超声-第4讲 超声换能器及声场-53页文档资料
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《部分超声换能器》PPT课件
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把两个力学量--应力τ和应变e与两个电学 量--电场强度E和电位移强度D联系在一 起，描述它们之间相互作用的表达式就 是所谓的压电方程。
– 处在工作状态下的压电体，其力学边界条件 可以有机械自由与机械夹紧两种情况，而电 学边界条件则有电学短路和电学开路两种情 况，根据不同的边界条件，选择不同的自变 量与因变量，就可以得到不同类型的压电方 程。
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38
[8]铁电居里点Tc--铁电晶体只在某一温度范围 内具有铁电性，当温度达到铁电居里点时，晶 体将失去铁电性，并且晶体的介电、压电、光 学、弹性以及热学等性质均出现反常现象。大 多数铁电体只有一个居里点，但有少数铁电体 具有上、下居里点，它只在上、下居里点之间 的温度范围内具有铁电性。例如锆钛酸铅的上 居里点在115-120℃，下居里点在-5℃，若在钛 酸钡中添加5%的钛酸钙，则其下居里点可到40℃。
当Qm太高时，容易使振子产生的振动波形过 长（振铃现象），导致波形失真和分辨率降低，
同样，Qe也并非越大越好。Q值大，意味着压 电效应过程中能量消耗小，在大功率和高频应 用或者纯发射功率应用的情况下能减少发热量， 这是有利的一面。但是对于以检测为目的的换 能器，Q值大则对展宽频带、改善波形、提高 分辨率等都是不利的。
压电陶瓷：
– 电-声转换系数高
– 易于电路匹配
– 材料性能稳定、廉价、易于加工、可控制成任意形 状、尺寸。
– 可通过掺杂、取代、改变材料配方等办法进行参数 调整 。
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压电材料——石英晶体
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11
压电材料
石英晶体
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石英压电机理
石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。 在垂直于z轴的xy平面上的投影, 等效为一个正六边形
超声波换能器原理
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，其大小则随磁场的增大而增加。
图1.2 电磁式换能器基本结构示意图 在发射声波的状态下，通以交变电流的励磁线圈将产生交变磁场，由于衔铁上的磁通量发生变化，从而对衔铁产生交变的电磁作用力，即带动振动膜片发生振 动并推动相邻的传声介质而发射声波。 在接收声波时，与衔铁相连的振动膜片受声波（声压）作用而发生振动，导致衔铁与磁铁间的间隙大小发生交变变化，这将影响到磁路中的磁阻发生交变变 化，于是磁通量发生交变变化，这将使检测线圈两端产生交变的感应电势即可作为输出信号。 常见的电磁式换能器有励磁式扬声器、耳机、拾音器和话筒等，如音响装置中的高音扬声器。 5.电磁-声换能器（又称涡流-声换能器）：利用电动力学法在导电金属中产生超声波的装置，其基本结构如图1.3所示。
图1.2 电磁式换能器基本结构示意图 在发射声波的状态下，通以交变电流的励磁线圈将产生交变磁场，由于衔铁上的磁通量发生变化，从而对衔铁产生交变的电磁作用力，即带动振动膜片发生振 动并推动相邻的传声介质而发射声波。 在接收声波时，与衔铁相连的振动膜片受声波（声压）作用而发生振动，导致衔铁与磁铁间的间隙大小发生交变变化，这将影响到磁路中的磁阻发生交变变 化，于是磁通量发生交变变化，这将使检测线圈两端产生交变的感应电势即可作为输出信号。 常见的电磁式换能器有励磁式扬声器、耳机、拾音器和话筒等，如音响装置中的高音扬声器。 5.电磁-声换能器（又称涡流-声换能器）：利用电动力学法在导电金属中产生超声波的装置，其基本结构如图1.3所示。
超声资料
2．超声波物理特性及其在介质中传播的主要物理量有哪些？它们之间有何关系？
（1）频率（frequency）：质点单位时间内振动的次数称为频率（f）。
（2）周期（cycle）：波动传播一个波长的时间或一个整波长通过某一点的时间（T）。
可见，探头孔径愈大，扩散角愈小，声束扩散愈小。
注意：近场和远场有其严格的定义。商用仪器Near和Far调节钮所表示的只是近程和远程增益的调节，不能称其为近场和远场调节。
4．什么叫声轴、声束和束宽？
声轴（beam axis）为声波传播方向的曲线。通常与声波发出后介质中声强或声压最大的区带一致，也即声能量密度最大的区带。
Rp＝ Z2－Z1
Z2＋Z1
声强反射系数（Ri）为：
Ri＝( Z1－Z2 ) 2
Z1＋Z2
式中Z1、Z2分别为构成反射界面的两种介质声特性阻抗。因为存在反射，所以透射入深层介质的声波能量减少。
声折射（acoustic refraction）指声波在通过不同传播速度的介质传播的过程中发生空间传播方向改变的过程。
