完整版医学超声原理----超声换能器的声场
医学超声原理 第九讲 超声换能器的声场
Pm
nP0 r
sin nd / sin n sin d / sin
图3.21 线阵换能器声场坐标系统
二、多阵元超声换能器的声场
2、声束指向性 （1）指向性函数Ds
Ds
P r P0r
sin
n
d
n
sin
d
sin
sin
式3.47
（2）主瓣、栅瓣的位置以及消除栅瓣的条件，Ds
半功率点开角的条件：
Ds
sin
nd
n
sin
d
sin sin
'3dB '3dB
1 2
式3.51
二、多阵元超声换能器的声场
波束宽度：
0
2 arcsin
nd
2 arcsin
n
1
nL
3dB
2
arcsin
0.42
nd
2 arcsin
0.42
n
1
nL
式3.52
L是阵的长度d＝L/（n－1）
二、多阵元超声换能器的声场
（4）定向准确度Δθ 当超声设备用极大值法定向时，能发现声束偏离极
大值方向的最小偏角称为准确度，用Δθ表示，一 般情况下，
0.25sin0 / 2 0.60sin 3dB / 2 式3.53
第九讲 超声换能器的声场特性 器
第九讲 超声换能器的声场特性
本章主要内容 一、单阵元换能器的声场 二、多阵元超声换能器的声场 三、凹型压电材料聚焦声场的数值模拟
一、单阵元换能器的声场
一、单阵元换能器的声场 （一）平面圆形换能器的超
声场 1、声源轴线上的声压分布
点状声源在空间的 声场分布表达式
超声波换能器的结构及原理
超声波换能器的结构及原理超声波的发射和接收，需要一种电-声之间的能量转换装置，这就是换能器。
超声换能器，也即超声传感器，是超声波流量计中的重要组成部分。
通常所说的超声换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。
换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。
超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。
人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，目前使用较多的是压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT)、PVDF等。
压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电效应。
其结构原理如图3所示：图3超声波换能器结构原理图超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。
压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(1～10) m ，但这种振动的加速度很大，约(10～10 3 ) g，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动量，若这种能量沿一定方向传播出去，就形成超声波。
当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。
相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。
通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电路，如图 4（a）所示，也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路，如图4（b）所示。
如果用导线将压电换能器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线地等效电容、等效电阻、前置放大器地输入电阻、输入电容。
超声波换能器原理
超声波换能器原理
超声波换能器是一种将电能转换为机械振动能的装置，它是超声波技术的核心部件之一。
超声波换能器的原理是利用压电效应，将电能转换为机械振动能，从而产生超声波。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时，会产生电荷分布的不均匀，从而产生电势差。
反过来，当电场作用于这些晶体时，会使其发生形变。
这种晶体就是压电晶体，如石英、锆钛酸铅等。
超声波换能器通常由压电晶体和金属质量块组成。
当外加电压作用于压电晶体时，它会发生形变，从而使金属质量块也发生振动。
这种振动会产生超声波，其频率与电压的频率相同。
超声波换能器的工作原理可以用以下公式表示：
f = n × v / 2d
其中，f为超声波的频率，n为振动模式数，v为压电晶体的声速，d为压电晶体的厚度。
超声波换能器的应用十分广泛，如医学、工业、军事等领域。
在医学领域，超声波换能器被用于超声诊断、超声治疗等方面。
在工业领域，超声波换能器被用于清洗、焊接、切割等方面。
在军事领域，超声波换能器被用于声纳、水下通信等方面。
超声波换能器是一种将电能转换为机械振动能的装置，其原理是利用压电效应产生超声波。
