仪、M超、脉冲多普勒等1.按振元数分类多阵元线阵、相控阵、凸阵、方阵等聚焦换能器一维聚焦、二维聚焦电子和声学聚焦2.按声束特性分类非聚焦换能器发射型连续波多普勒、透射型U-CT等3.按收发方式分类接收型同上收发兼用型采用脉冲回波法的所有机型4.按几何形状分类圆形换能器、环形换能器、方形换能器、矩形换能器、喇叭形换能器、菊花形换能器。 1、 2、3是医生经常运用的术语4是研究者常使用的术语。 二.医用超声换能器的结构一单振元换能器压电振子:产生压电效应的核心单S_?#?7B?。 内容仅供参考