声波在大界面上的折射服从折射定律：即入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于界面两侧介质的声束之比，即
近年来的研究发现，不仅离体组织与活体组织有较大的声速差别，而且使用不同的固定溶液、固定速度也常影响声速。此外，声速尚与组织温度有关。通常，非脂肪组织的声速随温度上升而增快，脂肪组织的声速随温度上升而减慢。当脂肪组织由20o升到40o时，声速可下降15％之多。在进行精细的研究工作时，这些因素必须予以注意。
（6）超声能量与能量密度：当超声波在介质中传播时，声波能到达之处的质点发生机械振动和位移。前者产生动能而后者产生弹性势能。动能和势能之和组成波动质点的总能量。也即超声波的能量。声波在介质中传播的过程，也是能量在介质中传递的过程。
（1）频率（frequency）：质点单位时间内振动的次数称为频率（f）。
（2）周期（cycle）：波动传播一个波长的时间或一个整波长通过某一点的时间（T）。
可见，探头孔径愈大，扩散角愈小，声束扩散愈小。
注意：近场和远场有其严格的定义。商用仪器Near和Far调节钮所表示的只是近程和远程增益的调节，不能称其为近场和远场调节。
4．什么叫声轴、声束和束宽？
声轴（beam axis）为声波传播方向的曲线。通常与声波发出后介质中声强或声压最大的区带一致，也即声能量密度最大的区带。
Rp＝ Z2－Z1
Z2＋Z1
声强反射系数（Ri）为：
Ri＝( Z1－Z2 ) 2
Z1＋Z2
式中Z1、Z2分别为构成反射界面的两种介质声特性阻抗。因为存在反射，所以透射入深层介质的声波能量减少。
声折射（acoustic refraction）指声波在通过不同传播速度的介质传播的过程中发生空间传播方向改变的过程。
声波在大界面上的折射服从折射定律：即入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于界面两侧介质的声束之比，即
近年来的研究发现，不仅离体组织与活体组织有较大的声速差别，而且使用不同的固定溶液、固定速度也常影响声速。此外，声速尚与组织温度有关。通常，非脂肪组织的声速随温度上升而增快，脂肪组织的声速随温度上升而减慢。当脂肪组织由20o升到40o时，声速可下降15％之多。在进行精细的研究工作时，这些因素必须予以注意。
（6）超声能量与能量密度：当超声波在介质中传播时，声波能到达之处的质点发生机械振动和位移。前者产生动能而后者产生弹性势能。动能和势能之和组成波动质点的总能量。也即超声波的能量。声波在介质中传播的过程，也是能量在介质中传递的过程。
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。
[课件]医用超声换能器PPT
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医用超声换能器
第一节
一、压电效应
1. 正向压电效应
压电换能器
++++++
------
材料两端加压力→两电极产生电场 压力 →形变→晶格电偶极矩变化→电荷积累→电场 2. 逆向压电效应
++++++
-----材料两端加电压→材料产生形变 电压→电场→晶格电偶极受力→应力→形变 材料正、逆向压电效应可逆
L=λ/2
时，压电体内传播时间
t = L/c = (λ/2)/c = (cT/2)/c = T/2
即：到达对面时，与相移180o的对面振动叠加，达到同 频同相叠加，辐射超声最强，即为谐振情况。对应频率
f = c/λ= c/2L
称基本谐振频率，或基频。
前向
超声
表面位移
０ T/2 T
L
压电体
c, f
超声
（3）组成
环氧树脂 + 钨粉 + 橡胶粉
空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。
3．匹配层
（1）作用 ① 使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对人体组 织的检查。换能器和人体之间声阻抗匹配，条件：
Z Z Z , l ( 2 n 1 ) ／ 4 匹 匹 匹 晶 皮
② 增加换能器的带宽 ③ 隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、化学 损坏；保护人体，免受激励电压的伤害。
t
后向
T/2 T 3T/2 t ０ 收缩 膨胀 收缩
一般地，基频或更高频率在压电体内传播从一个 表面到达对面所用时间为： t = L／c = (2n-1)T2n-1 ／2 (n=1,2,…) 即： L= (2n-1)λ2n-1 ／2 或： f2n-1 = 1／T2n-1 = (2n-1)c／2L 时，都能达到谐振。 f1—基频， f 3，f5，f7…—高次谐振频率， f1L＝c／2——材料的频率常数
第一节
一、压电效应
1. 正向压电效应
压电换能器
++++++
------
材料两端加压力→两电极产生电场 压力 →形变→晶格电偶极矩变化→电荷积累→电场 2. 逆向压电效应
++++++
-----材料两端加电压→材料产生形变 电压→电场→晶格电偶极受力→应力→形变 材料正、逆向压电效应可逆
L=λ/2
时，压电体内传播时间
t = L/c = (λ/2)/c = (cT/2)/c = T/2
即：到达对面时，与相移180o的对面振动叠加，达到同 频同相叠加，辐射超声最强，即为谐振情况。对应频率
f = c/λ= c/2L
