第三章 医用超声换能器

医用超声换能器应用超声波进行诊断时，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，通过使用超声换能器可以解决这个问题。

目前医学超声设备大多采用声电换能器来实现超声波的发射与接收。

声电换能器按工作原理分为两大类，即电场式和磁场式。

电场式中，利用电场所产生的各种力效应来实现声电能量的相互转换，其内部储能元件是电容，它又分为压电式、电致伸缩式、电容式。

磁场式中，是借助磁场的力效应实现声电能量的互相转换，内部储能元件是电感，它又分为电动式、电磁式、磁致伸缩式。

在医学超声工程中，使用的最多的是压电式超声换能器。

§3.1 压电效应与压电材料特性一、压电效应压电效应是法国物理学家Pierre Curie 和Jacqnes Curie 兄弟于1880年发现的。

图3-1 压电效应示意图对某些单晶体或多晶体电介质，如石英晶体、陶瓷、高分子聚合材料等，当沿着一定方向对其施加机械力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应表面上便产生符号相反的等量电荷，并且电荷密度与机械力大小成比例；而且当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为正压电效应，如图3-1。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形；外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。

如果在电介质的两面外加交变电场时，电介质产生压缩及伸张，即产生振动，此振动加到弹性介质上，介质亦将振动，产生机械波。

如外加交变电场频率高于20KHz，则这种波即是超声波。

超声接收换能器采用了正压电效应，将来自人体中的声压转变为电压。

超声波发射换能器采用了逆压电效应，将电压转变为声压，并向人体发射。

压电效应是可逆的，压电材料既具有正压电效应，又具有逆压电效应。

医学超声设备中，常采用同一压电换能器作为发射和接收探头，但发射与接收必须分时工作。

当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强；当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。

在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。

实验证明，当所施加力或电的频率不与晶体固有频率一致时，压电换能器晶体产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小，可见，它们都是频率的函数。

二、压电材料具有压电效应的物质称为压电材料或压电元件。

目前已发现的压电材料品种繁多，性能各异，按系列可分为三大类。

（一）压电单晶体超声换能器应用的天然单晶体有石英、电石等，人工制造的单晶体，如硫酸锂、鈮酸锂等，都具有同样的压电特性。

石英晶体的性能相当稳定，但需使用几千伏以上的高电压，而且要求加工精密度高，机电耦合系数（灵敏度）低，故目前医用诊断探头已很少使用。

（二）压电陶瓷压电陶瓷品种最多，它是人工制成的压电多晶体材料，由许多取向不同的单个晶粒所组成的多晶体。

通常人工烧制出来的初始的压电陶瓷，在没有极化之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处理后具有压电效应。

钛酸钡是最先制造出来的人造陶瓷材料。

但自1955年，PZT锆钛酸铅已逐步取代了其位置，成为使用最广泛的压电材料。

压电陶瓷的最大优点是它可以制成任何所需要的形状，并能在所需要的方向进行极化处理。

（三）压电高分子聚合材料1969年，研制成功具有实用价值的有机压电材料----压电高分子聚合材料。

这是一种半结晶聚合物，其中性能较好的材料为聚偏氟乙烯（PVF2或PVDF），分子式为（CH2--CF2），材料外貌与聚乙烯相似。

压电高分子聚合材料薄膜的制备过程为制膜、拉伸、极化、上极。

压电高分子聚合材料有以下特性：①结构简单、体软量轻、成本低、适于大量生产；②力学性能较好，不易断裂和破碎，具有一定韧性，可弯曲，柔软，耐冲击、振动，抗化学腐蚀，成型性好，可制成几微米厚、大面积的压电薄膜；③具有较好的抗腐蚀性；④材料弹性刚度小，机械损耗小，适于宽带换能器；⑤弹性刚度系数低，因而单位应力所产生的压电应变系数高，比石英大10倍，比PZT大17倍，是一种良好的接收型压电振子材料；⑥材料的声阻抗，接近人体组织的声阻抗，容易获得良好匹配；⑦薄膜不受潮湿和灰尘的影响，在室温条件下性能稳定。

四、压电体参数压电体的参数是反映压电材料性能的标志，它除了力学性质、电学性质外，还有压电性质。

（一）机械品质因数Qm压电元件在谐振时，要克服内摩擦而产生能量损耗，机械品质因数Qm就是衡量该能量损耗大小。

它可定义为：械能量压电体谐振时损耗的机械能量谐振时压电体储存的机π2=m Q机械品质因数与机械损耗成反比，Qm 越大，机械损耗越小，能量衰减越慢，通频带越窄。

机械品质因数Qm 是压电换能器的一个重要设计参数，与压电元件谐振模式有关，它决定了换能器通频带。

Qm 为无量纲的物理量，一般压电陶瓷因配方和工艺条件的不同，Qm 相差很大，如锆钛酸铅（PZT ）陶瓷的值可在50~3000之间大幅度调节。

（二）机电耦合系数k压电体在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示压电体中机械能和电能之间的耦合效应，用机电耦合系数k 表示。

