第二部分_超聲換能器-2

1、壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)l壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)1880年居里兄弟皮爾（年居里兄弟皮爾（P.Curie ) 與捷克斯與捷克斯（J.Curie)發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)。經(jīng)他們實(shí)驗(yàn)而發(fā)發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)。經(jīng)他們實(shí)驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)，具有壓電性的材料有現(xiàn)，具有壓電性的材料有 ：l具有壓電性的材料有：閃鋅礦（具有壓電性的材料有：閃鋅礦（zincblende）、）、鈉氯酸鹽（鈉氯酸鹽（sodiumchlorate）、電氣石）、電氣石（tourmaline）、石英（）、石英（quartz）、酒石酸）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（）、蔗糖（canesuger）、方硼石）、方硼石（boracite）、異極礦（）、異極礦

2、（calamine）、黃晶）、黃晶（topaz）及若歇爾鹽（）及若歇爾鹽（Rochellesalt）。這些晶）。這些晶體都具有非晶方性（體都具有非晶方性（anisotropic）結(jié)構(gòu)，晶方性）結(jié)構(gòu)，晶方性（isotropic）材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電性的。）材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電性的。l第一次大戰(zhàn)后不久，石英換能器便發(fā)展出兩項(xiàng)第一次大戰(zhàn)后不久，石英換能器便發(fā)展出兩項(xiàng)重要的應(yīng)用。重要的應(yīng)用。哈佛大學(xué)的皮爾士教授（哈佛大學(xué)的皮爾士教授（G.W.Pierce）用石英晶體）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。制作超聲波干涉儀，可定出波在氣體介質(zhì)中的速度?？汕蟪霾ㄔ跉怏w中的表減系數(shù)。當(dāng)時(shí)用它來

3、測(cè)量聲可求出波在氣體中的表減系數(shù)。當(dāng)時(shí)用它來測(cè)量聲波在二氧化碳中波速對(duì)頻率的關(guān)系，而求出波速的波在二氧化碳中波速對(duì)頻率的關(guān)系，而求出波速的色散關(guān)系。用這種方法，可研究氣體在不同混合比色散關(guān)系。用這種方法，可研究氣體在不同混合比與溫度下聲波的波速與衰減率。與溫度下聲波的波速與衰減率。1927年，伍德（年，伍德（R.W.Wood）與魯密斯）與魯密斯（A.L.Loomis）首先使用高功率超聲波。使用藍(lán)杰）首先使用高功率超聲波。使用藍(lán)杰文型的石英換能器配合高功率真空管，在液體中產(chǎn)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（生高能量，使液體引起所謂的空腔（cavitati

4、on）現(xiàn)）現(xiàn)象。同時(shí)也研究高功率超聲波對(duì)生物試樣的效應(yīng)。象。同時(shí)也研究高功率超聲波對(duì)生物試樣的效應(yīng)。l1919年，卡迪（年，卡迪（Cady）教授第一次利用）教授第一次利用石英當(dāng)作頻率控制器，圖四就是最早期石英當(dāng)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(wàn)個(gè)晶體振蕩大戰(zhàn)中，大約使用了一千萬(wàn)個(gè)晶體振蕩器，用以建立坦克與坦克之間及地面和器，用以建立坦克與坦克之間及地面和飛機(jī)之間的通訊。飛機(jī)之間的通訊。l在非晶方晶體中，施一外力使晶體變形，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(dòng)造成晶體內(nèi)局部由于晶格中電荷的移