称基本谐振频率，或基频。
前向
超声
表面位移
０ T/2 T
L
压电体
c, f
超声
（3）组成
环氧树脂 + 钨粉 + 橡胶粉
空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。
3．匹配层
（1）作用 ① 使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对人体组 织的检查。换能器和人体之间声阻抗匹配，条件：
Z Z Z , l ( 2 n 1 ) ／ 4 匹 匹 匹 晶 皮
② 增加换能器的带宽 ③ 隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、化学 损坏；保护人体，免受激励电压的伤害。
t
后向
T/2 T 3T/2 t ０ 收缩 膨胀 收缩
一般地，基频或更高频率在压电体内传播从一个 表面到达对面所用时间为： t = L／c = (2n-1)T2n-1 ／2 (n=1,2,…) 即： L= (2n-1)λ2n-1 ／2 或： f2n-1 = 1／T2n-1 = (2n-1)c／2L 时，都能达到谐振。 f1—基频， f 3，f5，f7…—高次谐振频率， f1L＝c／2——材料的频率常数
《部分超声换能器》课件
1
小型化设计
微型超声换能器采用小型化设计，适用于体积有限的医疗和工业设备。
2
快速响应
微型超声换能器响应速度快，适用于高速成像和检测任务。
3
医学应用
微型超声换能器被应用于内窥镜、微创手术和移动医疗设备等领域。
《部分超声换能器》PPT 课件
这份《部分超声换能器》PPT课件将带你深入了解超声换能器的各个方面， 从介绍超声换能器的原理和应用，到讨论不同类型的超声换能器，以及它们 在各个领域的应用场景。
超声换能器介绍
超声换能器是一种将电能转化为超声波能量的装置。它在医学、工业和科学研究中扮演着重要角色，可以用于 成像、测量、检测和治疗等领域。
环形超声换能器具有较高的灵敏度和辐射范围，适用于大范围的成像和检测任务。
2 医学应用
环形超声换能器广泛应用于医学成像领域，如超声脑电图和乳腺超声等。
3 工业应用
环形超声换能器也被用于工业检测和材料分析等领域。
线性阵列超声换能器
线性阵列超声换能器由多个压电元件组成，可实现多通道成像和检测。
多通道成像
线性阵列超声换能器的多通道设 计可同时获取多个声束的信号， 从而实现高分辨率成像。
医学应用
线性阵列超声换能器被广泛应用 于医学诊断中，如超声心脏图和 超声肾脏图等。
工业应用
线性阵列超声换能器也被应用于 工业无损检测和材料分析等领域。
二维阵列超声换能器
二维阵列超声换能器由多行多列的压电元件组成，可实现三维成像和检测。
原理
应用
Innovations
超声波是通过压电材料产生的， 当施加电压时，压电材料会振动， 从而产生超声波。
超声换能器广泛应用于医疗成像、 非破坏检测、气体流量测量等领 域。
超声波发声器和换能器简介PPT课件
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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。
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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、探头与声头
1.1 压电效应
某些电介质（如石英、经极化工序处理的有电极的压 电陶瓷等）在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,内 部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正 负相反的电荷。。
4
正压电效应：当在压电材料两端加一压力时，则在此材料的两个电极面上
将产生电荷，将机械能变成电能。这种效应称为正压电效应。
分类的方法还有很多，例如按频谱特性分类、按声束
特性分类、按收发方式分类、按临床应用方式分类等，这
里不一一列举。
14
3.1常用超声探头
单元探头：指仅有一块压电晶片的探头；目前应用范围主要有A型 眼科超声诊断仪、M型超声诊断仪，同时在颈颅多普勒(TCD)诊断 仪中也有应用。 线阵探头：由线阵换能器、探头壳体、电缆、PCB及连接件所组成。
形变产生电压 形变消失则电压消失
+++++++
+
-
-
+++++++
+
+
+
+
+
-F
-
-
-
---------
----------
F
5
F
逆压电效应：当在压电材料两端加一交变电场时，则压电材料出现
与交变电场同样频率的机械振动，将电能转化为机械能。这种效应称 为逆压电效应。
施加电压则产生形变 消除外加电压则形变相应消失
第六章 超声换能器、探头与声头
1
内容简要
一、探头的基本原理 二、探头结构功能 三、探头的分类 四、探头的技术现状
2
超声探头（Ultrasonic Probe）
某些电介质（如石英、经极化工序处理的有电极的压 电陶瓷等）在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,内 部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正 负相反的电荷。。