它的应用十分广泛，是超声波技术的核心部件之一。
超声换能器的原理
超声换能器的原理
超声换能器是一种能够将电能转化为声能的装置。
它由压电材料制成，压电材料的晶粒排列规则，通过外加电场的作用而发生微小的位移。
当外加电场的方向周期性变化时，压电片中的晶粒也会周期性地振动。
这样，压电片就会产生声波，进而将电能转化为声能。
超声换能器的工作原理基于压电效应和反压电效应。
压电效应指的是某些特定的晶体或陶瓷材料在受到力或压力作用下会产生电荷分布不对称，从而生成电压。
反压电效应则是指当这些晶体或陶瓷材料受到外加电压时，会发生形变或位移。
在超声换能器中，应用了压电和反压电效应。
压电片是超声换能器的关键组件，它通常由PZT（铅酸钛锆）陶瓷材料制成。
当外加电压施加到压电片上时，它会引起压电片的厚度发生微小的周期性变化。
这个变化导致了超声波的产生和发射。
同时，当超声波通过压电片时，它也会使压电片发生反压电效应，产生微小的电压信号。
超声波在超声换能器中的传播是由压电片的振动和反压电效应共同完成的。
压电片的振动激发了超声波的产生，并将声波传送到被测物体。
当超声波在物体中传播时，它会遇到不同的介质和物体界面，从而发生折射、反射和散射。
当超声波反射回超声换能器时，它会导致压电片发生反压电效应，产生电压信号。
通过测量这个信号，我们可以获取被测物体的信息，例如距离、形状和物性等。
总之，超声换能器利用压电效应和反压电效应，将电能转化为声能，并实现声能和电能之间的相互转换。
它在医学、工业、军事等领域有着广泛的应用，如超声成像、超声清洗和超声检测等。
超声换能器工作原理
超声换能器工作原理1.引言1.1 概述概述超声换能器是一种重要的电声转换器件，广泛应用于工业、医学、科研等领域。
它通过电能与机械振动的转换，实现了声波的产生和接收。
在不同的应用领域中，它具有不同的工作原理和结构。
超声换能器的工作原理基于压电效应和回声原理。
当施加高频电场到压电材料上时，由于压电效应的存在，压电材料会发生微小的形变。
这种形变将产生机械振动，并通过传导介质传播出去，形成了超声波。
超声波在超声换能器的结构中发挥着至关重要的作用。
超声换能器的结构通常由压电材料和负载材料组成。
压电材料是产生超声波的关键部分，它具有良好的压电性能。
负载材料用于接收超声波，并将其转换回电能。
除了压电材料和负载材料，超声换能器还包括了传导介质和机械辐射面等组成部分。
超声换能器广泛应用于医学领域，例如超声检测和超声治疗。
它可以通过发射和接收超声波来对人体进行观察和治疗。
在工业领域，超声换能器可用于测量、清洁和焊接等应用中。
此外，随着科技的发展，超声换能器还有着广阔的应用前景，尤其是在无线电通信、物联网和汽车技术等领域。
总体而言，超声换能器是一种具有重要作用的电声转换器件。
通过压电效应和回声原理，它实现了电能与声能的相互转换。
在不同的应用领域中，超声换能器发挥着重要的作用，并且有着广阔的发展前景。
通过进一步研究和技术创新，相信超声换能器将在未来的科技领域中发挥更大的作用。
1.2 文章结构文章结构部分的内容：本文共分为引言、正文和结论三个部分进行叙述。
引言部分主要概述了超声换能器工作原理的研究背景和重要性。
首先介绍了超声换能器的定义和作用，然后简要解释了超声换能器的结构和组成。
最后明确了本文的目的，即深入分析和总结超声换能器的工作原理，展望其在未来的应用前景。
正文部分是本文的重点部分，主要讲述了超声换能器的工作原理。
首先详细介绍了超声换能器的定义和作用，包括其在医学、工业和生物科学等领域的广泛应用。
然后着重解释了超声换能器的结构和组成，包括压电材料和电极的选择以及超声波的产生和传播原理。
超声波 换能器 原理
超声波换能器原理超声波换能器是将电能转化为超声能量的一种装置。
它广泛应用于医疗、工业、农业、冶金等领域，具有高频率、高效能、无污染、易实现自动化控制等特点。
本文将详细介绍超声波换能器的原理、工作方式以及应用领域。
超声波换能器一般由压电陶瓷、金属盖板、保护罩和导线等组成。
其中压电陶瓷是核心部件，它是通过压电效应实现将电能转化为机械振动能的材料。
压电陶瓷材料在施加电场时会发生形变，这种形变即为压电效应。
根据压电效应的不同方向，压电陶瓷又可分为纵向和横向两种。
在超声波换能器中，通常采用的是横向压电陶瓷。
超声波换能器的工作原理是利用压电陶瓷的压电效应将输入的电能转化为机械振动能，进而产生超声波。
当外加交流电源施加在压电陶瓷上时，电场的变化会导致压电陶瓷的尺寸发生微小变化。
这种变化会导致陶瓷产生机械振动，即超声波。
超声波的频率通常在20kHz以上，人耳无法听到。
这种高频超声波的特点使得它在工业和医疗领域有广泛应用。
超声波换能器的工作方式可以分为共振和非共振两种。
共振工作方式是将输入的电信号频率与超声波换能器的共振频率匹配，以达到最大振幅的效果。
通常，在共振频率处，换能器的振动幅度最大，能量转化效率最高。
而非共振工作方式则是将电信号频率设定在超声波换能器的非共振范围内，使得振动幅度较小，但换能器仍能转化电能为超声能量。