5、動(dòng)造成晶體內(nèi)局部不均勻電荷分布，而產(chǎn)生不均勻電荷分布，而產(chǎn)生電位移。電位移。l只有只有 在材料每單位體積中造成有效地凈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。的電雙極距變化。才具有壓電特性。l石英晶體石英晶體昂貴、加工不方便、昂貴、加工不方便、優(yōu)良的機(jī)械性能，較低的電容，高的品質(zhì)因數(shù)，良優(yōu)良的機(jī)械性能，較低的電容，高的品質(zhì)因數(shù)，良好的溫度系數(shù)好的溫度系數(shù)l壓電陶瓷：壓電陶瓷：電電-聲轉(zhuǎn)換系數(shù)高聲轉(zhuǎn)換系數(shù)高易于電路匹配易于電路匹配材料性能穩(wěn)定、廉價(jià)、易于加工、可控制成任意形材料性能穩(wěn)定、廉價(jià)、易于加工、可控制成任意形狀、尺寸。狀、尺寸?？赏ㄟ^摻雜、取代、改變材料配方等辦法進(jìn)

6、行參數(shù)可通過摻雜、取代、改變材料配方等辦法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整調(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l石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。l 在垂直于在垂直于z軸的軸的xy平面上的投影平面上的投影, 等效為一個(gè)正六邊形等效為一個(gè)正六邊形排列。當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)排列。當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí), 正、負(fù)離子正好分正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上布在正六邊形的頂角上, 形成三個(gè)互成形成三個(gè)互成120夾角的電夾角的電偶極矩偶極矩P1、 P2、P3 l壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。l

7、 材料內(nèi)部的晶粒有許多材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化自發(fā)極化的電疇的電疇, 它有一定的極化方向它有一定的極化方向, 從從而存在電場(chǎng)。而存在電場(chǎng)。l 在無外電場(chǎng)作用時(shí)在無外電場(chǎng)作用時(shí), 電疇電疇在晶體中雜亂分布在晶體中雜亂分布, 它們的極化效應(yīng)被相它們的極化效應(yīng)被相互抵消互抵消, 壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性, 不具有壓電性質(zhì)不具有壓電性質(zhì) l在陶瓷上在陶瓷上施加外電場(chǎng)施加外電場(chǎng)時(shí)時(shí), 電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 趨向于按外電趨向于按外電場(chǎng)方向的排列場(chǎng)方向的排列, 從而使材料得到從而使材料得到極化極化。l外電場(chǎng)

8、去掉后外電場(chǎng)去掉后, 電疇的極化方向基本不變電疇的極化方向基本不變, 即即剩余極化強(qiáng)度剩余極化強(qiáng)度很大很大, 這時(shí)的材料才具有壓電特性這時(shí)的材料才具有壓電特性。 l醫(yī)用超聲換能器中用得最多的，偏鈮酸醫(yī)用超聲換能器中用得最多的，偏鈮酸鉛壓電陶瓷。優(yōu)點(diǎn)：鉛壓電陶瓷。優(yōu)點(diǎn)：幾點(diǎn)耦合系數(shù)的各向異性大，幾點(diǎn)耦合系數(shù)的各向異性大，徑向共振弱，厚度共振強(qiáng)，可獲得單純厚度徑向共振弱，厚度共振強(qiáng)，可獲得單純厚度模式共振，超聲圖像清晰，模式共振，超聲圖像清晰，電容率小，與高頻電路容易匹配，機(jī)械阻尼電容率小，與高頻電路容易匹配，機(jī)械阻尼高，頻帶范圍寬，易于獲得高頻下的窄脈沖高，頻帶范圍寬，易于獲得高頻下的窄脈沖換能

9、器。換能器。聲阻抗低，易于與人體軟組織匹配聲阻抗低，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，性能居里溫度高，壓電性能隨溫度變化小，性能穩(wěn)定。穩(wěn)定。l高分子壓電聚合物材料，是一種半結(jié)晶高分子壓電聚合物材料，是一種半結(jié)晶聚合物，如：聚二氟乙烯（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壓電聚合物薄膜，據(jù)歐柔軟性的塑料薄膜特性性接收靈敏度高，接收靈敏度高，容易達(dá)到較高厚度諧振基頻容易達(dá)到較高厚度諧振基頻特性阻抗約為水的特性阻抗約為水的3倍。倍。l1 彈性系數(shù)彈性系數(shù)l3.壓電材料在磁學(xué)效應(yīng)中有：壓電材料在磁學(xué)效應(yīng)中有：B=H式中式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，為磁感

