醫(yī)用換能器簡介

1、 桑桑 永永 杰杰為什么要學習認識換能器？為什么要學習認識換能器？SL-聲源級，反映發(fā)射換能器輻射聲功率大小。聲源級，反映發(fā)射換能器輻射聲功率大小。提高聲源級，即提高輻射信號的強度，相應也提高回聲信號提高聲源級，即提高輻射信號的強度，相應也提高回聲信號強度，增加接收信號的信噪比，從而增加聲吶的作用距離。強度，增加接收信號的信噪比，從而增加聲吶的作用距離。 主動聲吶方程：（混響背景）主動聲吶方程：（混響背景）（SL-2TL+TS）-RLDT 1.1.什么叫換能器什么叫換能器 換換轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換；能能能量；能量；器器器件器件 通俗的講：轉(zhuǎn)換能量的器件通俗的講：轉(zhuǎn)換能量的器件 我們關注的是我們關注的是電

2、能電能和和聲能聲能間的相互轉(zhuǎn)換：間的相互轉(zhuǎn)換： 能夠發(fā)射或接收聲波，并完成能夠發(fā)射或接收聲波，并完成聲波所攜帶的信息和能量聲波所攜帶的信息和能量與與電的信息和電的信息和能量能量轉(zhuǎn)換的裝置，稱為電聲換能器，簡稱換能器轉(zhuǎn)換的裝置，稱為電聲換能器，簡稱換能器。 2. 2.換能器如何實現(xiàn)換能換能器如何實現(xiàn)換能 換能材料，也叫功能材料、有源材料換能材料，也叫功能材料、有源材料受交變電場受交變電場/磁場激勵產(chǎn)磁場激勵產(chǎn)生伸縮應變生伸縮應變壓電陶瓷壓電陶瓷稀土材料稀土材料逆向壓電效應逆向壓電效應正向壓電效應正向壓電效應磁致伸縮效應磁致伸縮效應 3. 3.換能器為什么要成陣換能器為什么要成陣 為為實現(xiàn)或增強某

3、些電聲性能（指向性、作用距離）實現(xiàn)或增強某些電聲性能（指向性、作用距離），將多個換能器按，將多個換能器按一定規(guī)律和形狀排列起來，形成一個陣列，就成為換能器基陣，簡稱基陣。一定規(guī)律和形狀排列起來，形成一個陣列，就成為換能器基陣，簡稱基陣。 按照形狀分為：平面陣、圓柱陣、球形陣、線陣、共形陣按照形狀分為：平面陣、圓柱陣、球形陣、線陣、共形陣平面陣平面陣圓柱陣圓柱陣球形陣球形陣拖曳線列陣拖曳線列陣共形陣共形陣 1.艇艏圓柱陣（收、發(fā)共用） 2.中頻基陣 3.舷側陣 4.偵察陣 5. 聲速梯度儀基陣 6.都卜勒測速儀基陣 7.被動測距基陣 8.魚雷報警基陣 9.測深（防碰）基陣 10. 拖曳線列陣 1

4、0 9 4 8 9 4 9 5 1 7 3 9 6 2 水聲換能器基陣在潛艇上應用實例水聲換能器基陣在潛艇上應用實例4.4.水聲換能器的分類水聲換能器的分類發(fā)射換能器發(fā)射換能器（transducer/projector）接收換能器接收換能器（水聽器，（水聽器，hydrophone）A. A. 按照工作方式分按照工作方式分幾種常見發(fā)射換能器幾種常見發(fā)射換能器幾種常見水聽器幾種常見水聽器B.B.按功能材料分按功能材料分鎳鎳壓電單晶壓電單晶鈦酸鋇壓鈦酸鋇壓電陶瓷電陶瓷鋯鈦酸鉛鋯鈦酸鉛壓電陶瓷壓電陶瓷系列系列(PZT)稀土超磁致稀土超磁致伸縮材料伸縮材料（Terfenol-D）弛豫鐵電單晶弛豫鐵電單晶

5、（PMNPT和和PZNPT ）最早的最早的換能材換能材料，磁料，磁致伸縮致伸縮如石英，如石英，1917年，朗之萬制年，朗之萬制成第一個實用成第一個實用換能器換能器1940s，較，較強壓電性能強壓電性能1950s，機電轉(zhuǎn)，機電轉(zhuǎn)換效率高，工作換效率高，工作溫度寬，溫度寬，至今仍至今仍是主力功能材料是主力功能材料1970s。鋱、鏑與鐵的合金。應變量比鎳。鋱、鏑與鐵的合金。應變量比鎳大大4050倍，比倍，比PZT大大58倍；能量密度倍；能量密度比鎳大比鎳大400500倍，比壓電陶瓷大倍，比壓電陶瓷大1014倍；與倍；與PZT相比，楊氏模量小、聲速低，相比，楊氏模量小、聲速低，尤其適合制作低頻、大功率

6、、寬帶水聲換尤其適合制作低頻、大功率、寬帶水聲換能器能器1997，壓電系數(shù)、機電耦合系數(shù)比通，壓電系數(shù)、機電耦合系數(shù)比通常的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷常的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷PZT（d33600pC/N,k33=70%）高出許多，分）高出許多，分別達到別達到2000 pC/N和和92以上。其應以上。其應變量比通常的壓電陶瓷高出變量比通常的壓電陶瓷高出10倍以上，倍以上，達到了達到了1.7其他：壓電聚合物（其他：壓電聚合物（PVDF)、 壓電復合材料等壓電復合材料等復合棒換能器分解圖復合棒換能器分解圖Paul.LangevinC.C.按結構分按結構分 復合棒換能器（朗之萬換能器、復合棒換能器（朗之萬換能器、T

7、onpilzTonpilz換能器）換能器）后蓋板采用重金屬，前蓋板采用輕金屬，獲取較高的前后振速比；后蓋板采用重金屬，前蓋板采用輕金屬，獲取較高的前后振速比；預應力螺栓施加預應力，可實現(xiàn)大功率輸出；預應力螺栓施加預應力，可實現(xiàn)大功率輸出；前蓋板呈喇叭形，可增加輻射面積，調(diào)節(jié)前蓋板呈喇叭形，可增加輻射面積，調(diào)節(jié)Q Q值。值。特點：特點：功率容量大、效率高、易形成寬帶、結構簡單緊湊、耐靜水壓、便于成陣等。功率容量大、效率高、易形成寬帶、結構簡單緊湊、耐靜水壓、便于成陣等。 主要應用于艦艇主動探測、通訊聲吶基陣、魚雷聲制導基陣等。主要應用于艦艇主動探測、通訊聲吶基陣、魚雷聲制導基陣等。復合棒換能器實

