医学超声原理-第九讲---超声换能器的声场
超声波换能器工作原理
超声波换能器工作原理(总6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。
超声波换能器工作原理
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。
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。
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能够将电能转化为超声波能量的装置，它在医疗、工业、生活等领域都有着广泛的应用。
超声波换能器的原理是基于压电效应，通过压电晶体的振动来产生超声波。
本文将介绍超声波换能器的原理及其应用。
超声波换能器是利用压电效应将电能转化为机械能，再将机械能转化为超声波能量的装置。
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不均，从而产生电势差的现象。
当外加电压施加在压电晶体上时，晶体会发生形变，产生机械振动。
这种振动会以超声波的形式传播出去。
超声波换能器通常由压电晶体、声阻抗匹配层、声透镜、保护层等部分组成。
压电晶体是超声波换能器的核心部件，它能够将电能转化为机械能，产生超声波。
声阻抗匹配层用于提高能量传输效率，减少反射损失。
声透镜用于聚焦超声波，控制超声波的传播方向和范围。
保护层则用于保护压电晶体不受外界环境的影响。
超声波换能器在医疗领域有着广泛的应用。
它可以用于超声波造影、超声波治疗、超声波手术等方面。
在超声波造影中，超声波换能器将电能转化为超声波能量，通过人体组织的不同反射特性来获取影像信息。
在超声波治疗中，超声波换能器的超声波能量可以用于治疗肿瘤、消炎止痛等。
在超声波手术中，超声波换能器可以用于切割、凝固组织，实现无创手术。
除医疗领域外，超声波换能器还在工业领域有着重要的应用。
例如超声波清洗、超声波焊接、超声波测厚等方面。
在超声波清洗中，超声波换能器的超声波能量可以将污垢从物体表面去除，实现高效清洗。
在超声波焊接中，超声波换能器可以利用超声波的振动作用将材料焊接在一起。
在超声波测厚中，超声波换能器可以利用超声波的穿透性来测量材料的厚度。
总之，超声波换能器是一种能够将电能转化为超声波能量的装置，其原理是基于压电效应。
它在医疗、工业、生活等领域都有着广泛的应用。
通过对超声波换能器原理的深入了解，我们可以更好地应用和改进这一技术，为人类的生活和工作带来更多的便利和效益。
超声原理ppt-超声诊断原理及图像分析原则
5、衰减
（衰减为反射、散射及吸收的总和） 衰减与选用的频率及传播的深度成正比
超声原理ppt-超声诊断原理及图像分 析原则
6、多普勒效应（DOPPLER）
超声在探测移动目标时，其回声频率发生变化利用 多普勒效应可检测血管内有无血流，及血流方向和 血流速度
射声束与反射声束在法线的两侧；3，入射角与反射角相等
反射系数：R＝（Z2－Z1）/（Z2＋Z1）
超声原理ppt-超声诊断原理及图像分 析原则
3、折射： 入射声束遇到大界面其两侧介质的传播速度不 同，声束在经过这些组织间的大界面时，产生 声束前进方向的改变。折射角与入射角的正弦 比值与界面两侧的声速比值相等
1. 外形 2. 大小 3. 边缘、边界、壁 4. 支持结构、管道结构
超声原理ppt-超声诊断原理及图像分 析原则
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2023/9/6
超声原理ppt-超声诊断原理及图像分 析原则
超声原理ppt-超声诊断原理及图像分 析原则
➢声影
指在常规DGC正补偿调节后，在组织内病灶后方所演示的 回声低弱后接近无回声平直条状区。声影系声路中具较强 衰减体。 高反射体（如气体）或高吸收系数物体（如骨 骼、结石、疤痕）下方具有声影。
超声原理ppt-超声诊断原理及图像分 析原则
第三节
声像图分类
图像左侧示被检查者的头部结构，图像右侧示 被检查者足侧结构，图像上方为近腹部结构， 下方为近背部结构
超声原理ppt-超声诊断原理及图像分 析原则
➢斜断面
如斜断面接近横Βιβλιοθήκη 面，则以上述横断面为标准； 斜断面近乎纵断面，则以纵断面所示为标准
超声波的声场特性
第二章超声波声场的特性第一节波源辐射声场超声检测或超声相控阵成像检测设备都是工作于主动检测方式。
即由作为生源的超声换能器或阵列超声换能器向被检测物体内发射超声波，然后由接收换能器或阵列换能器接收载有被检测物体内缺陷或组织信息的超声回波信号，再通过信息提取与处理，实现对被检测物体内部缺陷或结构的评估与成像。
2.1 波动方程物理声学中的波动方程是研究超声（或阵列）换能器的声场特性最基本的原理和方程。
若被超声检测的物体为金属材质，大部分区域被认为各点的声速和密度是一致的，被认为是均匀体，只是对于缺陷或组织不均匀区域则是不一致的；若被检测物体为生物体，物体内各点的声速与密度存在起伏，并非均匀一致。