10、應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，為磁場(chǎng)強(qiáng)度，為磁為磁導(dǎo)率導(dǎo)率l4.壓電材料在熱學(xué)效應(yīng)中有：壓電材料在熱學(xué)效應(yīng)中有：Q=/c式中式中Q為熱量；為熱量；為溫度；為溫度；為熵；為熵；為介質(zhì)密為介質(zhì)密度；度；c為材料比熱。為材料比熱。對(duì)于壓電體，我們通常不考慮磁學(xué)效應(yīng)并且認(rèn)對(duì)于壓電體，我們通常不考慮磁學(xué)效應(yīng)并且認(rèn)為在壓電效應(yīng)過程中無熱交換為在壓電效應(yīng)過程中無熱交換一般只考慮前面所述的力學(xué)效應(yīng)和電學(xué)效應(yīng)，一般只考慮前面所述的力學(xué)效應(yīng)和電學(xué)效應(yīng)，而且還必須同時(shí)考慮它們之間存在的相互作用。而且還必須同時(shí)考慮它們之間存在的相互作用。l把兩個(gè)力學(xué)量把兩個(gè)力學(xué)量-應(yīng)力應(yīng)力和應(yīng)變和應(yīng)變e與兩個(gè)電學(xué)與兩個(gè)電學(xué)量量-電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)

11、強(qiáng)度E和電位移強(qiáng)度和電位移強(qiáng)度D聯(lián)系在一聯(lián)系在一起，描述它們之間相互作用的表達(dá)式就起，描述它們之間相互作用的表達(dá)式就是所謂的壓電方程。是所謂的壓電方程。處在工作狀態(tài)下的壓電體，其力學(xué)邊界條件處在工作狀態(tài)下的壓電體，其力學(xué)邊界條件可以有機(jī)械自由與機(jī)械夾緊兩種情況，而電可以有機(jī)械自由與機(jī)械夾緊兩種情況，而電學(xué)邊界條件則有電學(xué)短路和電學(xué)開路兩種情學(xué)邊界條件則有電學(xué)短路和電學(xué)開路兩種情況，根據(jù)不同的邊界條件，選擇不同的自變況，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量與因變量，就可以得到不同類型的壓電方程。程。l壓電體上敷設(shè)金屬電極，電極面與極化壓電體上敷設(shè)金屬電極，電

12、極面與極化強(qiáng)度方向垂直強(qiáng)度方向垂直l自由電荷面密度等于極化強(qiáng)度自由電荷面密度等于極化強(qiáng)度l自由電荷面密度等于電通密度自由電荷面密度等于電通密度D61iimimdDl壓電體同時(shí)受壓電體同時(shí)受電場(chǎng)電場(chǎng)和和應(yīng)力應(yīng)力作用時(shí)，利用作用時(shí)，利用疊加原理來處理。疊加原理來處理。l第一類方程組第一類方程組，應(yīng)力、電場(chǎng)強(qiáng)度為自變量應(yīng)力、電場(chǎng)強(qiáng)度為自變量應(yīng)變、電位移為因變量應(yīng)變、電位移為因變量應(yīng)變彈性柔順系數(shù)應(yīng)力應(yīng)變彈性柔順系數(shù)應(yīng)力應(yīng)變常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)變常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度電通密度應(yīng)變常數(shù)應(yīng)力分量電通密度應(yīng)變常數(shù)應(yīng)力分量介電常數(shù)電場(chǎng)介電常數(shù)電場(chǎng)l第二類壓電方程組第二類壓電方程組以應(yīng)變和電場(chǎng)強(qiáng)度為自變量以應(yīng)變和電場(chǎng)強(qiáng)度為自變