8、物照片及分解圖復合棒換能器實物照片及分解圖雙向輻射復合棒換能器雙向輻射復合棒換能器 彎張換能器彎張換能器彎張換能器的位移放大作用彎張換能器的位移放大作用常見的七種彎張換能器常見的七種彎張換能器特點：特點：頻率低、大功率、尺寸小、重量輕等。頻率低、大功率、尺寸小、重量輕等。 主要應用于低頻主動聲吶、各種低頻水聲實驗主要應用于低頻主動聲吶、各種低頻水聲實驗新型彎張換能器新型彎張換能器稀土稀土IVIV彎張換能器彎張換能器六元彎張換能器線陣六元彎張換能器線陣 圓管換能器圓管換能器壓電陶瓷圓管內(nèi)外表面鋪設電極，激發(fā)圓管的徑向壓電陶瓷圓管內(nèi)外表面鋪設電極，激發(fā)圓管的徑向振動；大尺寸圓管換能器需由壓電陶瓷條

9、鑲拼而成。振動；大尺寸圓管換能器需由壓電陶瓷條鑲拼而成。各種壓電陶瓷圓管各種壓電陶瓷圓管鑲拼圓管鑲拼圓管非溢流圓管換能器非溢流圓管換能器溢流圓管換能器溢流圓管換能器特點：特點：水平無指向性、大功率、耐靜水壓等。水平無指向性、大功率、耐靜水壓等。 主要應用于吊放聲吶、聲吶浮標聲吶、各種水聽器等。主要應用于吊放聲吶、聲吶浮標聲吶、各種水聽器等。 Helmholtz換能器換能器aarCMf121n利用液腔諧振，實現(xiàn)小體積、低頻發(fā)射利用液腔諧振，實現(xiàn)小體積、低頻發(fā)射n液腔諧振與其他模態(tài)（結構振動、高階液腔諧振等）一起使用，可實液腔諧振與其他模態(tài)（結構振動、高階液腔諧振等）一起使用，可實現(xiàn)寬帶現(xiàn)寬帶n溢

10、流結構，幾乎不受工作深度限制溢流結構，幾乎不受工作深度限制n工程實踐中腔體形態(tài)靈活多樣，不拘泥于傳統(tǒng)的工程實踐中腔體形態(tài)靈活多樣，不拘泥于傳統(tǒng)的HelmholtzHelmholtz腔體結構腔體結構Multiport Helmhotz transducerJanus Helmhotz transducer 電動式電動式換能器換能器輸出力：輸出力：F=BIL電動式換能器的優(yōu)點：電動式換能器的優(yōu)點：(1)頻率低，可做到幾赫茲頻率低，可做到幾赫茲(2)非諧振結構，易實現(xiàn)寬帶非諧振結構，易實現(xiàn)寬帶(2)體積小、重量輕體積小、重量輕電動式換能器的缺點：電動式換能器的缺點：(1)效率低，通常不足效率低，通常

11、不足1%，聲源級低，聲源級低(2)波形差，易受工作環(huán)境影響波形差，易受工作環(huán)境影響(2)工作深度不足工作深度不足 UW350 UW600SL:平均平均165dB頻帶：頻帶：20Hz-20kHz重量：重量：100kg耐壓：耐壓：188mSL:（max）188dB頻帶：頻帶：4Hz-20kHz重量：重量：1070kg耐壓：耐壓：200m哈爾濱工程大學水聲換能器研究室研制哈爾濱工程大學水聲換能器研究室研制的甚低頻電動式聲源，最低工作頻率的甚低頻電動式聲源，最低工作頻率5Hz5Hz性能指標及結構特點性能指標及結構特點 工作頻帶：工作頻帶： 5Hz- 1kHz 聲源級：聲源級：160dB 工作深度：工作

12、深度：0-50米米 結構尺寸：結構尺寸： 外徑外徑 206mm， 高度高度580mm 重量：重量： 25kg 耐海水腐蝕金屬涂耐海水腐蝕金屬涂層層(鹽霧試驗可以達到鹽霧試驗可以達到800小時小時) 其他換能器結構其他換能器結構 當今水聲換能器朝著低頻、大功率、寬帶、小體積、高耐靜水壓方向當今水聲換能器朝著低頻、大功率、寬帶、小體積、高耐靜水壓方向發(fā)展，實現(xiàn)低頻寬帶的機理和結構成為人們探求的熱點。發(fā)展，實現(xiàn)低頻寬帶的機理和結構成為人們探求的熱點。實現(xiàn)寬帶的機理：實現(xiàn)寬帶的機理：利用多模態(tài)耦合、改善激勵方式、增加匹配層等利用多模態(tài)耦合、改善激勵方式、增加匹配層等實現(xiàn)低頻的結構：實現(xiàn)低頻的結構：利用

13、低頻模態(tài)、利用液腔諧振、采用電動（磁）式等。利用低頻模態(tài)、利用液腔諧振、采用電動（磁）式等。開縫圓管換能器開縫圓管換能器空氣動力型換能器空氣動力型換能器組合式換能器組合式換能器不同類型換能器性能對比不同類型換能器性能對比等效電路法等效電路法 將換能器看為將換能器看為做機械振動的彈性體做機械振動的彈性體，利用機電類比，給出換能，利用機電類比，給出換能器的器的動態(tài)電路圖動態(tài)電路圖。由電路圖計算出換能器的電聲性能。由電路圖計算出換能器的電聲性能。水聲換能器的分析設計方法水聲換能器的分析設計方法換能器等效電路圖換能器等效電路圖優(yōu)點：優(yōu)點：物理意義明確，可明確看出計算結果與哪些參量有關。物理意義明確，可

14、明確看出計算結果與哪些參量有關。缺點：缺點：通常只能做一維分析，僅適合于通常只能做一維分析，僅適合于簡單結構的換能器。簡單結構的換能器。壓電陶瓷的徑向及厚度振動壓電陶瓷的徑向及厚度振動壓電陶瓷圓管的徑向振動壓電陶瓷圓管的徑向振動有限元法有限元法 有限元法是以變分原理和剖分插值原理為基礎，將待分析模型想有限元法是以變分原理和剖分插值原理為基礎，將待分析模型想象的劃分成一系列單元，構造單元插值函數(shù)，將單元內(nèi)部點的狀態(tài)用象的劃分成一系列單元，構造單元插值函數(shù)，將單元內(nèi)部點的狀態(tài)用單元節(jié)點狀態(tài)的插值函數(shù)來近似描述，這樣就將實際的物理問題轉(zhuǎn)化單元節(jié)點狀態(tài)的插值函數(shù)來近似描述，這樣就將實際的物理問題轉(zhuǎn)化為