超声波换能器的应用领域十分广泛。
在医疗领域，超声波换能器主要应用于超声检测与成像。
它可以将电信号转化为超声波信号，通过体内组织的反射和散射，产生显像。
这种成像技术可以帮助医生了解患者的内部情况，对于诊断病变和指导手术具有重要意义。
在工业领域，超声波换能器被广泛应用于清洗、焊接、切割和探伤等领域。
超声波的高频振动能够有效清洗表面污垢；同时，超声波的局部热效应可以实现焊接和切割的高精度和高效率；此外，超声波还可以用于金属材料的探伤，检测材料内部的缺陷。
此外，超声波换能器还被应用于农业领域。
例如，超声波换能器可以用于植物的喷雾和施肥。
医学超声原理 第八讲 超声换能器
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。
一、超声换能器介绍
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。
电子聚焦示意图
三、医学超声换能器结构
现以前者为例加以说明。 如图3.10所示，激励脉冲经延迟 线后激发压电材料，两边延迟时间值最小并对称、然后由两边 到中央逐渐对称地变大，中央延迟线的延迟时间值最大。因此 仿于两边的压电品片最早振动，然后依次振动，位于中央最迟 振动。这样形成的圆形波阵面，其圆心就是焦点。
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
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
Lf=1.8λ(f/a)2 ； 其中，λ为声波波长，a为聚焦系统孔径的一半 ，f为系统焦距。
三、医学超声换能器结构
c)声反射镜 如图3-31,3-32所示的平行声束经楔形 声反射镜反射到抛物面声透镜，然后经抛物面聚焦 在它的焦点。
超声换能器的工作原理
超声换能器的工作原理
超声换能器是一种将电能转换为机械能的装置，它的工作原理是利用压电效应将电能转换为机械能，从而实现声波的发射和接收。
超声换能器由压电陶瓷材料和金属电极组成，当外加电场作用于压电陶瓷材料时，会使其发生形变，从而产生声波。
反之，当声波作用于压电陶瓷材料时，会使其发生形变，从而产生电信号。
在超声波的发射过程中，电源会向超声换能器提供一定的电压，使其产生高频振动，从而产生超声波。
超声波的频率通常在1MHz到100MHz之间，具有高频、高能量、高方向性等特点，可以穿透物体并在其内部产生反射，从而实现对物体的检测和成像。
在超声波的接收过程中，超声波会穿过物体并在其内部产生反射，反射波会被超声换能器接收并转换为电信号，电信号经过放大和处理后，可以得到物体内部的信息，如结构、缺陷、密度等。
超声换能器广泛应用于医学、工业、军事等领域，如超声诊断、无损检测、材料分析等。
在医学领域，超声波可以用于检测人体内部的器官、组织和血管等，具有无创、无辐射、安全可靠等优点。
在工业领域，超声波可以用于检测材料的缺陷、厚度、硬度等，具有高效、精准、经济等优点。
超声换能器的工作原理是利用压电效应将电能转换为机械能，从而实现声波的发射和接收。
它具有高频、高能量、高方向性等特点，
广泛应用于医学、工业、军事等领域，为人们的生产和生活带来了巨大的便利和效益。
超声波换能器原理
超声波换能器原理什么是超声波换能器超声波换能器是一种能够将电能转换为超声波能量的设备。
它由压电陶瓷材料制成，通过压电效应将电能转化为机械振动，并进一步将机械振动转化为超声波能量。
超声波换能器通常由振动片和负载组成，振动片在电场作用下发生机械振动，进而产生超声波。
超声波产生的原理超声波的产生基于压电效应和共振效应。
在超声波换能器中，压电陶瓷材料是关键组件之一。
当施加电场到压电陶瓷上时，它会发生压电效应，导致陶瓷材料发生机械振动。
这种机械振动会在换能器中传播并产生超声波。
换能器中的压电陶瓷材料通常是由铅酸锆（PZT）陶瓷制成的。
当施加电场到PZT陶瓷上时，陶瓷中的极化方向会发生变化，从而引起陶瓷的压缩和膨胀。
这种压缩和膨胀的变化会导致陶瓷材料振动，产生机械波。
超声波换能器的结构超声波换能器通常由振动片和负载组成。
振动片是压电陶瓷材料制成的，并具有特定的形状和尺寸。
振动片的一端固定在换能器的壳体上，另一端可以自由振动。
当施加电场到振动片上时，振动片会发生弯曲和扭转，并产生超声波能量。
负载是振动片传递超声波能量的媒介。
它通常是与换能器相邻的介质，如液体或气体。
当超声波通过负载传播时，振动片的机械振动会在负载中引起压力变化，从而产生超声波波动。
超声波换能器的工作原理超声波换能器工作的关键原理是压电效应和共振效应。
当施加电场到压电陶瓷上时，压电陶瓷发生机械振动，并产生超声波能量。
这种超声波能量通过负载传播，并在负载中引起压力变化。
负载的表面传感器可以检测到这些压力变化，并将其转化为电信号，实现超声波的接收和检测。
超声波换能器的工作频率与振动片的尺寸、形状和振动模态有关。
通过调整这些参数，可以实现不同频率范围内的超声波产生和检测。
超声波换能器的应用超声波换能器在诸多领域中得到广泛应用。