13、量以應(yīng)力和電位移為因變量以應(yīng)力和電位移為因變量應(yīng)力電場(chǎng)下彈性剛度系數(shù)應(yīng)變應(yīng)力電場(chǎng)下彈性剛度系數(shù)應(yīng)變 壓電應(yīng)力常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度壓電應(yīng)力常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度電位移量壓電應(yīng)力常數(shù)應(yīng)變電位移量壓電應(yīng)力常數(shù)應(yīng)變 恒定應(yīng)變下的介電常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度恒定應(yīng)變下的介電常數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度l電介質(zhì)晶體突然受到電場(chǎng)作用時(shí)，極化強(qiáng)度并電介質(zhì)晶體突然受到電場(chǎng)作用時(shí)，極化強(qiáng)度并不是一下子就達(dá)到最終值，即極化是一種弛豫不是一下子就達(dá)到最終值，即極化是一種弛豫現(xiàn)象（極化弛豫）?，F(xiàn)象（極化弛豫）。l如果介質(zhì)受交變電場(chǎng)作用，而交變頻率又比較如果介質(zhì)受交變電場(chǎng)作用，而交變頻率又比較高，就會(huì)使極化追隨不及時(shí)而發(fā)生滯后，從而高，就會(huì)使極化追隨不及時(shí)而發(fā)生滯后

14、，從而引起了所謂的介質(zhì)損耗，并使動(dòng)態(tài)介電常數(shù)與引起了所謂的介質(zhì)損耗，并使動(dòng)態(tài)介電常數(shù)與靜態(tài)介電常數(shù)發(fā)生差異。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(qiáng)迫固有電矩的供給電介質(zhì)的能量有一部分消耗在強(qiáng)迫固有電矩的轉(zhuǎn)動(dòng)上并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏幌牡?，轉(zhuǎn)動(dòng)上并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏幌牡?，另一原因則是介質(zhì)漏電，尤其在高溫和強(qiáng)電場(chǎng)作用另一原因則是介質(zhì)漏電，尤其在高溫和強(qiáng)電場(chǎng)作用下其表現(xiàn)更為顯著，由于漏電，電能被轉(zhuǎn)化成熱能下其表現(xiàn)更為顯著，由于漏電，電能被轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉（電導(dǎo)損耗）。而消耗掉（電導(dǎo)損耗）。l介質(zhì)損耗角正切的倒數(shù)即為電學(xué)品質(zhì)因數(shù)：介質(zhì)損耗角正切的倒數(shù)即為電學(xué)品質(zhì)因數(shù)：Qe=1/tg=C 它反

15、映了壓電體在交變電場(chǎng)作用下消耗電能（轉(zhuǎn)它反映了壓電體在交變電場(chǎng)作用下消耗電能（轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽┑拇笮　Ｗ優(yōu)闊崮埽┑拇笮?。Qe越大，意味著電能損耗越小。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)的存在表明任何壓電材料都不可能把電能完全轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，其能量損耗的原因即是上述的介質(zhì)損變成機(jī)械能，其能量損耗的原因即是上述的介質(zhì)損耗。耗。l壓電體作諧振振動(dòng)時(shí)，要克服內(nèi)部的機(jī)械摩擦壓電體作諧振振動(dòng)時(shí)，要克服內(nèi)部的機(jī)械摩擦損耗（內(nèi)耗），在有負(fù)載時(shí)還要克服外部負(fù)載損耗（內(nèi)耗），在有負(fù)載時(shí)還要克服外部負(fù)載的損耗，與這些機(jī)械損耗相聯(lián)系的是機(jī)械品質(zhì)的損耗，與這些機(jī)械損耗相聯(lián)系的是機(jī)械品質(zhì)因