4
正压电效应：当在压电材料两端加一压力时，则在此材料的两个电极面上
将产生电荷，将机械能变成电能。这种效应称为正压电效应。
分类的方法还有很多，例如按频谱特性分类、按声束
特性分类、按收发方式分类、按临床应用方式分类等，这
里不一一列举。
14
3.1常用超声探头
单元探头：指仅有一块压电晶片的探头；目前应用范围主要有A型 眼科超声诊断仪、M型超声诊断仪，同时在颈颅多普勒(TCD)诊断 仪中也有应用。 线阵探头：由线阵换能器、探头壳体、电缆、PCB及连接件所组成。
形变产生电压 形变消失则电压消失
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5
F
逆压电效应：当在压电材料两端加一交变电场时，则压电材料出现
与交变电场同样频率的机械振动，将电能转化为机械能。这种效应称 为逆压电效应。
施加电压则产生形变 消除外加电压则形变相应消失
第六章 超声换能器、探头与声头
1
内容简要
一、探头的基本原理 二、探头结构功能 三、探头的分类 四、探头的技术现状
2
超声探头（Ultrasonic Probe）
超声换能器参数
超声换能器参数全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：超声换能器是一种能够将电能转换成声能的装置，广泛应用于医疗、工业、生产和科研领域。
超声换能器的性能参数是评价其质量和性能的关键指标，不同应用场景中的超声换能器参数也有所不同。
在选择超声换能器时，了解其参数对于正确使用和优化超声技术至关重要。
常见的超声换能器参数包括频率、功率、灵敏度、带宽、直径和焦距等。
不同参数对于超声换能器的性能和应用有着重要的影响。
首先是频率，频率是超声换能器发出声波的振动频率，一般以千赫（kHz）为单位。
不同频率的超声换能器在不同领域有不同的应用，高频率的换能器通常用于精细的医疗成像和治疗，而低频率的换能器则更适合工业应用中的密封、焊接和清洗等操作。
其次是功率，功率是指超声换能器转换电能成声能的能力，通常以瓦（W）为单位。
功率越大的超声换能器通常具有更好的穿透力和清洁效果，适用于处理较大面积或密度较高的材料。
第三是灵敏度，灵敏度是指超声换能器接收声波的能力，一般以毫伏（mV）为单位。
较高的灵敏度可以提高换能器的接收效率，更精确地检测声波信号。
带宽是超声换能器所能接收或发射声波的频率范围，一般以千赫（kHz）为单位。
带宽越宽的超声换能器能够传输更多种类的声波信号，适用于复杂的应用场景。
直径和焦距是超声换能器的物理尺寸参数，直径通常以毫米（mm）为单位，焦距以厘米（cm）为单位。
直径和焦距的大小决定了超声波的聚焦效果和传播范围，不同尺寸的超声换能器适用于不同尺寸和形状的工件处理。
除了以上参数外，超声换能器的耐磨性、防水性、耐高温性、使用寿命等也是需要考虑的重要因素。
在选择和使用超声换能器时，需要根据具体的应用场景和需求来合理选取参数和进行操作。
超声换能器参数是评价超声技朧器性能和质量的重要标准，正确选择和使用超声换能器的参数对于提高工作效率、质量和安全性具有重要意义。
希望以上介绍能为大家选择和使用超声换能器提供一定的参考和帮助。
超声-第4讲 超声换能器及声场-精品文档
机械方式
加尔统笛、哈特曼笛、液哨和气流旋笛等
电气方式
压电型、磁致伸缩型和电动型等
2019/2/21
医学超声诊断设备
8
1. 压电效应 Piezoelectric Effect
1880年法国物理学家居里兄弟(Paul Jacquis 和 Pierre Curie)首先发现结晶物 质具有压电现象(Piezoelectricity)。 1881年李普曼(G. Lipmann)根据热力学概 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
2019/2/21 医学超声诊断设备 21
kZ v c m dp cos( t kr ' ) ds 2 r ' 2
式中：dp—声压；ds —面积元；Zc声阻抗率；vm面元振动速度。
声场的总和
p dp
圆柱坐标系
cos( t kr ' ) kZ v c 2 p ( , r , t ) m d d 2 r '
2019/2/21
医学超声诊断设备
14
两种压电晶体结构
z B A 硫（或锌） 锌（或硫） C D x y
闪锌矿ZnS的四面体结构
2019/2/21 医学超声诊断设备 15
氧 钛 钡
四方的钛酸钡BaTiO3的晶胞
2019/2/21 医学超声诊断设备 16
石英晶体的类比电路及其声抗
L1
R1
C1
声抗
医学超声诊断设备 22
2019/2/21
圆形换能片远场、近场
半径R， = 0，r =z
r' 2 z2
(即：轴向的声场)
[PPT模板]超声仪器资料讲解
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时频护 间放电 增大路 益及、
01.02.2022
23
(四)视频信号放大
回波电信号经高频放大后，再作检波，检波
后的视频包络信号，频率较低，需经过视频信
号放大器作适当的放大。
D/A
Ａ型超声仪： 将信号加至显示器y轴偏转板(或
偏转线圈)上，使电子水平扫描线产 生垂直方向偏移(A型)； Ｂ型、Ｍ型超声仪：
即同步触发信号发生器，它周期性地产生
同步触发脉冲信号，分别触发发射电路与扫描