以下是一些常见的应用领域：1.医学应用：超声波换能器被广泛用于医学成像、超声治疗和药物输送等领域。
它可以通过超声波成像技术实现对人体内部器官和组织的无创检测和诊断。
超声波换能器原理
１－２
图1.1 电动式换能器基本结构示意图 我们知道，在电磁学中有下述关系式： F=Bli 和 e=Blυ 式中：F-作用力；i-电流；B-磁感应强度；l-导体长度；υ-导体运动速度；e-感应电势 根据电磁感应原理，对位于磁场中的导体通入电流i时，将有电磁作用力F作用于导体（如果磁场恒定不变，则电磁力F的大小与电流i成正比），根据左手定 则，导体将会在输入电流与磁场内磁力线相交平面的垂直方向产生位移（当电流方向改变时，作用力的方向也同时改变），这样就会带动与导体连接的振动膜 运动，进而推动振动膜周围的传声介质而发射机械振动波（声波）。相反，当与导体连接的振动膜受机械振动波（声波）作用而振动时，带动导体在磁场中运 动，切割磁力线，就会在导体两端产生感应电势，其方向决定于右手定则，这种感应电势即可作为接收信号输出。在实际应用中，通常在换能器外壳上附设体 积很小的升压变压器，把音圈上的感应电势升压后再输出。 常见的电动式换能器有动圈式扬声器及话筒，或带式传声器等。电动式换能器的结构简单牢固，方向性强，电声效率高，但由于其结构所限，不适用于高频场 合而多用于低频情况下工作，如音响装置中的低音扬声器。 4.电磁式换能器：这是利用电磁作用力和磁路中磁阻变化而起换能作用的器件，其结构如图1.2所示。
图1.4 电磁-声换能器在导电金属中激发超声波的基本作用原理示意图 在图1.4中，Bz为方向平行与板面的磁感应强度，Br为方向垂直与板面的磁感应强度；g为涡流的电流密度，它与输入电流方向相反。根据右手定则可确定洛伦 兹力F的方向在（a）中垂直于Bz与g的平面（垂直于板面）--激发纵波，在（b）中垂直于Br与g的平面（平行于板面）--激发横波。 根据电磁感应原理，在感应磁场B中作用于以速度V移动的电荷e上的力F（即洛伦兹力）有：F～eVB。当把通有交变电流i的线圈置于导电体上时，导电体中的 微小体积元dV中感应出以e和V确定的电流密度为g的涡电流。因此：F～gB，矢量g、B和F相互垂直且g与i反向（注意，由于交变电流存在趋肤效应，故dV应是 靠近导电体的表面）。 在接收超声波（如反射回波）时，响应于声压作用力使体积元dV在恒磁场B中振动，因此受力F’～eV’B，V’为振动速度。此力使带电质点运动产生电流密度 为g的交变电流即涡流。该涡流使配置在导电体上的检测线圈中感应产生感应电势（感应的交变电流）作为接收信号，其频率与接收到的超声波有相同的频 率，其大小则随有电致伸缩效应的多晶材料在经受外加应力产生应变时，其总的极化强度将会发生变化，即表现为电极化（产生电场）。 因此，电致伸缩效应可以说与电极化现象有关（自极化）。 从上述的压电效应和电致伸缩效应的结果来看，两者有几乎相同的表现形式。其中，正压电效应的表现结果与逆电致伸缩效应相当，而逆压电效应的表现结果 则与正电致伸缩效应相当。因此就宏观上来看，在实际应用中常把两者通称为压电效应，但必须注意到它们的物理意义有实质上的不同。在超声检测技术中， 对压电材料施加交变电场，该材料将沿电场方向发生交变应变，从而能在与它紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。反之，对压电材料施加交变应力 （即受到超声波的作用）而使该材料发生交变应变时，则会在该材料上产生交变电场，从而达到接收超声波的目的。 利用电致伸缩效应现象的压电换能器常用压电陶瓷，如锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO3）、铌酸铅（PbNb2O3）等。 压电式换能器的主要特点是电声转换效率高，特别是接收灵敏度高，但其机械强度较低（脆性大），因而在大功率应用上受到限制（不过目前的最新技术已能 达到数百瓦到上千瓦的声辐射功率）。此外，某些单晶材料容易溶于水而失效（水解）。 2.磁致伸缩式换能器 磁致伸缩式换能器利用了磁致伸缩效应，这时特定合金材料结晶结构的物理特性，即某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体中的磁畴，在其自发磁化方向上的 长度可能与其它方向上的不同。当有外加磁场作用时，由于这种磁畴将发生转动，使其磁化方向尽量与外磁场方向趋于一致，从而使该材料沿外磁场方向的长 度将发生变化，表现为弹性应变（当然，这种变形引起的应变是很小的，约在10-5~10-6之间）。这种现象即是磁致伸缩效应。相反，具有磁致伸缩效应的材料 在经受外加应力或应变时，其磁化强度也会发生改变，此即为逆磁致伸缩效应。 这样，在对磁致伸缩材料施以交变磁场时，该材料将沿磁力线方向发生磁致形变，从而可以在与它表面紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。