15、求解單元節(jié)點狀態(tài)的代數(shù)方程組問題。為求解單元節(jié)點狀態(tài)的代數(shù)方程組問題。兩款常用的設計換能器有限元軟件兩款常用的設計換能器有限元軟件指向性圓管換能器有限元模型指向性圓管換能器有限元模型彎張換能器彎張換能器1/81/8有限元模型有限元模型指向性圓管換能器模態(tài)分析結果指向性圓管換能器模態(tài)分析結果指向性圓管換能器流體中有限元模型指向性圓管換能器流體中有限元模型聲場分布圖聲場分布圖用云圖表現(xiàn)動態(tài)位移分布用云圖表現(xiàn)動態(tài)位移分布模擬靜水壓環(huán)境下殼體應力分布模擬靜水壓環(huán)境下殼體應力分布發(fā)射電壓響應曲線發(fā)射電壓響應曲線電導納曲線電導納曲線優(yōu)點：優(yōu)點：分析任意結構的換能器分析任意結構的換能器 。 結果直觀、準確結

16、果直觀、準確 ，結構優(yōu)化方便有效，結構優(yōu)化方便有效 ，工程應用最廣泛。，工程應用最廣泛。描述水聲換能器電聲性能的主要參數(shù)描述水聲換能器電聲性能的主要參數(shù)（1 1）電導納（單位：西門子，常用）電導納（單位：西門子，常用msms）a.a.從電導納曲線圖上可立即判斷換能器是否正常：漏水、陶瓷碎裂從電導納曲線圖上可立即判斷換能器是否正常：漏水、陶瓷碎裂b.b.希望電導值越大越好（輸入換能器端的電功率希望電導值越大越好（輸入換能器端的電功率P=VP=V.G.G）c.c.依據(jù)電納曲線設計同功放匹配的電路依據(jù)電納曲線設計同功放匹配的電路d.d.通過阻抗分析儀測量通過阻抗分析儀測量正常情況下?lián)Q能器典型電導納曲

17、線正常情況下?lián)Q能器典型電導納曲線陶瓷碎裂時典型電導曲線陶瓷碎裂時典型電導曲線（2 2）聲功率（單位：）聲功率（單位：w w）a.a.體現(xiàn)體現(xiàn)換能器系統(tǒng)（含功放、匹配電路）換能器系統(tǒng)（含功放、匹配電路）的聲輻射能力，的聲輻射能力，Pa=1/2.Rs.Ub.b.據(jù)此可計算換能器的電聲效率：據(jù)此可計算換能器的電聲效率：=Pa/Pe（3 3）聲源級（單位：）聲源級（單位：dBdB）a. a. 使得不同種類的換能器有了統(tǒng)一的比較標準，使得不同種類的換能器有了統(tǒng)一的比較標準，b. b. 與與聲功率的關系：聲功率的關系： SL = 10 log(I / Io) = 10 log(Pa/A / Io) SL=

18、170.8+10logPa+DIb.b.直接決定聲信號傳播距離和回波信號強度直接決定聲信號傳播距離和回波信號強度聲源級越大越好嗎？聲源級越大越好嗎？混響過大，淹沒回波信號、空化腐蝕混響過大，淹沒回波信號、空化腐蝕（4 4）發(fā)射電壓響應級（）發(fā)射電壓響應級（ Transmitting Voltage Response,單位：單位：dBdB）a.a.體現(xiàn)體現(xiàn)換能器自身換能器自身的聲輻射潛力的聲輻射潛力b.b.計算公式：計算公式： TVR=20log(P.d/V)+120 dB =20log(e.d/V)+120-M dBc.與聲源級的關系：與聲源級的關系： SL=20log(V)+TVRd.顯示換

19、能器的工作帶寬顯示換能器的工作帶寬,進行結構優(yōu)化的依據(jù)進行結構優(yōu)化的依據(jù)（5 5）發(fā)射）發(fā)射/ /接收指向性接收指向性 反映換能器輻射能量的集中程度，反映換能器輻射能量的集中程度，發(fā)射和接受指向性發(fā)射和接受指向性互易互易換能器交付使用時應給出的測量參數(shù)換能器交付使用時應給出的測量參數(shù)水聲換能器設計制作流程水聲換能器設計制作流程n依據(jù)要求的電聲指標確定換能器的類型依據(jù)要求的電聲指標確定換能器的類型n利用有限元、等效電路法等方法確定各部分尺寸利用有限元、等效電路法等方法確定各部分尺寸n構畫結構圖紙，交付加工零部件構畫結構圖紙，交付加工零部件n設計合理的預應力施加工藝、裝配工藝進行裝配設計合理的預應

20、力施加工藝、裝配工藝進行裝配n做聚氨酯灌封等密封處理做聚氨酯灌封等密封處理n測試換能器的電聲性能測試換能器的電聲性能各種工藝（預應力施加、粘接、灌封、裝配等）在換能器各種工藝（預應力施加、粘接、灌封、裝配等）在換能器制作中是關鍵一環(huán)。某種意義上，制作中是關鍵一環(huán)。某種意義上，“做換能器是個手藝活做換能器是個手藝活兒。兒?！眽弘娦獕弘娦獕弘娦獕弘娦?壓電學的物理基礎n壓電效應1880年居里兄弟皮爾（P.Curie ) 與捷克斯（J.Curie)發(fā)現(xiàn)壓電效應。經(jīng)他們實驗而發(fā)現(xiàn)，具有壓電性的材料有 ：n具有壓電性的材料有：閃鋅礦（zincblende）、鈉氯酸鹽（sodiumchlorat

21、e）、電氣石（tourmaline）、石英（quartz）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、異極礦（calamine）、黃晶（topaz）及若歇爾鹽（Rochellesalt）。這些晶體都具有非晶方性（anisotropic）結構，晶方性（isotropic）材料是不會產(chǎn)生壓電性的。n第一次大戰(zhàn)后不久，石英換能器便發(fā)展出兩項重要的應用。哈佛大學的皮爾士教授（G.W.Pierce）用石英晶體制作超聲波干涉儀，可定出波在氣體介質(zhì)中的速度。可求出波在氣體中的表減系數(shù)。當時用它來測量聲波在二氧化碳中波速對頻率的關系，而求出波速的色散關系。用這

22、種方法，可研究氣體在不同混合比與溫度下聲波的波速與衰減率。1927年，伍德（R.W.Wood）與魯密斯（A.L.Loomis）首先使用高功率超聲波。使用藍杰文型的石英換能器配合高功率真空管，在液體中產(chǎn)生高能量，使液體引起所謂的空腔（cavitation）現(xiàn)象。同時也研究高功率超聲波對生物試樣的效應。n1919年，卡迪（Cady）教授第一次利用石英當作頻率控制器，圖四就是最早期的晶體控制振蕩器電路。在第二次世界大戰(zhàn)中，大約使用了一千萬個晶體振蕩器，用以建立坦克與坦克之間及地面和飛機之間的通訊。壓電效應n在非晶方晶體中，施一外力使晶體變形，由于晶格中電荷的移動造成晶體內(nèi)局部不均勻電荷分布，而產(chǎn)生電

