B超与多普勒课件第二章

3、频率常数N
把压电体谐振频率fr与沿振动模式方向的几何尺寸（厚度 或长度或直径等）的乘积称为频率常数N。 谐振频率不仅与材料性质有关，而且与压电体的几何尺 寸有关，但频率常数只与材料性质有关。
第二节 压电振子
一、压电振子的振动模式 ——伸缩振动、切变振动、弯曲振动 （１）厚度方向伸缩振动模式 薄片形压电振子（矩形片、圆片、圆环等）沿厚度方 向极化，而其振动方向亦沿厚度方向。
极化存在弛豫过程。材料内极化状态的变化跟不上外加电
压的变化。
高温和强电场作用下，介质漏电，漏电流形成发热现象。 制备工艺不完善，陶瓷结构不均匀。
介质损耗的倒数称为电学品质因数
（5）机电耦合系数K
表示压电体中机械能和电能之间耦合强弱的一个常数，是 衡量压电材料性能的重要参数。 在正压电效应时，外电压E=0，有：
纵向压电效应
形变方向与电场方向一致 横向压电效应 形变方向与电场方向相垂直
逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况， 虚线代表形变后的情况）
二、医用压电材料
压电晶体是超声换能器的核心部件，由压电材料制 成，包括天然和人造的。 压电单晶体 石英具有较好的压电特性、机械特性和稳定性，对 水不敏感。 多晶体压电陶瓷 PZT可作为大功率发射材料应用 压电高分子聚合物 PVDF可制成压电薄膜，其纵向压电效应可制造高频 范围的电声换能器。 复合压电材料
Z Z晶 Z 皮 l匹 (2n - 1) 匹/4
② 增加换能器的带宽 ③ 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 ① 衰减系数低 ② 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
原则：
吸收层声阻抗最好与压电材料的声阻抗接近，以 使来自压电振子背向辐射超声波全部透进吸收层。 吸收层对超声能应具有最大的衰减能力，使得已 进入吸收层的超声波不再反射回到振子中去。
3、匹配层
（1）作用 ① 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：
E S T D D T
当压电体的应变为恒定时，电场强度变化所产生的应力变 化与电场强度变化之比，或当电场强度为恒定时，应变变化 所产生的电位移变化与应变变化之比称为压电应力常数。
emi
T D E S S E
超声医学原理与应用
授课老师：王伟 联系方式：jmcar@ 联系电话：62471403
第二章医用超声换能器
第一节 压电换能器
一、压电效应 1、压电效应的物理原理 ——对某些材料施加一压力或拉力时，除了材料外 形有所变化外（所谓的应变），由于此类材料之晶 格结构具有某种不对称性，外形的变形使内部电子 分布呈局部性不均匀而产生一定的电场分布。反之， 外加一周期性电压或电场变化，则能使材料产生变 形及一对应的应力，形状变化随外加电压信号频率 而改变，可产生一周期性弹性波或声波。这种效应 称为压电效应,材料即为压电材料
二、等效电路
一个压电振子可看做是一个电路系统和一个力学振动系统 的机电耦合系统。当压电振子只是单面辐射，且工作在谐 振频率附近时，就可用具有两个电输入端和两个机械输入 端的四端网络来表示。
Lm C0 Cm Rm
等效电路

压电振子电流特性
阻抗特性
电流—频率特性
三、频率谐振特性
压电振子一旦成形，它的固有频率就已定，当外加频率 等于它的固有频率时，就产生机械谐振，对应于正/逆压 电效应分别产生最大弹性振动和最大感生电荷量。
2
（6）居里点 表征压电材料可承受的温度极限值，当超过此温度或达到 某一临界值时，陶瓷结构解体，介电、弹性以及热学等性 质均出现反常，压电性能消失。这一临界温度称为居里点。 （7）弹性柔顺性常数（sij） ——表示压电材料所受应力与产生应变之间的关系。 （8）弹性刚度常数（cij） ——表示使物体产生单位应变所需要的力。
多元换能器
多元换能器是由n个小振子-阵元排列成某种阵列，应 用电子技术，按某种逻辑程序，使声束在空间不同方位上 扫描，从而显示组织的图像。
种类：线列阵、相控阵、方阵
线阵探头
线阵探头有64、128、256和512振元组成的多种探头； 由于振元晶片切割的厚度不同，它的使用频率不同，它
的线阵排列的长度也不同，工作频率低的,其尺寸就长
压电陶瓷的优点
目前用的最多的是PZT压电多晶体，其优点如下： i. 电-声相互转换效率高，灵敏度较高，可采用较 低的激励电压； ii. 易与电路匹配； iii. 性能比较稳定； iv. 非水溶性，耐湿防潮，机械强度大； v. 价格低廉； vi. 易于加工，且可通过掺杂、取代、改变材料配 方等方法大幅度调整其性能参数。
（m,k=123;i,j=1,2,…,6）
2、压电参数
反映压电材料性能的标志，除了具有力学性质、电学 性质外，还具有压电性质。 （1）压电常数 压电常数反映了压电体中力学（弹性）与电学（介电 性）之间的耦合关系。 （I）压电应变常数 当压电体处于应力为恒定时，由于电场强度变化所产 生的应变变化与电场强度变化之比，或电场为恒定时，单 位应力所引起的电位移变化。