同样， 利用逆磁致伸缩效应则可达到接收超声波的目的：施加到磁致伸缩材料上的应变（弹性应力-超声波作用力）将使处在外加磁场中的该材料其磁场的磁通密度 发生变化（此即所谓磁弹性效应），从而使位于该材料表面上的检测线圈中将因磁通密度变化而产生感应电势，可以用作磁弹性效应的信号，达到接收超声波 的效果（注意磁场方向应和应力方向-超声波产生的质点振动方向一致）。 根据磁致伸缩的变化状态，可以分为： [1]线型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积不变，但在长度方向上伸缩变化的程度大，这是磁致伸缩式换能器主要应用的类型。但是，它只能在居里温度 以下的情况发生，若温度超过居里点后将只能存在体积型磁致伸缩。 [2]体积型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积也会发生变化。 磁致伸缩式换能器主要用于低频大功率的场合，这与其频率受限制和受磁性材料特性参数限制的因素有关，它特别是在功率超声应用领域中有着广泛应用，其 特点主要是机械强度高，性能稳定，水密要求低（不会水解）。但是，它的涡流和磁滞损耗较大，电声转换效率不如压电式换能器，而且通常需要有较大的激 励电能以用于大功率场合。 需要注意的是，在施以交变磁场时，由于趋肤效应的影响会使透入深度受到限制，因此这种磁致伸缩效应所波及的范围仅限于材料表面。在产生超声波时，超 声波的强弱取决于材料表层交变磁场的强度，此外，传声介质与材料表面接触的紧密程度（声耦合）也极为重要。 常用于磁致伸缩式换能器的材料有金属镍、金属钴、铁钴合金、铁镍合金、镍铁氧体、镍锌铁氧体、镍铜铁氧体等。 3.电动式换能器 这是一种把电能转换成机械能，或把机械能转换为电能的装置，其结构如图1.1所示，与膜片相连的圆筒上有细漆包线缠绕的线圈即音圈，该圆筒套在中心磁 导体上。
超声波换能器工作原理
超声波换能器工作原理(总5页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除2、超声波换能器的工作原理(1)超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。
电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出、接收装置就可以产生超声波了。
(2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。
(3)超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动.超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，面它自身消耗很少的一部分功率。
超声波换能器的种类：可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。
40kHZ超声波发射/接收电路综述40kHZ超声波发射电路(1)40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。
F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。
电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。
电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。
电源用9V叠层电池。
测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。
发射超声波信号大于8m。
40kHZ超声波发射电路(2)40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。
T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。
超声波换能器的原理
超声波换能器的原理今天咱们来好好唠唠超声波换能器的原理。
这玩意儿听起来可能有点高深莫测，但其实理解起来也没那么难。
咱先说说啥是超声波。
超声波呢，就是一种频率特别高的声波，高到我们人类的耳朵一般都听不见。
它就像一个神秘的小精灵，在我们看不见的地方发挥着大作用。
那超声波换能器又是干啥的呢？它就是一个能把一种能量转换成另一种能量的神奇小装置。
具体来讲呢，超声波换能器可以把电能转换成超声波能量，也可以把超声波能量转换成电能或者其他形式的能量。
它的工作原理是啥呢？咱一步一步来理解。
首先，当我们给超声波换能器通上电能的时候，它里面的一些特殊材料就会开始工作。
这些材料通常是压电材料，啥是压电材料呢？就是一种受到压力或者电场作用的时候会产生形变或者产生电场的材料。
当电能加到压电材料上的时候，压电材料就会发生形变。
这种形变可不是普通的形变哦，它是非常微小而且快速的形变。
这种微小的形变会产生机械振动，就像我们用手轻轻拨动一个小弹簧一样，这个小弹簧就会开始来回振动。
而这个机械振动的频率非常高，高到可以产生超声波。
这就好比我们快速地摇动一个小铃铛，会发出清脆的高频声音一样。
