医学超声原理-第八讲---超声换能器

What is ultrasound transducer？
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An ultrasonic transducer is a device that converts energy into ultrasound, or sound waves above the normal range of human hearing. While technically a dog whistle is an ultrasonic transducer that converts mechanical energy in the form of air pressure into ultrasonic sound waves, the term is more apt to be used to refer to piezoelectric transducers that convert electrical energy into sound. Piezoelectric crystals have the property of changing size when a voltage is applied, thus applying an alternating current (AC) across them causes them to oscillate at very high frequencies, thus producing very high frequency sound waves.
三、医学超声换能器结构
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Function of the backing material
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Function of the acoustic matching layer
工作原理： 通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动
系统。当换能器用作发射器时，从激励电源的输出级送 来的电振荡信号将引起换能器中电储能元件中电场或磁 场的变化，这种电场或磁场的变化通过某种效应对换能 器的机械振动系统产生一个推动力，推动与换能器机械 振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。
压电振子 产生压电效应的元件 主体 吸收块 吸收背向辐射的声能，称为背材
保护层 减轻振子磨损，进行阻抗匹配，称为面材 外壳 为换能器的结构件 壳体 接插机构 经接插机构与仪器联接 电缆线 超声电信号的载体
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第八讲 医学超声换能器
本章主要内容
一．超声换能器介绍 二．医学超声换能器种类 三．医学超声换能器结构 四．医学超声换能器特性 五．超声发射激励电路 六．超声换能器的匹配技术
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一、超声换能器介绍
超声换能器简介（transducer; energy changer ） 用来发射声波的换能器称为发射器。当换能
同相线阵列，阵元数目越多，主瓣越尖锐。旁瓣受到更 大抑制，幅度更小。
图3.7 同相线列阵及方向图
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三、医学超声换能器结构
（三）机械扫描换能器 机械扫描换能器可以分为扇形扫描与线性扫描。
（四）聚焦换能器
a) 声透镜 b) 凹形压电材料 c) 声反射镜 d) 电子聚焦 e) 凹型多元阵聚焦
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阵列换能器的基本结构
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三、医学超声换能器结构
（二）多阵元换能器
（a)
（b)
（c)
（d)
图3.6 （a)线阵 (b)相控阵 （c)凸面线阵 (d)方阵
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三、医学超声换能器结构
所谓相控换能器阵列：就是指多个换能器阵列排列成一 条直线，每个阵元上所加信号的相位不同。
二、医学超声换能器种类
单元换能器
1.按振子单元数分
多元换能器
线 阵 相控阵 方 阵

凸 阵
2.按声束特性分
聚焦换能器
一维聚焦 二维聚焦
电子聚焦 声学聚焦 电子聚焦 声学聚焦
非聚焦换能器
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一、超声换能器介绍
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临床上常用的超声换能器
常见的B（Brightness ）超探头
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临床上常用的超声换能器
眼科A（Amplitude ）超探头
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本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基 本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性， 如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程 序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配 技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本 科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及 工程技术工作者参考。
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Transcranial Doppler (TCD) 经颅超声多普勒 探头
What is ultrasound transducer？
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Ultrasonic sensors (also known as tranceivers when they both send and receive) work on a principle similar to radar or sonar which evaluate attributes of a target by interpreting the echoes from radio or sound waves respectively. Ultrasonic sensors generate high frequency sound waves and evaluate the echo which is received back by the sensor. Sensors calculate the time interval between sending the signal and receiving the echo to determine the distance to an object.
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指定教材
目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是 从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本 科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的 主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理 基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断 原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超 声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练 习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并 提高分析解决问题的能力。为配合双语教学， 本书保留了关键专业词汇的中英文对照。
第八讲 超声换能器
指定教材
目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是 从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本 科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的 主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理 基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断 原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超 声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练 习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并 提高分析解决问题的能力。为配合双语教学， 本书保留了关键专业词汇的中英文对照。
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三、医学超声换能器结构
声束聚焦在医学超声中有较大的作用。聚焦 使焦区的声束变窄，能提高侧向、横向分辨．从 而提高超声诊断的有效性。产生超声聚焦的方法 有非电子和电子两大类，前者又分声透镜聚焦、 声反射镜聚焦和压电材料凹面聚焦。由于技术上 的差异，非电子聚焦产生的焦点通常位置固定， 电子聚焦产生的焦点的位置可以固定，也可以变 动。
器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转 换成声能。
用来接收声波的换能器称为接收器。当换 能器处于接收状态时，将声能变成机械能，再转 换成电能。
有些情况下，换能器既可以用作发射器，又 可以用作接收器，即所谓的收发两用型换能器。
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一、超声换能器介绍
在声波发射和接收的状态下，两者都具有聚 焦功能。
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三、医学超声换能器结构
a) 声透镜 声透镜聚焦的作用原理与光学透镜一样，即在
透镜材料中由于声波传播速度与其周围介质中的声 波传播速度不同而产生折射，从而得到声波的聚焦。 由于光在玻璃中的传格速度比空气中为慢，故光学 聚焦透镜是凸透镜。但是，声透镜用聚乙烯和合成 树脂作为材料、声波在其中的传播速度要比在人体 中的传播速度为快，故声透镜是凹透镜。
本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基 本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性， 如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程 序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配 技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本 科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及 工程技术工作者参考。
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电子线阵探头剖面示意
电子线阵超声探头 配用于电子式线性 扫描超声诊断仪。 其结构如右图所示， 它主要由6部分组 成:开关控制器、阻 尼垫衬、换能器阵 列、匹配层、声透 镜和外壳。
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阵列换能器的基本结构
What is ultrasound transducer？
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The location at which a transducer focuses the sound can be determined by the active transducer area and shape, the ultrasound frequency, and the sound velocity of the propagation medium. The example shows the sound fields of an unfocused and a focusing ultrasonic transducer in water.
接收声波的过程正好与此相反，在接收声波的情况下， 外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机 械振动系统发生振动，借助于某种物理效应，引起换能 器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起 换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压或电流。
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二、医学超声换能器种类
发射型换能器 3.按收发方式分 接收型换能器
收发兼用型换能器
圆形换能器
环形换能器
4.按几何形状分
方型换能器 矩形换能器
喇叭型换能器
菊花型换能器
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三、医学超声换能器结构
（一）基本单元换能器
Function of the acoustic lens
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柱形单阵元超声换能器剖面结构图
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柱形单振元探头主要 用于A超和M超，又称 笔杆式探头。目前在 经颅多普勒（TCD） 及胎心监护仪器中亦 用此探头。由于它是 各型超声成像仪用探 头的结构基础，特此 作一介绍。