医学超声学课件第3章.pdf

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1、第三章医用超声换能器本章提要：•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Chapter3TransducersforMedicalPurpose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

2、换能器，其对外电特性呈容性。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、3.1正压电效应+--++-++--+--++-图3.2逆压电效应3.1.2压电材料不同方向上所表现的压电效应，强弱和性质不同，这种特性是由压电材料内部结构的各向异性所决定的。分类：1.压电单晶体（石英）：x,y轴为压电轴，z为光学轴，x轴又分别有三个极化轴x、x、x，各轴夹角为120o。123•按X切割法得到的石英晶体片在两面外加交变电场时，晶体片产生厚度的压缩及伸张，即晶体片产生厚度振动。•石英的固有振动频率与其厚度有关，晶体片越薄，固有振动频率越高。•特点：优点：性能稳定。缺点：需使用几千伏以上的高电压；要求加工精密度高；机电耦合

4、系数（灵敏度）低。2.压电陶瓷•人工制成的压电多晶体材料。•电畴：自发极化方向相互趋于一致的的区域。通常人工烧结出来的陶瓷是多畴的，材料内不出现宏观电极化，无压电性能。•极化处理：用大于陶瓷的矫顽电场Ec的直流电场进行一定时间的极化处理，使电畴转向，由多畴变成单畴晶体。极化处理后，陶瓷保留一定的总体剩余极化强度，从而使陶瓷体具有压电性能。在外加交变电场作用时，其极化量便跟随外加电场的极性周期性的变化，在宏观上形成了电致伸缩的现象。•钛酸钡是最先制造出来的人造陶瓷材料。•PZT锆钛酸铅是使用最广泛的压电陶瓷。•优点：可以制成任意形状，制作

5、工艺简单，能在所需要的方向进行极化处理。3.压电高分子聚合材料聚偏氟乙烯（PVF2或PVDF），分子式为（CH2—CF2)n在垂直于高分子薄膜上加交变电场，就会引起薄膜做厚度伸缩振动。特点：①结构简单，体软量轻、成本低、适用于大量生产；②力学性能较好，可制成几微米厚大面积的压电薄膜；③具有较好的抗辐射性；④材料弹性刚度小，机械损耗小，Q低，适用于宽带换能器；m⑤PVDF压电薄膜的弹性刚度常数和ε值低，压电电压系数g高，是一种良好的接收型压电振子材料；⑥PVDF材料的声阻抗接近人体组织，容易获得良好匹配；⑦PVDF薄膜不受潮湿和灰尘的影响

6、，在室温条件下性能稳定。4.1-3复合材料PZT细棒以一定分布方式排成阵列，在其间浇灌环氧树脂，其压电相是一维连通的，聚合物相是三维连通的。PZT纤维棒聚合体聚合体矩阵陶瓷典型1-3复合压电材料结构1-3复合材料单一结构示意图1-3复合压电材料的性能主要取决于：(1)PZT柱的宽度与高度之比；(2)PZT相的体积百分比；(3)压电陶瓷材料的性能；(4)非压电相（聚合体）材料的性能。特点：1)较低的声阻抗，与人体和水具有更好的匹配特性；2)较高的机电耦合系数，具有较好的声电能量转换效率；3)较好的声学隔离特性，减少了横向耦合，对于多阵元应

7、用具有优势；4)更灵活的使用特性，可按需要制作成曲线形状的换能器。二.压电材料压电体（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TE电材料(PZT，人工极化)弹性量压电量介电量（三）压电高分子聚合材料——第三代压电材料(PVF2，自SD发极化)优势互补结合——PZT+力电转换的压电关系图（耐高温、耐破碎）矩阵形式的状态方程是：E三.压电方程d:S=ST+dtETò压电材料既是弹性体，又D=dT+εED是介电体。因而即具有力g:S=ST+gDt学性；又具有电学性。E=-gT+TDβò作为弹性体有弹性模

8、量：Ee:T=CS+eEtT/S=c；作为介点体有SD=eS+εE电常数：D/E=ε。h:T=CDS+hDtSE=-hS+βD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