16、數(shù)因數(shù)Qmo（空載機(jī)械（空載機(jī)械Q值）及值）及Qm（有負(fù)載時(shí)（有負(fù)載時(shí)的機(jī)械的機(jī)械Q值）。它的定義為：值）。它的定義為：Qm=諧振時(shí)壓電振子儲(chǔ)存的機(jī)械能量諧振時(shí)壓電振子儲(chǔ)存的機(jī)械能量/諧振諧振時(shí)每周期內(nèi)損耗的機(jī)械能量時(shí)每周期內(nèi)損耗的機(jī)械能量它反映了壓電體振動(dòng)時(shí)克服機(jī)械損耗而消耗能量的它反映了壓電體振動(dòng)時(shí)克服機(jī)械損耗而消耗能量的大小。大小。Qm越大，意味著機(jī)械能損耗越小。越大，意味著機(jī)械能損耗越小。Qm的存的存在也表明任何壓電材料都不可能把輸入的機(jī)械能全在也表明任何壓電材料都不可能把輸入的機(jī)械能全部用于輸出。部用于輸出。l對(duì)于一個(gè)壓電換能器而言，它的對(duì)于一個(gè)壓電換能器而言，它的Qm和和Qe并不并

17、不是常量，它們與工作頻率、頻帶寬度、壓電換是常量，它們與工作頻率、頻帶寬度、壓電換能器的制作工藝、結(jié)構(gòu)、輻射介質(zhì)（負(fù)載）等能器的制作工藝、結(jié)構(gòu)、輻射介質(zhì)（負(fù)載）等有關(guān)。有關(guān)。l當(dāng)當(dāng)Qm太高時(shí)，容易使振子產(chǎn)生的振動(dòng)波形過太高時(shí)，容易使振子產(chǎn)生的振動(dòng)波形過長(zhǎng)（振鈴現(xiàn)象），導(dǎo)致波形失真和分辨率降低，長(zhǎng)（振鈴現(xiàn)象），導(dǎo)致波形失真和分辨率降低，l同樣，同樣，Qe也并非越大越好。也并非越大越好。Q值大，意味著壓值大，意味著壓電效應(yīng)過程中能量消耗小，在大功率和高頻應(yīng)電效應(yīng)過程中能量消耗小，在大功率和高頻應(yīng)用或者純發(fā)射功率應(yīng)用的情況下能減少發(fā)熱量，用或者純發(fā)射功率應(yīng)用的情況下能減少發(fā)熱量，這是有利的一面。但是

18、對(duì)于以檢測(cè)為目的的換這是有利的一面。但是對(duì)于以檢測(cè)為目的的換能器，能器，Q值大則對(duì)展寬頻帶、改善波形、提高值大則對(duì)展寬頻帶、改善波形、提高分辨率等都是不利的。分辨率等都是不利的。l由于由于Q值的大小還隨負(fù)載性質(zhì)而改變（例如水值的大小還隨負(fù)載性質(zhì)而改變（例如水浸探頭、接觸法探頭所面臨的負(fù)載介質(zhì)是不同浸探頭、接觸法探頭所面臨的負(fù)載介質(zhì)是不同的），在設(shè)計(jì)換能器時(shí)還必須考慮到負(fù)載媒介的），在設(shè)計(jì)換能器時(shí)還必須考慮到負(fù)載媒介的影響（輻射阻抗問題）。的影響（輻射阻抗問題）。l綜上所述，我們可以總結(jié)出在超聲檢測(cè)綜上所述，我們可以總結(jié)出在超聲檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中選擇壓電材料制作壓電換的實(shí)際應(yīng)用中選擇壓電材料制作壓

