《部分超声换能器》PPT课件

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1、§2医用超声换能器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（anisotrop

2、ic）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

3、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

4、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

5、,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

6、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（PVＤＦ）：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=μH式中B为磁感应强度，H为磁场强度，μ为磁导率4.压电材料在热学效应中有：Q=φσ/ρc式中Q为热量；φ为温度；σ为熵；ρ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

7、用。把两个力学量--应力τ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

8、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