2、压电效应的物理本质 ——不对称晶体内部离子受外力作用，离子间产 生不对称的相对位移，结果形成新的电偶极矩， 从而引起晶体表面产生相对位移，这种位移使晶 体内部产生应力，从而产生宏观的形变。
正压电效应： 因机械力作用引起表面电荷 的效应，电荷密度与外加机 械力大小成正比，超声的接 收利用这效应。
2、吸声背块
（1）作用 ①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。 ②增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分辨率。 （2） 要求
① 与压电晶体的声阻抗相等，以全部吸收背向辐射。
② 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
扇型探头扫查
凸弧型B超切面
凸弧型探头扫查
１、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 （3） 要求 ① 可加工性 ② 银层牢固 ③ 各部分性能一致性 ④ 性能稳定性和可靠 性 （4） 特性 ① 晶片厚度确定发射 超声的频率 ② 晶片形状确定声束 的形状和声场分布
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋ 极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线 代表形变后的情况）
逆压变效应： 由电效应而转变为机械效应或 Ｅ 者由电能转变为机械能的现象。
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋ 极化 方向 －－－－－－
＋＋＋＋＋＋
电 场 方 向
3、压电效应的形式
矩阵式探头
矩阵式探头的振元块是由切割成数百个方块到数千 个方块的矩阵组成。可应用于二维超声心动图和实时三维 超声心动图；这是当前先进的笫三代多平面超声探头．实 时三维超声心动图可以即时观察心脏的三维解剖结构，更 好地评估瓣膜、室壁和血管之间的复杂关系．
三、诊断超声换能器的特性 1、频率特性 2、阻抗匹配 3、吸收特性 4、灵敏度
理想条件下储存于压电 体中的电能 K 理想条件下输入到压电 体中的总机械能 引起电荷在连接的电极 间移动的被转换的机械 能 与施加应力相随的输入 机械能
2
在逆压电效应时，外应力T=0，有：
理想条件下储存于压电 体中的机械能 K 理想条件下输入到压电 体中的总电能 引起机械应变的被转换 的电能 输入电能
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）
① 球面（曲面）压电体聚焦
② 声透镜聚焦
在一定探测范围内，使声束会聚收敛。由于超声 能量集中，增加了声束的穿透能力和回波强度，改 善了探测性能。
d mi
S D E T T E
（II）压电电压常数
当压电体的电位移为恒定时，由于应力变化所产生的电场 强度变化与应力变化之比，或当应力为恒定时，由于电位移 变化所产生的应变变化与电位移变异之比称为压电电压常数。
g mi
（III）压电应力常数
一些。上图中的11号探头就是2.5MHz的线阵探头。
凸阵探头
凸阵探头有不同频率、不同弧面尺寸的通用凸阵探 头和变频凸阵探头,还有一种适用小器官的微凸阵探头。 凸阵探头的扇扫角度达80多度,微凸阵探头可应用于小器 官探查,其扇扫角度大于90度。 目前在彩色多普勒超声诊断仪使用变频探头，如有 2.0/5.0MHz，2.5/5.0MHz，5.0/7.5MHz，7.5/12MHz等多 种变频探头. 变频探头的设计主要适用于一次探扫中， 能进行多部位扫描,也适用于不同体形的超声探查。
g和h代表正压电性能，反映换能器的接受性能。g和h 越大，意味着同样的应力或应变条件下，产生的相对 开路电压越高或者说即使接收到较弱的超声波也能产 生较大的相对开路电压，即接收灵敏度越高。
（2）介电常数（电容率） 压电体应力不变时，单位电场强度所引起的电位移变化。
D E T
——某一条件下，能探测出目标大小的能力
3.
换能器设计
机械扇扫探头
机械扇扫探头己是八十年代使用的最多的技术；由于超 声振子附着在一个机械摆架上，摆动的角度和摆动频率都 受到一定限止，如它的最大摆动角度只有60度，比不上现 代电子相控阵凸阵探头的扇扫角度90度，更比不上微凸阵 探头170度，和曲阵探头240度的扇扫角度。在机械扇扫探 头内必须充有探头油，探头油要具有良好声透性，又要是 低密度、低阻力、绝缘性好的液体。机械扇扫探头的使用 寿命也不如相控阵凸阵探头；但是在使用上，两者都不需 要移动时，就可获得一幅图像。 机械扇扫探头是利用正余弦变压器或正余弦电位器与探头 同轴旋转，产生正余弦位臵信号，调整锯齿波扫描，完成 与探头位臵同步扫描，这是机械扇扫探头的基本工作原理。