k 值是综合反映压电材料性能的重要参数，是判别压电材料性能的重要依据。

k 不仅与压电材料有关，而且与压电体的振动模式和形状有关。

设计超声压电换能器要求机电耦合系数高，有利于发射或接收。

(三)压电常数压电元件具有弹性力的力学特性和电介质的电学特性，压电方程反映了其力学量和电学量之间耦合关系，压电常数则反映了这种关系的参数。

它有压电应变常数d 、压电电压常数g 、压电应力常数e 和压电劲度常数g 四种形式。

它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。

（1）压电应变常数d当压电体处于应力恒定的情况下，单位电场强度变化所引起的应变变化；或电场恒定时，单位应力变化所引起的电位移变化。

d 反映了压电元件的逆压电效应，d 愈大，压电元件由单位电场引起的变形也愈大。

d 大时宜于制造发射型换能器。

（2）压电应力常数e压电体在应变恒定时，单位电场所引起的应力变化；或电场恒定时，单位应变所引起的电位移变化。

e 反映了压电元件的逆压电效应，e 愈大，愈能用较低的电压产生较大的压力。

（3）压电电压常数g当压电体的电位移恒定时，单位应力变化引起的场强变化，或应力恒定时，单位电位移变化所引起的应变变化。

g 反映了压电元件的正压电效应，g 愈大，压电元件由单位应力引起的电场强度也愈大，因而能对外输送较大的电信号，所以g 它标志了接收性能的好坏。

在设计接收型换能器时，应选择g 大的压电材料。

（4）压电劲度常数h压电体在应变恒定时，单位电位移引起的应力变化，或电位移恒定时，单位应变引起的电场强度变化。

h 反映了压电元件的正压电效应，h 愈大，愈能用较低的应变产生较大的电场强度。

d 、e 、g 、h 都是描述压电材料压电性能的四个压电参数矩阵，d 和e 表示逆压电性能，关系到换能器的发射性能，所以亦称为发射系数。

g 和h 表示正压电性能，涉及到换能器的接收性能，所以称为接收系数。

（四）频率常数N频率常数是确定压电体几何尺寸的一个重要参数，定义为压电体谐振频率与沿振动方向的几何尺寸（如厚度δ、长度l 或直径d 等）的乘积。

它只与材料性质有关，与几何尺寸无关。

当材料选定后，N 即确定，因而根据N 就可求出任意频率下的压电体沿振动方向的尺寸。

对于厚度振动模式δτf N =（五）居里点压电材料只在某一温度范围内才具有压电性能。

当温度达到某一临界值时，压电材料失去压电性能，此临界温度称为压电居里点。

居里点是表征压电体可承受的温度极限。

压电材料的居里点包括上居里点（高温临界点）和下居里点（低温临界点）。

如锆钛酸铅的上居里点最高为350℃，石英的上居里点为576℃，铌酸锂的上居里点可达1210℃。

有时，虽然温度尚未达到居里点，但压电材料的压电性能降低。

压电材料的上居里点和下居里点相差愈大愈好，即工作温度区域宽。

对于压电体，即使它能工作在高温，亦不能承受突然的温度变化，故使用时（如焊线），应避免温度突变。

超声诊断和治疗中不会出现极低、极高的温度和温度突变的情况。

各种压电材料的性能有各自的特点，适用于不同的用途。

而有些实用的性能参数是相互制约的。

故在选择压电材料时，应根据用途来选择适当的材料。

§3.2 压电振子对压电体进行极化后，在它的可极化面上覆盖上激励电极后，就成为压电振子。

它具有正压电效应和逆压电效应，具有机电转换能力，它是一个可逆的机电换能系统，是换能器的核心部分。

具有压电效应的材料很多，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等，自锆钛酸铅问世以来，医用超声换能器所用的压电材料就由锆钛酸铅代替了。

换能器的压电振子相当于一个电容（具有容抗作用），在超声发射电路中与线圈形成并联谐振，得到高频激励电压，产生机械振动和超声波．压电换能器上施加的交变电压的频率与换能器的压电振子的固有频率相等时，才能获得最大的机械振动。

一、压电振子的振动模式压电振子的振动方式称为振动模式。

当电场方向与极化方向的关系不相同时，可使不同形状的压电振子激发出不同的振动模式。

按压电振子的形状、极化方向之间的振动关系，有如下几种基本模式：医学超声工程中，多采用伸缩振动模式，其中又以厚度伸缩振动模式为主。

极化方向（P）与电场方向（E）平行时，产生伸缩振动。

其振动方向与超声传播方向一致，产生纵波。

厚度伸缩振动模式如图3-2。

沿厚度方向极化，电场垂直于薄片平面。

当沿厚度方向施加交变电场时，振动方向和超声波的传播方向均与电极面垂直。

谐振频率τf 与厚度的关系为δδτ1N f =式中，δN 是厚度振动模式的频率常数。

图3-2 厚度伸缩振动模式 在结构上，厚度振动模式的振子常采用薄圆片、方片、矩形片，在振动厚度的两对面敷上电极。

为了抑制不需要的其它振动模式（如径向振动的高次谐波）对厚度振动模式的基频的干扰，并保证一定的指向性，薄圆片的直径d 应比厚度δ大10倍以上，即d/δ>10；薄方片的边长l 比厚度δ大10倍以上，即l /δ>10。

二、压电振子的等效电路压电振子可以看作是一个电路系统和一个机械振动系统构成的机电耦合系统，经压电方程及边界条件可导出机电四端网络，在这四端网络中有力学端和电学端两个端口构成压电振子统一的等效网络，如图3-3。

（a ）四端网络 （b ）谐振频率附近的等效电路图3-3 压电振子等效电路当交变应力或交变电场作用在压电元件上，在不考虑介电损耗条件下，低阻尼单一振动模式的压电振子在谐振频率附近的等效电路如图所示。

C 0代表晶片未振荡时的电容，反映压电材料的介电性质；L 1、C 1、R 1分别为动态电感（晶片振动质量）、动态电容（晶片机械弹性）、动态电阻（阻力系数），它们反映了压电振子的机械振动性质。