所以，电能通过压电材料的形变，就被转换成了超声波能量。
反过来呢，如果有超声波作用在超声波换能器上，它也可以把超声波能量转换成电能。
当超声波传播到压电材料上的时候，会使压电材料再次发生形变。
这次的形变是因为超声波的压力作用在压电材料上引起的。
而这种形变又会产生电场，这个电场就可以被我们检测到，从而把超声波能量转换成了电能。
超声波换能器在很多地方都有大用处呢。
比如说在医学领域，医生们用超声波来检查我们的身体内部情况。
那个超声波探头里面就有超声波换能器，它发出超声波，然后接收反射回来的超声波，通过分析这些反射回来的超声波，医生们就可以知道我们身体里面的器官有没有问题。
在工业领域，超声波换能器也可以用来清洗零件。
它发出的超声波可以在清洗液中产生很多微小的气泡，这些气泡在破裂的时候会产生很大的冲击力，把零件上的污垢清洗掉。
超声波换能器工作原理
超声波换能器工作原理超声波换能器是一种能够将电能转换为超声波能量的装置，它在医疗、清洗、焊接等领域有着广泛的应用。
它的工作原理主要包括压电效应和超声波振动效应两个方面。
首先，压电效应是超声波换能器工作的基础。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷分离的现象。
这种晶体受到外力时会发生形变，从而产生电荷的分离，形成电势差。
当外力消失时，电荷分离也会消失。
这种特性使得压电效应的晶体可以将机械能转化为电能，从而实现能量的转换。
其次，超声波换能器利用压电效应产生的电荷分离，通过特定的电路和振动系统将电能转化为超声波能量。
在超声波换能器内部，压电晶体受到外加电压的作用产生形变，从而产生超声波振动。
这种振动通过金属壳体传递到工作介质中，产生超声波波动。
超声波的频率通常在20kHz以上，可以实现精细的清洗、高效的焊接和精准的医疗治疗等功能。
超声波换能器的工作原理基于压电效应和超声波振动效应，通过将电能转化为超声波能量，实现了在医疗、清洗、焊接等领域的广泛应用。
压电效应使得晶体可以将机械能转化为电能，而超声波振动效应则将电能转化为超声波能量。
这种工作原理的应用不仅提高了生产效率，还提高了产品质量，拓展了应用领域，具有重要的实际意义和应用价值。
总的来说，超声波换能器的工作原理简单而又高效，通过电能和超声波能量之间的转换，实现了在多个领域的广泛应用。
压电效应和超声波振动效应的结合，使得超声波换能器成为现代工业生产中不可或缺的重要装置。
相信随着科技的不断发展，超声波换能器的工作原理将会得到更多的应用和完善。
超声波换能器工作原理
(1)超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。
电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出、接收装置就可以产生超声波了。
(2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。
(3)超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动.超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，面它自身消耗很少的一部分功率。
超声波换能器的种类：可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。
40kHZ超声波发射/接收电路综述40kHZ超声波发射电路(1)40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。
F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。
电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。
电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。
电源用9V叠层电池。
测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。
发射超声波信号大于8m。
40kHZ超声波发射电路(2)40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。
T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。
T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。
S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。
电路工作电压9V，工作电流约25mA。
超声-第4讲 超声换能器及声场
28
对于远场，r >> ρ
p(,r,t)k2 cZ vmcots r('k' r2)dd
可以近似取
rr2 2 2 rs ic n o r s s ic n os
分母中可取 r’ = r