发生器中的时基扫描电路。
其下限应不小于探测目标 运动波形最高频率的２倍，而 其上限则取决于声波对人体的 最大探查深度所需的时间。
01.02.2022
选触超 择发声 必脉脉 须冲冲 满的重 足重复 如复频 下频率 要率决 求，定 ： 其 于 20
－－可进行形态学研究
含液性空腔器官
01.02.2022
表面有液体
被低回声围绕
40
(二)三维透明成像
－－应用于骨骼及含液性结构
最大模式
01.02.2022
X线模式
最小模式
41
(三)三维多平面成像
－－常规二维无法得到
01.02.2022
42
五、频谱多普勒
多普勒超声脉冲波进入人体后， 将产生一系列复杂的频移信号，这 些信号被接收器接收并处理之后， 还必须经过适当的频率分析和显示， 方能转变为有用的血流信息。
速时声束可折射效应发生会聚。
01.02.2022
8
背衬块
位置：位于压电振子背后； 材料：由钨粉与环氧树组成的强吸声物； 作用：防消除后向干扰；实现窄脉冲，
提高纵向分辨力； 原理：透吸收背向声波，使之能量消耗。
01.02.2022
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(四)视频信号放大
回波电信号经高频放大后，再作检波，检波
后的视频包络信号，频率较低，需经过视频信
号放大器作适当的放大。
D/A
Ａ型超声仪： 将信号加至显示器y轴偏转板(或
偏转线圈)上，使电子水平扫描线产 生垂直方向偏移(A型)； Ｂ型、Ｍ型超声仪：
即同步触发信号发生器，它周期性地产生
同步触发脉冲信号，分别触发发射电路与扫描
发生器中的时基扫描电路。
其下限应不小于探测目标 运动波形最高频率的２倍，而 其上限则取决于声波对人体的 最大探查深度所需的时间。
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选触超 择发声 必脉脉 须冲冲 满的重 足重复 如复频 下频率 要率决 求，定 ： 其 于 20
－－可进行形态学研究
含液性空腔器官
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表面有液体
被低回声围绕
40
(二)三维透明成像
－－应用于骨骼及含液性结构
最大模式
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X线模式
最小模式
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(三)三维多平面成像
－－常规二维无法得到
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五、频谱多普勒
多普勒超声脉冲波进入人体后， 将产生一系列复杂的频移信号，这 些信号被接收器接收并处理之后， 还必须经过适当的频率分析和显示， 方能转变为有用的血流信息。
速时声束可折射效应发生会聚。
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8
背衬块
位置：位于压电振子背后； 材料：由钨粉与环氧树组成的强吸声物； 作用：防消除后向干扰；实现窄脉冲，
提高纵向分辨力； 原理：透吸收背向声波，使之能量消耗。
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超声波换能器
超声波换能器超声波换能器，是一种将电能转换为超声波能量的设备。
它广泛应用于医学、工业、军事和科学研究等领域，具有非常重要的作用。
本文将从超声波换能器的工作原理、应用领域以及发展趋势等方面进行探讨。
一、超声波换能器的工作原理超声波换能器是由压电陶瓷材料和金属材料组成的复合材料制成的。
当施加电场或机械应力时，压电材料会发生形变，并将电能转换为机械能；反之，施加机械应力时，压电材料会发生电场变化，将机械能转换为电能。
超声波换能器利用压电效应的双重转换特性，将电能转换为机械能，再由机械能转换为超声波能量。
二、超声波换能器的应用领域1. 医学领域：超声波换能器是超声医学成像的核心部件之一。
它可以发送超声波信号并接收回波信号，实现对人体组织的成像。
同时，它还可以用于超声诊断和超声治疗等领域。
2. 工业领域：超声波换能器被广泛应用于工业的检测与测量领域。
例如，利用超声波换能器可以检测材料的厚度、密度和缺陷等信息。
此外，它还可以应用于超声焊接、超声清洗和超声切割等工艺中。
3. 军事领域：超声波换能器在军事领域有着重要的应用。
例如，在水下声呐系统中，超声波换能器可以将电能转换为水下的声波信号，实现潜艇的探测和定位。
4. 科学研究领域：超声波换能器在科学研究领域的应用非常广泛。
例如，它可以用于实验室的材料分析、流体力学研究和声学研究等领域。
三、超声波换能器的发展趋势1. 小型化：随着科技的不断进步，超声波换能器正向着小型化的方向发展。
体积小、重量轻的超声波换能器可以更为方便地集成到各种设备中，提高其应用的灵活性和便捷性。
2. 多功能化：超声波换能器的功能越来越多样化。
除了传统的超声成像和检测功能外，目前还发展出了超声药物输送、超声治疗和超声定向传输等新功能。
这些新功能的出现，不仅可以提高医学诊疗效果，还有助于拓展其他领域的应用。
3. 高频化：随着超声波换能器技术的发展，高频超声波换能器正逐渐取代传统低频超声波换能器。