23、位移。n只有 在材料每單位體積中造成有效地凈的電雙極距變化。才具有壓電特性。二 醫(yī)用壓電材料n石英晶體昂貴、加工不方便、優(yōu)良的機械性能，較低的電容，高的品質(zhì)因數(shù)，良好的溫度系數(shù)n壓電陶瓷：電-聲轉(zhuǎn)換系數(shù)高易于電路匹配材料性能穩(wěn)定、廉價、易于加工、可控制成任意形狀、尺寸?？赏ㄟ^摻雜、取代、改變材料配方等辦法進行參數(shù)調(diào)整 。壓電材料壓電材料石英晶體石英晶體壓電材料壓電材料石英晶體石英晶體石英壓電機理n石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結構有關。n 在垂直于z軸的xy平面上的投影, 等效為一個正六邊形排列。當石英晶體未受外力作用時, 正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上, 形成三個互成120夾角的電偶極

24、矩P1、 P2、P3 壓電陶瓷n壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。n 材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇, 它有一定的極化方向, 從而存在電場。n 在無外電場作用時, 電疇在晶體中雜亂分布, 它們的極化效應被相互抵消, 壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性, 不具有壓電性質(zhì) n在陶瓷上施加外電場時, 電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動, 趨向于按外電場方向的排列, 從而使材料得到極化。n外電場去掉后, 電疇的極化方向基本不變, 即剩余極化強度很大, 這時的材料才具有壓電特性。 n醫(yī)用超聲換能器中用得最多的，偏鈮酸鉛壓電陶瓷。優(yōu)點：幾點耦合系數(shù)的各向異性大，徑向共振弱，厚度共振強，可獲得單純厚

25、度模式共振，超聲圖像清晰，電容率小，與高頻電路容易匹配，機械阻尼高，頻帶范圍寬，易于獲得高頻下的窄脈沖換能器。聲阻抗低，易于與人體軟組織匹配居里溫度高，壓電性能隨溫度變化小，性能穩(wěn)定。n高分子壓電聚合物材料，是一種半結晶聚合物，如：聚二氟乙烯（PV）：壓電聚合物薄膜，據(jù)歐柔軟性的塑料薄膜特性接收靈敏度高，容易達到較高厚度諧振基頻特性阻抗約為水的3倍。三 壓電材料的主要參數(shù)n1 彈性系數(shù)n3.壓電材料在磁學效應中有：B=H式中B為磁感應強度，H為磁場強度，為磁導率n4.壓電材料在熱學效應中有：Q=/c式中Q為熱量；為溫度；為熵；為介質(zhì)密度；c為材料比熱。對于壓電體，我們通常不考慮磁學效應并且認為

26、在壓電效應過程中無熱交換一般只考慮前面所述的力學效應和電學效應，而且還必須同時考慮它們之間存在的相互作用。n把兩個力學量-應力和應變e與兩個電學量-電場強度E和電位移強度D聯(lián)系在一起，描述它們之間相互作用的表達式就是所謂的壓電方程。處在工作狀態(tài)下的壓電體，其力學邊界條件可以有機械自由與機械夾緊兩種情況，而電學邊界條件則有電學短路和電學開路兩種情況，根據(jù)不同的邊界條件，選擇不同的自變量與因變量，就可以得到不同類型的壓電方程。電位移Dn壓電體上敷設金屬電極，電極面與極化強度方向垂直n自由電荷面密度等于極化強度n自由電荷面密度等于電通密度D61iimimdD壓電方程組同時受應力和電場作用n壓電體同時

27、受電場和應力作用時，利用疊加原理來處理。n第一類方程組，應力、電場強度為自變量應變、電位移為因變量應變彈性柔順系數(shù)應力應變彈性柔順系數(shù)應力應變常數(shù)電場強度應變常數(shù)電場強度電通密度應變常數(shù)應力分量電通密度應變常數(shù)應力分量介電常數(shù)電場介電常數(shù)電場壓電方程組同時受應力和電場作用n第二類壓電方程組以應變和電場強度為自變量以應力和電位移為因變量應力電場下彈性剛度系數(shù)應變應力電場下彈性剛度系數(shù)應變 壓電應力常數(shù)電場強度壓電應力常數(shù)電場強度電位移量壓電應力常數(shù)應變電位移量壓電應力常數(shù)應變 恒定應變下的介電常數(shù)電場強度恒定應變下的介電常數(shù)電場強度壓電參數(shù)8介電損耗n電介質(zhì)晶體突然受到電場作用時，極化強度并不是

28、一下子就達到最終值，即極化是一種弛豫現(xiàn)象（極化弛豫）。n如果介質(zhì)受交變電場作用，而交變頻率又比較高，就會使極化追隨不及時而發(fā)生滯后，從而引起了所謂的介質(zhì)損耗，并使動態(tài)介電常數(shù)與靜態(tài)介電常數(shù)發(fā)生差異。供給電介質(zhì)的能量有一部分消耗在強迫固有電矩的轉(zhuǎn)動上并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏幌牡簦硪辉騽t是介質(zhì)漏電，尤其在高溫和強電場作用下其表現(xiàn)更為顯著，由于漏電，電能被轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉（電導損耗）。9電學品質(zhì)因數(shù)Qen介質(zhì)損耗角正切的倒數(shù)即為電學品質(zhì)因數(shù)：Qe=1/tg=C 它反映了壓電體在交變電場作用下消耗電能（轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽┑拇笮?。Qe越大，意味著電能損耗越小。Qe的存在表明任何壓電材料都不可能把電能完全轉(zhuǎn)變成

29、機械能，其能量損耗的原因即是上述的介質(zhì)損耗。10機械品質(zhì)因數(shù)Qmn壓電體作諧振振動時，要克服內(nèi)部的機械摩擦損耗（內(nèi)耗），在有負載時還要克服外部負載的損耗，與這些機械損耗相聯(lián)系的是機械品質(zhì)因數(shù)Qmo（空載機械Q值）及Qm（有負載時的機械Q值）。它的定義為：Qm=諧振時壓電振子儲存的機械能量/諧振時每周期內(nèi)損耗的機械能量它反映了壓電體振動時克服機械損耗而消耗能量的大小。Qm越大，意味著機械能損耗越小。Qm的存在也表明任何壓電材料都不可能把輸入的機械能全部用于輸出。n對于一個壓電換能器而言，它的Qm和Qe并不是常量，它們與工作頻率、頻帶寬度、壓電換能器的制作工藝、結構、輻射介質(zhì)（負載）等有關。n當Q