2019/8/1
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整理可得
p (,r ,t)R 2kc v Z m co t s k ( r)2 [ J 1 (ksR i)] n
随着技术的进步，到80年代中期，机械扇扫超声 换能器的产品性能日趋改善，重量可以做到0.2kg 以下，扫描帧频约30帧/s，扫描角度达85°，而 且扫描线的均匀性也大大改善。这不仅给操作使 用带来了方便，而且使机械扇扫超声影像的质量 获得明显的提高。
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机械扇扫探头除换能器声学特性的基本要 求之外，还应满足以下要求：
它主要由6部分组成：开关控制器、阻尼垫9/8/1
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开关控制器
用于控制探头中各振元按一定组合方式工作， 若采用直接激励，则每一个振元需要一条信号 线连接到主机，目前换能器振元数已普遍增加 到数百个，则与主机的连线需要数百根，这不 仅使工艺复杂，因此而增加的探头和电缆的重 量也是不堪设想的。
有体外、体内、穿刺活检探头；
③按探头中换能器所用振元数目分类：
单元探头、多元探头；
④ 按波束控制方式分类：
线扫探头、相控阵探头、机械扇扫探头和方阵探头等；
⑤按探头的几何形状分类(这是一种惯用的分类方法)：
则有矩形探头、柱形探头、弧形探头(又称凸形)、圆形探头等。
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超声-第4讲 超声换能器及声场
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当压电片和厚度l 为半波长的奇数时，两表面的振 动恰好相反，此时两表面的相对位移为最大，这 个厚度称为共振厚度。
fn
nct 2l
式中：fn 为 n 次谐波频率；ct 为压电材料内的波速。
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超声辐射声场
轴向 横向
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医学超声诊断设备
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换能器的辐射声场
机械方式机械方式加尔统笛哈特曼笛液哨和气流旋笛等加尔统笛哈特曼笛液哨和气流旋笛等电气方式电气方式压电型磁致伸缩型和电动型等压电型磁致伸缩型和电动型等20122012111155医学超声诊断设备医学超声诊断设备99压电效应piezoelectriceffect18801880年法国物理学家居里兄弟年法国物理学家居里兄弟paulpauljacquisjacquis和和pierrecuriepierrecurie首先发现结晶物首先发现结晶物质具有压电现象质具有压电现象piezoelectricitypiezoelectricity18811881lipmann根据热力学概根据热力学概念预言压电现象是可逆的同年居里兄弟念预言压电现象是可逆的同年居里兄弟证实了压电效应的可逆性即逆压电现象证实了压电效应的可逆性即逆压电现象20122012111155医学超声诊断设备医学超声诊断设备101020122012111155医学超声诊断设备医学超声诊断设备1111压电体未压电体未收外力时收外力时两侧不带两侧不带电荷电荷压电体受到压缩力两侧带电荷压电体受到拉力两侧带电荷与b相反20122012111155医学超声诊断设备医学超声诊断设备1212正压电效应directpiezoelectriceffect在某些晶体的一定方向上受到应力拉力或压力而形变时在晶体的两个受力界面上引起内部介质正负电荷中心相对位移从而产生符号相反的束缚电荷其电荷密度与所施加的外力成正比例由于机械力的作用而激起电介质晶体表面电荷的效应称为正压电效应directpiezoelectriceffect20122012111155医学超声诊断设备医学超声诊断设备1313压电体两侧加压电体两侧加电场时长度电场时长度伸展伸展压电体两侧加与d相反电场时长度压缩20122012111155医学超声诊断设备医学超声诊断设备1414逆压电效应conversepiezoelectriceffect如果在晶体表面沿着电轴方向施加电压则由于电场作用引起内部电介质正负电荷中心相对位移受到电场拉曳而分离而这一极化位移又导致晶体的几何形变这种相反的压电效应称为逆压电效应conversepiezoelectriceffect
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一、单阵元换能器的声场
极小值的位置为：
? ? a 2 ? ? 2n2
Zmin ? 2n? ,n ? 0,1,2,3,... 式3.38
定义最后一个极大值位置为近场到远场的临界距离：
? ? 4a 2 ? ? 2
ZN ?