超声波声场ppt课件
第三节 聚焦声源发射声场 1、聚焦探头的优点：声束细，灵敏度高。 2、聚焦探头的缺点：声束细，每次扫查范围小，探测 效率低，探头的通用性差，每只探头仅适用于探测某 一深度范围内的缺陷。 3、聚焦探头的应用：铸件、奥氏体钢的检测，裂纹高度 的测定。端点衍射法 JB4730/T-2005附录I P130
2 C1 DS C1 N= N 2 L L C2 42 C2
注意：N2为假设声场全部在第二介质中的近场长度
N为声场在第二介质中剩余的近场长度
第三章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压
四、实际声场与理想声场的比较
见图
结论：实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本 一致。但在近场区实际声场与理想声场存在明显的区别。 是因为： 1、理想声场是连续波，实际声场是脉冲波。 2、由于脉冲波是由许多不同频率的正弦波、余弦 波所组成，每种频率的波决定一个声场，因此 总声场就是各不同声场的迭加。 3、实际声场的波源是非均匀激发，波源中心振幅 大，边缘振幅小。 4、理想声场是针对液体介质而言，实际声场往往 是固体介质。
2
第三章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压
3、波束未扩散区与扩散区 在波源附近有一个未扩散区
由 sinθ 0=1.22λ / Ds=
DS2 1.64N b≈ 2.44
DS / 2 b （DS / 2）
2 2
得
结论：在波束未扩散区b内，波束不扩散，不存在扩散 衰减，各截面平均声压基本相同。到波源的距离x＞b的 区域称为扩散区，扩散区内声束扩散，存在扩散衰减。
P F f
P0 Fs F f
2
2
任意两个直径不同、距离也不同的平底孔回波分贝差
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
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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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45
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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R2 z2 z
sin(k
)
2
当 z=0 时，k=ω/c
sin(k R2z2z)sinkRsinR
2
2c
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取得峰值
sin(k R2 z2 z)1 2
R2z2 z
(2n1)
c2
2
当 n=0 取得最后一个峰值
2 R2 z2 z
2
2
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这种相反的压电效应，称为逆压电效应 （converse piezoelectric effect)。
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两种压电晶体结构
A
x
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z C
B
y D
硫（或锌） 锌（或硫）
闪锌矿ZnS的四面体结构
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氧 钛 钡
四方的钛酸钡BaTiO3的晶胞
24
R2 z2 z1 R2 z2 1z
2
2
R2z212zz2R2 1 2 z
4
4
R2 1 2
z
4
因为R>>
z R2
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| p(x) | 1.0
0.5
z D2 2 4
O
近场
远场
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z
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近场与远场
R2 2
N
4
R的选择 R
1.4
2.74
2
1.8
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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
p ( z ,t) Z c v m [ c o s (t k z ) c o s (t kR 2 z 2 ) ]
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和差化积有
R 2 z 2 z
R 2 z 2 z
p (z ,t) 2 Z c v m s in ( k
)s in (t k 2
) ] 2
横、纵 横、纵
横、纵 横、纵 横Байду номын сангаас纵
X, 45° Z, 45°