19、電換能器時(shí)主要的選擇原則如下：能器時(shí)主要的選擇原則如下：l6介電常數(shù)介電常數(shù)-壓電晶片涂附電極后即構(gòu)成一個(gè)電容器，壓電晶片涂附電極后即構(gòu)成一個(gè)電容器，其電容量的大小符合其電容量的大小符合C=A/t，即與介電常數(shù)，即與介電常數(shù)、電極相、電極相對(duì)面積對(duì)面積A和電極間距（晶片厚度）和電極間距（晶片厚度）t相關(guān)。在電路中，相關(guān)。在電路中，電容量小時(shí)意味著容抗大，適合用作高頻壓電元件，電容量小時(shí)意味著容抗大，適合用作高頻壓電元件，特別是超聲檢測(cè)換能器多工作在兆赫茲頻率范圍，因特別是超聲檢測(cè)換能器多工作在兆赫茲頻率范圍，因此要求壓電材料的此要求壓電材料的小些為好。相反，在用于制作低頻小些為好。相反，在用于

20、制作低頻壓電元件（如音頻范圍的揚(yáng)聲器、話筒等）時(shí)，則宜壓電元件（如音頻范圍的揚(yáng)聲器、話筒等）時(shí)，則宜選用選用較大的材料以滿足大容量、低容抗的匹配要求。較大的材料以滿足大容量、低容抗的匹配要求。l的數(shù)值還與換能器的機(jī)械自由度有關(guān)，即機(jī)械夾緊狀的數(shù)值還與換能器的機(jī)械自由度有關(guān)，即機(jī)械夾緊狀態(tài)與機(jī)械自由狀態(tài)的介電常數(shù)是不同的，故有態(tài)與機(jī)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，的區(qū)別。此外，與頻與頻率的關(guān)系也比較敏感，故要以具體工作頻率為條件實(shí)率的關(guān)系也比較敏感，故要以具體工作頻率為條件實(shí)際測(cè)定際測(cè)定值。值。l7厚度振動(dòng)頻率常數(shù)厚度振動(dòng)頻率常數(shù)N主要利用厚度振動(dòng)型壓電換能器，故壓電材主要利

21、用厚度振動(dòng)型壓電換能器，故壓電材料的料的N值越大，意味著相同厚度的壓電晶片值越大，意味著相同厚度的壓電晶片有較高的諧振頻率，或者說在同一諧振頻率有較高的諧振頻率，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下其晶片厚度較大，從而便于加工制作高頻元件，故應(yīng)選擇元件，故應(yīng)選擇N值較大的材料為好值較大的材料為好l8鐵電居里點(diǎn)鐵電居里點(diǎn)Tc-鐵電晶體只在某一溫度范圍鐵電晶體只在某一溫度范圍內(nèi)具有鐵電性，當(dāng)溫度達(dá)到鐵電居里點(diǎn)時(shí)，晶內(nèi)具有鐵電性，當(dāng)溫度達(dá)到鐵電居里點(diǎn)時(shí)，晶體將失去鐵電性，并且晶體的介電、壓電、光體將失去鐵電性，并且晶體的介電、壓電、光學(xué)、彈性以及熱學(xué)等性質(zhì)均出現(xiàn)反常現(xiàn)象。大學(xué)

22、、彈性以及熱學(xué)等性質(zhì)均出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。大多數(shù)鐵電體只有一個(gè)居里點(diǎn)，但有少數(shù)鐵電體多數(shù)鐵電體只有一個(gè)居里點(diǎn)，但有少數(shù)鐵電體具有上、下居里點(diǎn)，它只在上、下居里點(diǎn)之間具有上、下居里點(diǎn)，它只在上、下居里點(diǎn)之間的溫度范圍內(nèi)具有鐵電性。例如鋯鈦酸鉛的上的溫度范圍內(nèi)具有鐵電性。例如鋯鈦酸鉛的上居里點(diǎn)在居里點(diǎn)在115-120，下居里點(diǎn)在，下居里點(diǎn)在-5，若在鈦，若在鈦酸鋇中添加酸鋇中添加5%的鈦酸鈣，則其下居里點(diǎn)可到的鈦酸鈣，則其下居里點(diǎn)可到-40。l此外，也有一些鐵電體是沒有居里點(diǎn)的，如一此外，也有一些鐵電體是沒有居里點(diǎn)的，如一些特殊的高分子壓電材料（因達(dá)到某一溫度時(shí)些特殊的高分子壓電材料（因達(dá)到某一溫度時(shí)即

