第二章 医学超声换能器ppt课件.ppt

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1、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１.压电换能器——超声诊断仪主要用之２.磁致伸缩换能器——超声治疗仪主要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

2、电效应示意图(a)正压电效应(b)负压电效应压电效应通常具有两种形式：横向压电效应（形变方向与电场方向垂直）纵向压电效应（形变方向与电场方向平行）在医学应用中，主要采用具有纵向压电效应的材料。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

3、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。对所有的压电材料，当温度升高到一定值后其压电效应就会消失，这一温度称为居里点。居里点：石英=550oC，锆钛酸铅（PZT）=330oC，钛酸钡=120oC4.各类压电材料的优缺点压电陶瓷（最常用）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（高频）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

4、，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ε同样电压下，介质为压电材料和介质为真空的电容比值。压电材料的介电常数与换能器的自由度有关，通常给出两个值：εs:换能器被夹紧,不能响应外加电场产生形变（S=0）时的介电常数，εT:换能器不受限制，处于压力为零（T=0）的自由状态时的介电

5、常数。d/g=εTS－应变：单位长度的长度变化量，T－应力：材料内力。2．压电方程在压电材料中，电场E或者材料中的电位移D产生应力T和应变S;反之材料的应力或者应变则会产生内部的电场和电位移。电量E和D与机械量T和S之间存在着线性关系，但是由于存在四个变量，因此该关系比较复杂。在大多数医用诊断仪器中，换能器是一个薄片，加上交变电压时其厚度发生变化，表面产生振动，发射超声波。接收到压力振荡时，厚度发生变化，产生电压信号。因此，可以认为E、D、T和S四个量都平行于厚度方向，且垂直于表面。材料仅作厚度

6、振动，参量仅在厚度方向时的压电方程S=（1/YE）T+dE①D=dT+εTE②式中：YE－电场不变时的杨氏模量D－电位移E－电场强度S－应变T－应力εT－应力不变时的介电常数d－压电常数定义换能器特性的坐标系统其中：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①式得：△L=SL=dEL=dV即：形变△L正比于所加的电压V（2）加电压V，夹紧（S=0）时，由①式得：T=－YEdE=－(dYE)

7、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②式得：V=－dT(L/εT)=(d/εT)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②式得：q=dTA=－dAP式中：A—压电换能器的面积即：产生电荷积累q正比于加的压力PS=(1/YE)T+dE①D=dT+εTE②E=V/L，P=－Td/g=εT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

8、？３．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。０T/2０TTttT/2L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压电晶片两个表面的振动从相位上看刚好相差π，即反相。如果从压电片的前表面产生一个振动，经压电片内部传播至后表面，则会与后表面产生的振动互相叠加。Lc,f前向后向压电体超声超声由波的叠加原理，当压电片的厚度刚好等于超声波的半个