本书只讨论在工程应用的超声相控阵成像检测技术，因此仅讨论在均匀介质中的声场。
在声速与密度非均匀的介质中，声波传播过程用非均匀介质中声波方程来加以描述。
非均匀介质中波动方程为∇2P−1C2ð2Pðt2=1ρ∇ρ∙∇P（式2-1）式中，P是声强，ρ是介质密度，c是声波的速度，▽是梯度算子。
假设声速和密度较之平均声速c0和平均密度ρ0有微小偏移，即ρ=ρ0+∆ρc=c0+∆c其中∆ρ<<ρ0，∆c<<c0，那么，式（2-1）可以表示为∇2P−1C2ð2Pðt2=−2∆cc03ð2Pðt2+1ρ0∇(∆ρ)∙∇P（式2-2）式（2-2）等号右边两项称为散射项，有时也称为有源项。
就是说，当介质密度及声速非均匀时，则介质中有等效生源分布；但是，当介质均匀时，介质中没有等效声源分布，右边两项为0。
因此，可以得到理想流体介质中的波动方程∇2P−1C ð2Pðt=0（式2-3）上面三个公式是研究相控阵超声成像的理论基础，通常由式（2-3）触发来求解换能器或阵列换能器的辐射声场分布，而式（2-2）常用于描述非均匀介质中的散射场问题。
超声波发声器和换能器简介PPT课件
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发生器与换能器的匹配
超声波发生器与换能器匹配包括两个方面：
• 一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功 率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输 出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负 载，也即阻抗变换作用。
• 二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于 换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出 电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不 到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因 此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使 发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
超声波发生器
超声波发生器实质上是一个功 率发生器，它产生一定频率的正弦 信号，通过电缆联结线传导给换能 器，换能器再将超声波发生器提供 的电信号转换为机械振动。
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1
• 超声波发生器是一种用于产生并向超声换 能器提供超声能量使之工作于谐振频率的 装置，根据其激励方式可分为两种：一种 是他激式，一种是自激式。
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9
电路设计是设计中重要的一部分，发生 器逆变电源部分的电路以及主电路开关器 件的选择不同，需要有不同的逆变器主电 路、驱动电路、采样电路、启动电路、保 护电路的具体设计方案应该具有如下功能：
1 良好的匹配电路，能保证发生器提供给换 能器足够的电功率，并使电功率最有效率 的转换为声能。
2 频率自适应功能。因为换能器自身的机械 谐振频率对负载改变、发热以及其它外界 影响较为敏感，它们的变化会引起换能器 谐振频率变化，导致系统的振动失谐、振 幅降低。
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3 功率自适应功能。在工作过程中，隶望输 出功率能自动随着负载的变化而变化，比 较理想的状态是发生器的输出电压一定， 输出功率在空载时最小，当负载增加时输 出功率也随之增加，这样有利于超声设备 的工作，这可以通过分析超声换能器的负 载特性，选择合适的谐振频率点来实现； 另外也可以采用斩波电路，通过改变开关 管的占空比来控制输入到逆变电路的电压， 使占空比随着负载变大而变大，输出功率 便能保持恒定，当发生故障时还可将开关 管关闭。
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。
超声波换能器的基本原理
. 超声波换能器的基本原理压电式换能器：压电式换能器利用了某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应。
超声波压电效应某些单晶材料的结构具有非对称特性，当这些材料受到外加应力作用而产生应变时，其内部晶格结构的变化（形变）会破坏原来宏观表现为电中性的状态，产生极化电场（电极化），所产生的电场（电极化强度）与应变的大小成正比。