30、m太高時，容易使振子產(chǎn)生的振動波形過長（振鈴現(xiàn)象），導致波形失真和分辨率降低，n同樣，Qe也并非越大越好。Q值大，意味著壓電效應過程中能量消耗小，在大功率和高頻應用或者純發(fā)射功率應用的情況下能減少發(fā)熱量，這是有利的一面。但是對于以檢測為目的的換能器，Q值大則對展寬頻帶、改善波形、提高分辨率等都是不利的。n由于Q值的大小還隨負載性質(zhì)而改變（例如水浸探頭、接觸法探頭所面臨的負載介質(zhì)是不同的），在設計換能器時還必須考慮到負載媒介的影響（輻射阻抗問題）。11機電耦合系數(shù)Kn綜上所述，我們可以總結出在超聲檢測的實際應用中選擇壓電材料制作壓電換能器時主要的選擇原則如下：n6介電常數(shù)-壓電晶片涂附電極后即構

31、成一個電容器，其電容量的大小符合C=A/t，即與介電常數(shù)、電極相對面積A和電極間距（晶片厚度）t相關。在電路中，電容量小時意味著容抗大，適合用作高頻壓電元件，特別是超聲檢測換能器多工作在兆赫茲頻率范圍，因此要求壓電材料的小些為好。相反，在用于制作低頻壓電元件（如音頻范圍的揚聲器、話筒等）時，則宜選用較大的材料以滿足大容量、低容抗的匹配要求。n的數(shù)值還與換能器的機械自由度有關，即機械夾緊狀態(tài)與機械自由狀態(tài)的介電常數(shù)是不同的，故有e、的區(qū)別。此外，與頻率的關系也比較敏感，故要以具體工作頻率為條件實際測定值。n7厚度振動頻率常數(shù)N主要利用厚度振動型壓電換能器，故壓電材料的N值越大，意味著相同厚度的壓

32、電晶片有較高的諧振頻率，或者說在同一諧振頻率下其晶片厚度較大，從而便于加工制作高頻元件，故應選擇N值較大的材料為好n8鐵電居里點Tc-鐵電晶體只在某一溫度范圍內(nèi)具有鐵電性，當溫度達到鐵電居里點時，晶體將失去鐵電性，并且晶體的介電、壓電、光學、彈性以及熱學等性質(zhì)均出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。大多數(shù)鐵電體只有一個居里點，但有少數(shù)鐵電體具有上、下居里點，它只在上、下居里點之間的溫度范圍內(nèi)具有鐵電性。例如鋯鈦酸鉛的上居里點在115-120，下居里點在-5，若在鈦酸鋇中添加5%的鈦酸鈣，則其下居里點可到-40。n此外，也有一些鐵電體是沒有居里點的，如一些特殊的高分子壓電材料（因達到某一溫度時即已發(fā)生融化甚至燒毀）。n

33、9機械品質(zhì)因數(shù)Qm和電學品質(zhì)因數(shù)Qe-在實際應用中，若Qm和Qe值較大時，將會有“振鈴”現(xiàn)象存在，導致波形失真、分辨率降低等不利于檢測的情況產(chǎn)生。一般不希望Qm和Qe太大，除了在選材時予以考慮外，在設計制作換能器時，常常需要通過結構上加大阻尼，電路上改變阻抗等辦法來適當降低Qm和Qe值。當然，降低Qm和Qe值是以犧牲靈敏度（降低輸出功率）為代價的。因此，應按實際應用的需要來選擇和調(diào)節(jié)適當?shù)腝值（根據(jù)經(jīng)驗，超聲檢測換能器的實際Q值不宜大于10）。n10壓電材料的老化性能-極化后的壓電材料其壓電性能會隨時間的推移而有不可逆的變化，這種現(xiàn)象稱為“老化”，如介電常數(shù)、介電損耗、壓電常數(shù)、機電耦合系數(shù)及

34、彈性等通常隨時間推移而變小，頻率常數(shù)和機械Q值會隨時間推移而增大。這些參數(shù)的變化基本上與時間的對數(shù)值有線性關系。一般以十年為一個單位來考慮，稱為“十年老化”。顯然，這個指標反映了壓電材料的時間穩(wěn)定性，在制作壓電換能器時也應適當考慮選擇時間穩(wěn)定性較好的材料。在具體的超聲換能器上，這種老化現(xiàn)象會具體表現(xiàn)在靈敏度、始波占寬、電噪聲水平等，因此對于換能器的選購和儲存時也應注意到時效的影響。n11壓電材料的熱穩(wěn)定性-這是指壓電材料在居里點以下的一定溫度范圍連續(xù)工作一段時間后其壓電性能不變或無退化的特性，特別對于高溫環(huán)境下工作的換能器，應選取熱穩(wěn)定性好的材料。n以上11項是我們選擇壓電材料制作超聲檢測換能

35、器時的主要考慮因素和選擇原則，應視具體應用情況和需要作綜合考慮，適當選擇。 二、超聲探頭的類別 n:按診斷部位分類：眼科探頭、心臟探頭、腹部探頭、顱腦探頭、腔內(nèi)探頭和兒童探頭等之分；n按應用方式分類：體外探頭、體內(nèi)探頭、穿刺活檢探頭之分;n按探頭中換能器所用振元數(shù)目分類：單元探頭和多元探頭n按波束控制方式分類：線掃探頭、相控陣探頭、機械扇掃探頭和方陣探頭等;n按探頭的幾何形狀分類：矩形探頭、柱形探頭、弧形探頭(又稱凸形)、圓形探頭等。1.柱形單振元探頭n柱形單振元探頭主要用于A超和M超，又稱筆桿式探頭。目前在經(jīng)顱多普勒（TCD)及胎心監(jiān)護儀器中亦用此探頭。 :壓電晶體，用于接收電脈沖產(chǎn)生機械超

36、聲振動，完成聲-電和電-聲轉(zhuǎn)換工作。其幾何形狀和尺寸是根據(jù)診斷要求來設計的，上、下電極分別焊有一根引線，用來傳輸電信號 n墊襯吸聲材料，用于衰減并吸收壓電振子背向輻射的超聲能量，使之不在探頭中來回反射而使振子的振鈴時間加長，因此要求墊襯具有較大的衰減能力，并具有與壓電材料接近的聲阻抗，以使來自壓電振子背向輻射的聲波全部進入墊襯中并不再反射回到振子中去，吸聲材料一般為環(huán)氧樹脂加鎢粉，或鐵氧體粉加橡膠粉配合而成 n聲學絕緣層，防止超聲能量傳至探頭外殼引起反射，造成對信號的干擾;n外殼，作為探頭內(nèi)部材料的支承體，并固定電纜引線，殼體上通常標明該探頭的型號、標稱頻率;n保護層，用以保護振子不被磨損。保