4?
式3.39
如果a 2 ?? ? ,此表达式可简化为
ZN
?
a2
?
式3.40
轴上最后一个最大值的位置ZN常被最为近场（Fresnel区）向远场
式3.41
通过计算可得圆片振子的指向性函数为：（可参见数学物理
方法）
Ds
?
2J1 ?ka sin? ?
ka sin?
式3.42
J1为第一类第一阶贝塞尔函数
一、单阵元换能器的声场 Shanghai Jiao Tong University
（2）波瓣图
1）第一旁瓣与主瓣相差约－ 20dB 请问声压相差多少倍？
一、单阵元换能器的声场
从上式看出， Pm与Z成反比，当 Z足够大时，圆 形声源轴线上的声压随距离的增加而衰减的规律。
（1）Z<ZN的范围内，存在若干个极大值和极小值。极 大值为2，极小值为0，极大值的位置为：
Zmax
?
4a 2 ? ? 2 ?2m ? 1?2 4? ?2m ? 1?
, m ? 0,1,2,3,...
1 2
?
?? z?? sin
?wt
?
ka ?
??
式3.23
声压振幅为：
? ? Pm
?
2P0
sin
?? ???
a2 ? z2
1 2
?
? z?
?
式3.24
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一、单阵元换能器的声场
我们对声压振幅做一些简化：
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式3.37
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与本PPT配套的指定教材
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。
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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? （Fraunhofer区）过渡的起始点，自ZN开始，声束开始扩散，扩散
角为
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一、单阵元换能器的声场
图3.14 圆片换能器的 （a)声束； （b)轴线上的声压分布
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一、单阵元换能器的声场
P ? ? p0dS sin ?wt ? kr ? 式3.22
r
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一、单阵元换能器的声场
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ圆片上各微小元面积都可看成单一的声源。故在圆 片源的轴线上对整个圆面积分，求得轴线上任一 点M的声压：
? ? pz
?
?
?2 ?
P0
sin
?? ???
a 2 ? z2
第九讲 超声换能器的声场特性 器
与本PPT配套的指定教材 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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Sound field of a non focusing 4MHz ultrasonic transducer with a near field length of N=67mm in water. The plot shows the sound pressure at a logarithmic db-scale
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一、单阵元换能器的声场
2、声束指向性
（1）指向性函数Ds。在换能器远场中，任意方向上的声压
幅值Pθr与最大方向上的声压幅值P0r之比，定义为该换能
器的辐射声场指向性函数，即
Ds
?
P? r P0r
第九讲 超声换能器的声场特性
本章主要内容 一、单阵元换能器的声场 二、多阵元超声换能器的声场 三、凹型压电材料聚焦声场的数值模拟
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一、单阵元换能器的声场
一、单阵元换能器的声场 （一）平面圆形换能器的超
声场 1、声源轴线上的声压分布
点状声源在空间的 声场分布表达式
一、单阵元换能器的声场
几点说明 ： A) 频率越高，主瓣越窄；旁瓣个数越多； B）圆片面积越大，主瓣越窄； C）θ0定义为主瓣方向锐度角； D）通常也用半功率点来表示主瓣的展宽角度。即
声功率降到最大功率一半时（－ 3dB），所对应 的角度。
What is ultrasound transducer？
2）当 ka sin? ? 3.83,7.02,10.17,13.32 时，J1为0，声压幅度降 为0，Ds为0。由下式可 以估计主瓣的宽度。
?0
?
arcsin
? 3.83 ?? ka
? ??
?
arcsin
? ??
0.61?
a
? ??
式3.43
图3.15 平面圆盘换能器的远场波瓣图
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