这种现象称为正压电效应，它是由居里兄弟于1880年发现的。
随后，在1881年又进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应，即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时，会有应力和应变产生，其应变与外电场的大小成正比。
压电效应是晶体结构的一个特性，它与晶体结构的非对称性有关，而压电效应的大小及性质则与施加的应力或电场对晶体结晶轴的相对方向有关。
具有压电效应的单晶材料种类很多，最常用的如天然石英（SiO2）晶体，以及人工单晶材料如硫酸锂（Li2SO4）、铌酸锂（LiNbO3）等等。
2电致伸缩效应某些多晶材料中存在有自发形成的分子集团，即所谓“电畴”，它具有一定的极化，并且沿极化方向的长度往往与其他方向的长度不同。
当有外加电场作用时，电畴会发生转动，使其极化方向与外加电场方向趋于一致，从而使该材料沿外加电场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变。
这种现象称为电致伸缩效应。
3.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-[1]。
超声换能器的原理及设计
超声换能器的原理及设计
超声换能器是一种能够将电能转化为超声波能量的装置。
它的设计原理基于压电效应，即在某些晶体材料中，当施加电场时，会产生机械形变，反之，当施加机械压力时，也会在晶体上产生电压。
利用这种特性，超声换能器由一个薄片状的压电材料，通常是陶瓷或聚合物，在两侧分别附着上电极构成。
当电极上施加电压时，压电材料会膨胀和收缩，这种压力或运动会引起周围介质的压缩和稳定的振动。
这些振动将以超声波的形式在介质中传播，从而实现声能到电能的转换。
超声波频率和振幅的调节可以通过改变施加在超声换能器上的电压和电流来实现。
一般来说，频率越高，波长越短，超声波的穿透性能越低，但分辨率越高。
为了提高超声换能器的效率和性能，设计上考虑了很多因素。
首先，需要选择合适的压电材料，其特性应满足应用的要求，包括频率范围、灵敏度和稳定性等。
其次，需要设计适当的结构和尺寸，以实现最佳的转换效率和声束控制。
此外，还需要考虑超声波的耦合和阻抗匹配问题，以确保能量的传递和接收的效果。
总之，超声换能器基于压电效应实现电能到超声波能量的转换。
通过合理的材料选择和设计，可以获得高效、稳定和精确的超声波发射和接收装置。
超声换能器的工作原理
超声换能器的工作原理一、超声换能器概述超声换能器是一种将电能转化为机械振动能的装置，其主要作用是将电信号转化为超声波信号，从而实现超声成像、测量、清洗等应用。
超声换能器广泛应用于医疗、工业、军事等领域。
二、超声换能器的构成超声换能器主要由压电陶瓷和金属壳体组成。
其中，压电陶瓷是超声换能器的核心部件，它可以将电信号转化为机械振动，并且可以将机械振动转化为电信号。
金属壳体则起到保护和固定压电陶瓷的作用。
三、压电效应原理压电效应是指在某些晶体中，当施加外力时会引起晶体内部产生极化现象，从而产生外场。
当施加外场时，则会引起晶体内部的形变或者位移。
这种现象被称为压电效应。
四、压电陶瓷的工作原理1. 压电陶瓷材料的选择目前常用的压电材料主要有PZT（铅酸钛）、PZN（铅锆酸钠）和PMN（铅镁酸钠）等。
其中，PZT是应用最广泛的一种材料。
2. 压电陶瓷的制备压电陶瓷的制备主要包括原料的选择、混合、成型、烧结等过程。
其中，PZT的制备需要严格控制其成分比例和烧结温度等参数。
3. 压电陶瓷的性能压电陶瓷具有良好的压电效应和介电性能，可以将高频电信号转化为机械振动，并且可以将机械振动转化为电信号。
此外，压电陶瓷还具有高稳定性、高灵敏度和高可靠性等特点。
五、超声换能器的工作原理1. 发射模式当超声换能器接收到高频电信号时，压电陶瓷会产生机械振动，并且把这些振动传递到金属壳体上。
随着振动频率的增加，金属壳体就会发出超声波信号。
2. 接收模式当超声波信号经过物体后返回到超声换能器时，金属壳体会将超声波信号转化为机械振动，并且将这些振动传递到压电陶瓷上。
压电陶瓷则会将这些机械振动转化为电信号，从而实现超声波信号的接收。
六、超声换能器的特点1. 高频率超声换能器可以发射和接收高频率的超声波信号，其工作频率一般在1MHz以上。
2. 高灵敏度由于压电陶瓷具有高灵敏度和高稳定性等特点，因此超声换能器具有较高的灵敏度和可靠性。
3. 宽频带超声换能器的工作频带一般比较宽，可以覆盖多种不同的应用场景。
超声波的基本原理及换能器器的设计特点
超声波的基本原理及换能器器的设计特点a什么是超声波？超出人类听觉范围的声波（通常高于20KHZ）称为超声波。
然而用于超声无损检测及厚度测量的超声波频率范围通常是50~100KHz。
虽然超声波的表现方式与声波类似，但它的波长很短。
这意味着它可以反映很小的表面，如材料内部的缺陷。
正是这一特性使得超声波在无损检测中得到了广泛的应用。
