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
可编辑课件
12
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。
可编辑课件
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。
可编辑课件
13
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
可编辑课件
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。
可编辑课件
11
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
Shanghai Jiao Tong University
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。
Shanghai Jiao Tong University
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
Shanghai Jiao Tong University
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。
What is ultrasound transducer？
Shanghai Jiao Tong University
Shanghai Jiao Tong University
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
Shanghai Jiao Tong University
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
Shanghai Jiao Tong University
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
Shanghai Jiao Tong University
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
Shanghai Jiao Tong University
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。
Shanghai Jiao Tong University
（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？）
Shanghai Jiao Tong University
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。
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
Shanghai Jiao Tong University
图3.21 线阵换能器声场坐标系统
Shanghai Jiao Tong University
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）
Shanghai Jiao Tong University
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,...
Shanghai Jiao Tong University
Shanghai Jiao Tong University
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
Shanghai Jiao Tong University
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