37、護層應該選擇衰減系數(shù)低并耐磨的材料，由于保護層與振子和人體組織同時接觸，其聲阻抗應接近人體組織的聲阻，并將保護層兼做為層間插入的聲阻抗?jié)u變層，其厚度應為/4。 (2) 基本特性 n超聲探頭作為一種傳感器，其最重要的性能有:特征頻率、受電激勵后振動時間的長短以及其體積的大小探頭的特征頻率決定于壓電晶體的厚度。給壓電晶體施加電激勵后，其前面和后面都會發(fā)出聲能，只要周圍介質(zhì)的聲阻抗與壓電晶體不一樣，部分聲能就會在前后界面處反射回晶體，并以聲波形式在晶體內(nèi)以同一速度傳播。聲波傳至對面所需要的時間與晶體的厚度成正比，當晶體厚度恰為波長的一半時，反射應力和發(fā)射應力在每一面相互加強，壓電晶體產(chǎn)生共振，呈現(xiàn)最

38、大的位移幅度。 相當于半波長厚度的頻率叫壓電晶體的基礎共振頻率。 n 傳感器受電激勵后振動時間的長短影響超聲系統(tǒng)的縱向分辨力。n為了追求好的縱向分辨力，通常使激勵電脈沖寬度盡量窄，然而由于超聲探頭的壓電材料對電激勵常呈較長時間的反應(即電脈沖結束后聲振蕩仍以衰減振蕩方式維持一段時間),此種振鈴反應會產(chǎn)生長超聲脈沖，如不予以阻尼，就會導致分辨力減弱。n為此必須在壓電體后面放置特別的墊襯材料，利用其吸音特性產(chǎn)生阻尼，使振鈴反應減弱,從而縮短脈沖總長度。n同時，此阻尼材料還可以吸收壓電晶體后面發(fā)出的聲能，否則這種能量就會在晶體中產(chǎn)生反射，干擾來自被檢介質(zhì)中的回聲。阻尼強的墊襯使換能器的聲脈沖時間縮短

39、，但也使靈敏度降低;阻尼弱則有損于分辨力，卻使換能器有較佳的靈敏度。 n 對于柱形單振元探頭，振元直徑的大小主要影響超聲場的形狀。n一般來說，振元直徑大，聲束的指向性好，并易于聚焦。n通常振元直徑在530mm范圍內(nèi)選定。 2.機械扇掃超聲探頭n機械扇形掃描超聲探頭配用于扇掃式B型超聲診斷儀，它是依靠機械傳動方式帶動傳感器往復搖擺或連續(xù)旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)扇形掃描的n比如早期的機械扇掃探頭的重量達0.6kg以上，且掃描角度僅30。隨著技術的進步，到80年代中期，機械扇掃超聲換能器的產(chǎn)品性能日趨改善，重量可以做到0.2kg以下，掃描幀頻約30幀/s,掃描角度達85，2.機械扇掃超聲探頭n 機械扇掃探頭除換能

40、器聲學特性的基本要求之外，還應滿足以下要求:保證探頭中的壓電振子作30次/s左右的高速擺動，擺動幅度應足夠大；擺動速度應均勻穩(wěn)定；整體體積小、重量輕，便于手持操作;外形應適合探查的需要，并能靈活改變掃查方向;機械振動及噪聲應小到不致引起病人的緊張和煩躁。目前來看，機械扇掃探頭主要存在的不足之處，是噪聲大和探頭壽命短。多數(shù)的機械扇掃探頭壽命僅有數(shù)千小時3.電子線陣超聲探頭n電子線陣超聲探頭配用于電子式線性掃描超聲診斷儀。n它主要由6部分組成:開關控制器、阻尼墊襯、換能器陣列、匹配層、聲透鏡和外殼。n(1)開關控制器用于控制探頭中各振元按一定組合方式工作，若采用直接激勵，則每一個振元需要一條信號線

41、連接到主機，目前換能器振元數(shù)已普遍增加到數(shù)百個，則與主機的連線需要數(shù)百根，這不僅使工藝復雜，因此而增加的探頭和電纜的重量也是不堪設想的。n采用開關控制器就可以使探頭與主機的連線數(shù)大大減小。n(2)阻尼墊襯其作用與柱形單振元探頭中的墊襯作用相同，用于產(chǎn)生阻尼,抑制振鈴并消除反射干擾。阻尼墊襯材料的構成要求亦和柱形單振元探頭相似。n(3)換能器陣列換能器的晶體振元通常是采用切割法制造工藝，即對一寬約10mm，一定厚度的矩形壓電晶體，通過計算機程控順序開槽。開槽寬度應小于0.1mm，開槽深度則不能一概而論，這是因為所用晶片的厚度取決于探頭的工作頻率，相當于半波長厚度的頻率叫做壓電晶體的基礎共振頻率。

42、晶體材料的半波長厚度可由下式給出。=CpT12式中:Cp為超聲波在該材料中的傳播速度，T為工作頻率超聲波的周期。n(4)匹配層由于聲透鏡同時與晶體振元和人體接觸，兩者的聲阻抗差別甚壓電晶體振元的阻抗Zf(2035)106kgsm2，人體組織的阻抗Ze(1.581.7)106kgsm2，難于使聲透鏡的特性阻抗同時與兩者匹配。超聲經(jīng)不同阻抗界面?zhèn)鞑ィ瑢a(chǎn)生反射，會增加能量損耗并影響分辨力，因此，往往需要采用匹配層來實現(xiàn)探頭與負載之間的匹配。n對匹配層除厚度與聲阻抗的要求外，還要求其聲阻尼要小，以減小對超聲能量的損耗。在工藝上應保證其同時與晶體振元和聲透鏡接觸良好。 n匹配層材料通常也采用環(huán)氧加鎢粉

43、配制 4.電子凸陣超聲探頭4.電子凸陣超聲探頭n凸陣探頭的結構原理與線陣探頭相類似，只是振元排列成凸形。n但相同振元結構凸形探頭的視野要比線陣探頭大。由于其探查視場為扇形，故對某些聲窗較小的臟器的探查比線陣探頭更為優(yōu)越，比如檢測骨下臟器，有二氧化碳和空氣障礙的部位更能顯現(xiàn)其特點。n但凸形探頭波束掃描遠程擴散，必須給予線插補，否則因線密度低將使影像清晰度變差。 n探頭中的振元都不是同時被激勵的，它們總是被分組分時受激勵，而且分配的方法有多樣。5.相控陣超聲探頭5.相控陣超聲探頭 n相探陣超聲探頭可以實現(xiàn)波束扇形掃描，因此又稱為相控電子扇掃探頭。n相控陣超聲探頭外形及內(nèi)部結構與線陣探頭頗有相似之處