Y,45°
L
Y X,Y,AT
X
1010 >1012
109
>1011 >1012 >1013
55
-125 -76 575
550
115 320 365
70% 94% 95%
1.77 1.80 2.06 2.65
5
5.6
7.6
7.7
2.73 2.87
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石英晶体的类比电路及其声抗
L1
R1
C1
C0
声抗
频率
fR
fA
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压电材料的性质
性质
可用应变
切割
阻抗率 m 居里温度 ℃
最高湿度 密度 103kg/m3
厚度振动 103kHzmm
罗歇盐 横向
ADP 横向
晶体
陶瓷
LH 石英 亚铌酸盐 钛酸钡 PZT-4 PZT-5
声场的总和
p dp
圆柱坐标系
p(,r,t)k2 cZ vmcots r('k' r2)dd
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圆形换能片远场、近场
半径R， = 0，r =z (即：轴向的声场)
r' 2 z2
p(z,t)k2 c Z vm0Rcots(k22z 2z22)d0 2d
积分后可得
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（Direct Piezoelectric Effect)
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诊断用B型超声波探头
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基本概念
换能器——是把一种能量转化为另一种能 量的设备，我们主要讨论声换能器，即把 电能转换为机械能或声能，或者相反。
产生超声波的装置分为两类：
机械方式
加尔统笛、哈特曼笛、液哨和气流旋笛等
轴向 横向
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换能器的辐射声场
源点
ds
r'
r
换能器表面
y
观察点
x'
z
图3-15 换能器及其所在的坐标系 （Page 56）
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d pk2cZ v rm ' cots(k' r2)ds
式中：dp—声压；ds —面积元；Zc声阻抗率；vm面元振动速度。
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+
++ --
+
-
d) 压电体两侧加
电场时，长度 伸展
e) 压电体两侧加与 （d）相反电场 时，长度压缩
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逆压电效应（converse piezoelectric effect)
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
电气方式
压电型、磁致伸缩型和电动型等
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1. 压电效应 Piezoelectric Effect
1880年法国物理学家居里兄弟(Paul Jacquis 和 Pierre Curie)首先发现结晶物 质具有压电现象(Piezoelectricity)。
1881年李普曼(G. Lipmann)根据热力学概 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
波长的影响
R2 N
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超声换能器
压电效应 Piezoelectric Effect 逆压电效应 Converse Piezoelectric Effect
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超声波治疗探头
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工业用超声波探头
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压电陶瓷片
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---
-+-
+-+
+++
+++
+ --
++ -
---
a) 压电体未 收外力时， 两侧不带 电荷
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b) 压电体受到 压缩力两侧 带电荷
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c) 压电体受到 拉力两侧带 电荷（与B 相反）
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正压电效应（direct piezoelectric effect)