如图1，声波频谱图可分为3个范围。
超声波又可进一步分为3部分。
a)频率、周期及波长超声波波形的振动传播方式与光波的传播方式类似。
然而不同于光波可以在真空中传播，超声波的传播需要一种弹性介质，如液体或固体。
如图（2）是连续波的基本参数。
这些参数包括波长和周期。
一秒内完成的周期数称为频率，用Hz为单位计量。
如下几个例子：•1周期/秒=1Hz•1000周期/秒=1KHz•1,000,000周期/秒=1MHz完成一个整波所用的时间称为周期，用秒为单位。
周期和频率的关系如连续波方程（1）所示。
方程.1 1f =1/Tb)超声波波速和波长超声波波速(c)在理想的弹性材料，特定温度和特定压力下是不变的。
C、f、λ和T之间的关系如方程2，3所示：方程.2 λ=c/f方程.3 λ=cTλ=波长c =材料声速f=频率T =周期40页附表一列出了经常使用超声波检测的材料的纵波和横波波速。
c)波的传播和粒子的运动超声波检测探伤最常用的是纵波探伤和横波探伤。
同时朝声检测中也存在其他类型的波。
包括表面波和兰姆波。
(1)纵波是指传播方向和介质粒子振动方向相同的波。
(2)横波是指传播方向和介质粒子振动方向垂直的波。
(3)表面波瑞)(一个椭圆质点运动和穿越表面形成一层材料他们的速度大约90%的剪切波速的资料他们的穿透深度,大约等于一个波长。
(4)板波发生在一个复杂的振动在材料的厚度小于波长超声引入。
图(3)展示了一个质点运动与方向的纵向波和波传播的横波传播速度快。
a.超声波的应用介绍了超声无损检测高频声波进入测试对象来获取信息的对象不改变或损坏以任何方式两个基本量测的超声波检测;他们的飞行时间或时间对于声音穿越样品和振幅对接收信号一种基于速度往返传播时间通过物质材料厚度计算方式如下:方程.4 2/s ct TT =材料的厚度,c =材料声速传播时间。
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。
超声波换能器原理
超声波换能器原理超声波换能器是一种能够将电能转化为超声波能量的装置。
它主要由压电陶瓷材料和金属材料组成。
在超声波换能器中，压电陶瓷材料起到了关键作用，它具有压电效应，即在外加电场的作用下，会产生机械应变。
这种机械应变可以通过超声波换能器的结构转化为超声波能量。
超声波换能器的工作原理可以分为两个步骤：激励和换能。
首先是激励阶段。
当外加电压施加在超声波换能器的压电陶瓷材料上时，会在其内部产生电场。
由于压电效应，压电陶瓷材料会发生应变，即产生机械振动。
这个机械振动会传递到超声波换能器的振动系统中，使得振动系统开始振动。
接下来是换能阶段。
振动系统的振动会引起超声波换能器的金属材料产生应变。
这种应变可以通过超声波换能器的结构转化为超声波能量。
具体来说，当振动系统的振动传递到超声波换能器的金属材料时，金属材料会发生弯曲或伸缩，从而产生超声波。
这个超声波的频率和振幅取决于外加电压的频率和振幅。
超声波换能器的应用非常广泛。
它可以用于医学领域中的超声波成像、超声波治疗等；也可以用于工业领域中的非破坏性检测、液位检测等。
此外，超声波换能器还可以应用于测距、声纳等领域。
虽然超声波换能器具有很多优点，比如频率范围广、能量密度高、无电磁辐射等，但也存在一些局限性。
首先，超声波换能器的输出功率有限，无法满足一些高功率应用的需求。
其次，超声波在传播过程中会受到衰减和散射的影响，限制了其传输距离。
此外，超声波换能器的制造成本较高，需要精密的加工工艺和材料。
超声波换能器是一种将电能转化为超声波能量的装置。
通过压电效应和振动系统的协同作用，超声波换能器能够将电能转化为超声波能量，并应用于医学、工业等领域。
尽管超声波换能器存在一些局限性，但随着技术的不断发展，相信它将在更多领域展现出更广阔的应用前景。
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What is ultrasound transducer？
Shanghai Jiao Tong University
Soundfield of a focused ultrasound transducer, f=4MHz, D=10mm (aperture), R=30mm (curvature radius), water
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。
第一象限栅瓣的个数为：
n1
INT
d
sin
2
INT
d
式3.49
（3）方向锐角与半功率点开角
0 21 2arcsin / nd 式3.50
半功率点开角的条件：
Ds
sin
nd
n
sin
d
sin sin
'3dB '3dB
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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一、单阵元换能器的声场