44、。其一是所用換能器也是多元換能器陣列;其二是探頭的結構、材料和工藝亦相近，主要由換能器、阻尼墊襯、聲透鏡以及匹配層幾部分組成；5.相控陣超聲探頭n但它們的不同之處也主要有兩點：第一是在探頭中沒有開關控制器，這是因為相控陣探頭換能器中，各振元基本上是同時被激勵的，而不是像線陣探頭換能器那樣分組、分時工作的，因此，不需要用控制器來選擇參與工作的振元。第二是相控陣探頭的體積和聲窗面積都較小，這是因為相控陣探頭是以扇形掃描方式工作的，其近場波束尺寸小，也正因為此，它具有機械扇形掃描探頭的優(yōu)點，可以通過一個小的“窗口”，對一個較大的扇形視野進行探查。 n 矩陣式探頭n由切割成的數(shù)百個到數(shù)千個矩陣組成。如

45、Philips*4Matrix型超級矩陣式探頭，由3000個陣元塊組成。150多個計算機電子板進行接收惡化處理超聲回波信號。穿刺活檢換能器n中心部位有一個23mm的圓孔，用來通過不同型號的穿刺線或活檢鉗。第二章第二章 醫(yī)用超聲換能器醫(yī)用超聲換能器v 功能功能 電能量電能量超聲能量相互轉(zhuǎn)換超聲能量相互轉(zhuǎn)換v 重要性重要性 整臺超聲儀器性能的關鍵整臺超聲儀器性能的關鍵v 材料性能種類材料性能種類. 壓電換能器壓電換能器超聲診斷儀主要用之超聲診斷儀主要用之. 磁致伸縮換能器磁致伸縮換能器超聲治療儀用之超聲治療儀用之超聲診斷儀換能器探頭超聲診斷儀換能器探頭超聲診斷儀換能器探頭超聲診斷儀換能器探頭測厚探

46、頭測厚探頭直探頭直探頭第一節(jié)壓電換能器第一節(jié)壓電換能器一、壓電效應一、壓電效應1. 正向壓電效應正向壓電效應 材料兩端加材料兩端加壓力壓力兩電極產(chǎn)生兩電極產(chǎn)生電場電場 壓力壓力 形變形變晶格電偶極矩變化晶格電偶極矩變化電荷積累電荷積累電場電場 2. 逆向壓電效應逆向壓電效應 材料兩端加材料兩端加電壓電壓材料產(chǎn)生材料產(chǎn)生形變形變 電壓電壓電場電場晶格電偶極受力晶格電偶極受力應力應力形變形變 材料正、逆向壓電效應可逆材料正、逆向壓電效應可逆+ + + + + +- - - - - -+ + + + + +- - - - - -壓電效應示意圖壓電效應示意圖二、醫(yī)用壓電材料二、醫(yī)用壓電材料 1. 壓電

47、材料壓電材料: 具有壓電效應特性的材料。具有壓電效應特性的材料。 2. 壓電材料的種類壓電材料的種類（1）壓電單晶體）壓電單晶體 石英、酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鈮酸鉀、硫酸鋰等石英、酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鈮酸鉀、硫酸鋰等（2）壓電多晶體）壓電多晶體 鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂-鋯鋯-鈦酸鉛等鈦酸鉛等（3）壓電高分子聚合物）壓電高分子聚合物 聚偏二氟乙烯等聚偏二氟乙烯等（4）復合壓電材料）復合壓電材料 聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復合（鋯鈦酸鉛復合（PVDF+PZT）等）等3. 壓電特性的獲得壓電特性的獲得單晶體：單晶體：某些方向本身固有壓電效應某些

48、方向本身固有壓電效應選定切割選定切割多晶體：多晶體：材料加熱到材料加熱到居里點居里點溫度，壓電效應消失，溫度，壓電效應消失， 然后在強電場中慢慢冷卻然后在強電場中慢慢冷卻極化。極化。居里點：居里點：石英石英=550oC，鋯鈦酸鉛，鋯鈦酸鉛=330oC， 鈦酸鋇鈦酸鋇=120oC4. 各類壓電材料的優(yōu)缺點各類壓電材料的優(yōu)缺點 壓電陶瓷壓電陶瓷 電聲轉(zhuǎn)換效率高；易于電路匹配；性能穩(wěn)定；電聲轉(zhuǎn)換效率高；易于電路匹配；性能穩(wěn)定； 價廉，易加工。但頻率受限；脆；物性受溫度影響。價廉，易加工。但頻率受限；脆；物性受溫度影響。 石英晶體石英晶體 電容小，頻率高；機械性能好。但昂貴；加工電容小，頻率高；機械性

49、能好。但昂貴；加工 不便。不便。 高分子壓電聚合材料高分子壓電聚合材料 接收靈敏，效率高，易匹配，機械性能好。接收靈敏，效率高，易匹配，機械性能好。 三、壓電材料的主要參數(shù)和壓電方程三、壓電材料的主要參數(shù)和壓電方程1. 主要參數(shù)主要參數(shù)（1）壓電常數(shù)）壓電常數(shù) d 和和g d：壓電材料加上單位：壓電材料加上單位電場電場所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的應變應變。 又稱：材料的發(fā)射常數(shù)，單位：又稱：材料的發(fā)射常數(shù)，單位：m/v g：壓電材料開路時，施加單位：壓電材料開路時，施加單位應力應力所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的電場電場。 又稱：材料的接收常數(shù)，單位：又稱：材料的接收常數(shù)，單位：v/m. （2）介電常數(shù)）介電常數(shù) 同樣電

50、壓下，壓電材料介質(zhì)和真空介質(zhì)的電容比值。同樣電壓下，壓電材料介質(zhì)和真空介質(zhì)的電容比值。 S：換能器被夾緊（：換能器被夾緊（S=0）時的介電常數(shù)，）時的介電常數(shù)， T：換能器自由（：換能器自由（T=0）時的介電常數(shù)。）時的介電常數(shù)。 d/g =T S應變：單位長度內(nèi)的長度變化量，應變：單位長度內(nèi)的長度變化量， T應力：材料內(nèi)力。應力：材料內(nèi)力。2壓電方程壓電方程材料僅作厚度振動，參量僅在厚度方向時的壓電方程材料僅作厚度振動，參量僅在厚度方向時的壓電方程 S = （1/YE ）T+dE D = dT+TE 式中：式中：Y電場不變時的楊氏模量電場不變時的楊氏模量D電位移：單位面積上的電荷量電位移：單

51、位面積上的電荷量 E電場強度電場強度 S 應變應變 T 應力應力 應力不變時的介電常數(shù)應力不變時的介電常數(shù) d 壓電常數(shù)壓電常數(shù) 圖圖2-3是壓電體所在坐標系是壓電體所在坐標系其中：其中：D，E，S，T均在均在z方向方向與壓電體表面垂直與壓電體表面垂直 L壓電體厚度壓電體厚度 V壓電體表面電壓壓電體表面電壓 P外加壓力外加壓力有：有：E=V/L，P=T討論：討論：（1）加電壓）加電壓V，自由（，自由（T=0）時，由）時，由式得：式得： L=SL=dEL=dV 即：形變即：形變L正比于加的電壓正比于加的電壓V（2）加電壓）加電壓V，夾緊（，夾緊（S=0）時，由）時，由式得：式得： T= YEd

52、E=(dYE)V/L 即：應力即：應力T正比于加的電壓正比于加的電壓V （3）加壓力加壓力P，開路（，開路（D=0）時，由）時，由式得：式得： V= dT(L/T)=(d /T)LP = gLP 即：產(chǎn)生電壓即：產(chǎn)生電壓V正比于加的壓力正比于加的壓力P（4）加壓力）加壓力P，短路（，短路（E=0）時，因）時，因D=q/A，由，由式得：式得： q= dTA=dAP 式中：式中：A壓電體面積壓電體面積 即：產(chǎn)生電荷積累即：產(chǎn)生電荷積累q正比于加的壓力正比于加的壓力PS = (1/YE)T+dE D = dT+TE E=V/L，P=Td/g =T 超聲診斷中常根據(jù)不同的受檢對象和部位超聲診斷中常根據(jù)

53、不同的受檢對象和部位選擇不同的探頭，如選擇不同的探頭，如2 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz等，探頭的發(fā)射頻率是由什么決定的呢？等，探頭的發(fā)射頻率是由什么決定的呢？探頭的發(fā)射頻率探頭的發(fā)射頻率 當一交變電壓加至壓電材料上時，壓電晶片表面產(chǎn)當一交變電壓加至壓電材料上時，壓電晶片表面產(chǎn)生相應的振動，并向與之接觸的介質(zhì)中輻射超聲能量。生相應的振動，并向與之接觸的介質(zhì)中輻射超聲能量。除非特性阻抗相等，一般總有部分超聲能量被壓電晶片除非特性阻抗相等，一般總有部分超聲能量被壓電晶片前后表面反射，在壓電體內(nèi)傳向?qū)γ?。因為前后表面振前后表面反射，在壓電體內(nèi)傳向?qū)γ妗Ｒ驗榍昂蟊砻嬲駝臃聪?，當動?/p>

54、相，當L=/2時，壓電體內(nèi)傳播時間時，壓電體內(nèi)傳播時間 t = L/c = (/2)/c = (cT/2)/c = T/2即：到達對面時，與相移即：到達對面時，與相移180o的對面振動疊加，達到同的對面振動疊加，達到同頻同相疊加，輻射超聲最強，即為諧振情況。對應頻率頻同相疊加，輻射超聲最強，即為諧振情況。對應頻率 f = c/= c/2L稱稱基本諧振頻率基本諧振頻率，或，或基頻基頻。T/2TTttT/2L收縮膨脹收縮表面位移c, f前向后向壓電體超聲超聲3T/2 一般地，基頻或更高頻率在壓電體內(nèi)傳播從一個一般地，基頻或更高頻率在壓電體內(nèi)傳播從一個表面到達對面所用時間為：表面到達對面所用時間為：

55、 t = Lc = (2n-1)T2n-1 2 (n=1,2,)即：即： L= (2n-1)2n-1 2 或：或： f2n-1 = 1T2n-1 = (2n-1)c2L時，都能達到諧振。時，都能達到諧振。 f1基頻，基頻， f 3，f5，f7高次諧振頻率，高次諧振頻率，f1Lc2材料的頻率常數(shù)材料的頻率常數(shù)結論結論 探頭的發(fā)射頻率是由晶體的厚度決定的。探頭的發(fā)射頻率是由晶體的厚度決定的。第二節(jié)換能器的超聲場第二節(jié)換能器的超聲場v 超聲場超聲場 彈性介質(zhì)中充滿超聲能量的空間，或超聲傳播時超彈性介質(zhì)中充滿超聲能量的空間，或超聲傳播時超聲能量在介質(zhì)中的空間分布。聲能量在介質(zhì)中的空間分布。v 平面圓片

56、換能器活塞振動的穩(wěn)態(tài)超聲場平面圓片換能器活塞振動的穩(wěn)態(tài)超聲場 活塞振動活塞振動平面振動平面振動 穩(wěn)態(tài)超聲場穩(wěn)態(tài)超聲場不考慮不考慮建立過程的穩(wěn)定超聲場建立過程的穩(wěn)定超聲場 r, 極坐標極坐標 z 聲軸方向聲軸方向 a 圓片半徑圓片半徑B(r,)zra 可看成無數(shù)頻率、振幅、相位相同的點聲源聲場疊加，可看成無數(shù)頻率、振幅、相位相同的點聲源聲場疊加， 在在 B(r,)點積分求得點積分求得P ，并進而求得，并進而求得I = P2/Z一、軸向聲場分布（一、軸向聲場分布（=0, r可變）可變）（1） 聲軸上聲強表達式聲軸上聲強表達式式中：式中：Z介質(zhì)聲阻抗，介質(zhì)聲阻抗，V0速度振幅，速度振幅，波波長長可見

57、：可見：（2）軸向聲場分布圖（據(jù)上式）軸向聲場分布圖（據(jù)上式） 當當0r r0，存在數(shù)個極大值和極小值，存在數(shù)個極大值和極小值， 當當rr0 后，隨著后，隨著r的增大，聲強逐漸減弱。的增大，聲強逐漸減弱。)(sin2)0,(22220rarZVrI00)()(02222IrarrCIararr，時，時，軸向上聲場分布圖軸向上聲場分布圖（3） 近場距離近場距離( r0 ) 式中，式中，D=2a壓電體直徑，如壓電體直徑，如a，則，則 聲學上稱：聲學上稱： r r0遠場區(qū)遠場區(qū) （4）軸向聲強分布特點）軸向聲強分布特點 近場區(qū)：近場區(qū)：聲強軸向起伏分布，但平均強度不變聲強軸向起伏分布，但平均強度不變 遠場區(qū)遠場區(qū)：聲強軸向單調(diào)衰減，聲強軸向單調(diào)衰減，I 1r244422220Dar20ar二、徑向聲場分布（二、徑向聲場分布（r=定值定值, 可變）可變） （1） 徑向近場分布徑向近場分布 近場衍射現(xiàn)象：聲束截平面上聲強分布為許多最近場衍射現(xiàn)象：聲束截平面上聲強分布為許多最 大強度和最小強度的同心圓環(huán)，環(huán)的數(shù)量隨著距大強度和最小強度的同心圓環(huán)，環(huán)的數(shù)量隨著距 離的增加而減少。離的增加而減少。 聲能幾乎不擴散，聲束寬度接近相等（等于聲能幾乎不擴散，聲束寬度接近相等（等于D）。）。 （