极小值的位置为：
a2 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：
4a2 2
ZN 4
式3.39
如果a2 ,此表达式可简化为
ZN上最后一个最大值的位置ZN常被最为近场（Fresnel区）向远场
0.25sin0 / 2 0.60sin 3dB / 2 式3.53
g＝0.2是识别系数，此外定向准确度Δθ是波长、间 距、阵元数目的函数。
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二、多阵元超声换能器的声场
（5）旁瓣级
MdB 20 lg n sin 3 / 2n 1 20lg nsin 3 / 2n 式3.54
旁瓣级仅同阵元的个数n有关，当n－>∞时， MdB ＝ －13.5dB
因此对于线阵旁瓣级最小值为－13.5dB
二、多阵元超声换能器的声场
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图3.22 线列阵指向性图
表3.4 10个振元线阵列指向性图的参数随振元间距的变化
关于主瓣，旁瓣，栅瓣的解释
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。
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一、单阵元换能器的声场
（二） 矩形换能器声场（自学） 快速电子扫描显像仪中所使用的单元晶片大多是矩 形或长方形晶片，其使用愈来愈普遍。
1、坐标系统
图3.16 矩形源声场的坐标系统
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一、单阵元换能器的声场
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
（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
二、多阵元超声换能器的声场
多阵元换能器的声场。仍可利用惠更斯原理，将各个阵元 看成一个惠更斯声源。然将各声源的声场叠加而得。 （一）线阵换能器超声场 1、声压分布
n为阵元的数目， P0为声源表面 起始声压振幅。
XOZ平面的声场分 布
Pm
nP0 r
sin nd / sin n sin d / sin
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
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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（三）聚焦换能器
主要的聚焦方式：1）透镜聚焦，2）声反射镜聚焦， 3）曲面聚焦换能器，4）相控聚焦，5）曲面多 元阵聚焦等。（ 大家回忆这些聚焦方式的原理与 区别？）
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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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图3.21 线阵换能器声场坐标系统
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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
0.42
n 1
nL
式3.52
L是阵的长度d＝L/（n－1）
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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，
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：
Z max
4a2 2 2m 12 4 2m 1
, m 0,1, 2,3,...
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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
幅器值的辐Pθ射r与声最场大指方向向性上函的数声，压即幅值P0r之比，定义为该换能
Ds
P r P0r
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？
1 2
式3.51
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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