23、已發(fā)生融化甚至燒毀）。即已發(fā)生融化甚至燒毀）。l9機(jī)械品質(zhì)因數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm和電學(xué)品質(zhì)因數(shù)和電學(xué)品質(zhì)因數(shù)Qe-在實(shí)際應(yīng)用中，若在實(shí)際應(yīng)用中，若Qm和和Qe值較大時(shí)，將會(huì)值較大時(shí)，將會(huì)有有“振鈴振鈴”現(xiàn)象存在，導(dǎo)致波形失真、分辨現(xiàn)象存在，導(dǎo)致波形失真、分辨率降低等不利于檢測(cè)的情況產(chǎn)生。率降低等不利于檢測(cè)的情況產(chǎn)生。一般不希望一般不希望Qm和和Qe太大，除了在選材時(shí)予太大，除了在選材時(shí)予以考慮外，在設(shè)計(jì)制作換能器時(shí)，常常需要以考慮外，在設(shè)計(jì)制作換能器時(shí)，常常需要通過結(jié)構(gòu)上加大阻尼，電路上改變阻抗等辦通過結(jié)構(gòu)上加大阻尼，電路上改變阻抗等辦法來適當(dāng)降低法來適當(dāng)降低Qm和和Qe值。當(dāng)然，降低值。當(dāng)然，

24、降低Qm和和Qe值是以犧牲靈敏度（降低輸出功率）值是以犧牲靈敏度（降低輸出功率）為代價(jià)的。因此，應(yīng)按實(shí)際應(yīng)用的需要來選為代價(jià)的。因此，應(yīng)按實(shí)際應(yīng)用的需要來選擇和調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膿窈驼{(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)腝值（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，超聲檢測(cè)值（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，超聲檢測(cè)換能器的實(shí)際換能器的實(shí)際Q值不宜大于值不宜大于10）。）。l10壓電材料的老化性能壓電材料的老化性能-極化后的壓電材料極化后的壓電材料其壓電性能會(huì)隨時(shí)間的推移而有不可逆的變化，其壓電性能會(huì)隨時(shí)間的推移而有不可逆的變化，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“老化老化”，如介電常數(shù)、介電損耗、壓電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)如介電常數(shù)、介電損耗、壓電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)及彈性等通常隨時(shí)間推移而變

25、小，頻率常數(shù)和機(jī)械及彈性等通常隨時(shí)間推移而變小，頻率常數(shù)和機(jī)械Q值會(huì)隨時(shí)間推移而增大。值會(huì)隨時(shí)間推移而增大。這些參數(shù)的變化基本上與時(shí)間的對(duì)數(shù)值有線性關(guān)系。這些參數(shù)的變化基本上與時(shí)間的對(duì)數(shù)值有線性關(guān)系。一般以十年為一個(gè)單位來考慮，稱為一般以十年為一個(gè)單位來考慮，稱為“十年老化十年老化”。顯然，這個(gè)指標(biāo)反映了壓電材料的時(shí)間穩(wěn)定性，在顯然，這個(gè)指標(biāo)反映了壓電材料的時(shí)間穩(wěn)定性，在制作壓電換能器時(shí)也應(yīng)適當(dāng)考慮選擇時(shí)間穩(wěn)定性較制作壓電換能器時(shí)也應(yīng)適當(dāng)考慮選擇時(shí)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)象好的材料。在具體的超聲換能器上，這種老化現(xiàn)象會(huì)具體表現(xiàn)在靈敏度、始波占寬、電噪聲水平等，會(huì)具體

26、表現(xiàn)在靈敏度、始波占寬、電噪聲水平等，因此對(duì)于換能器的選購(gòu)和儲(chǔ)存時(shí)也應(yīng)注意到時(shí)效的因此對(duì)于換能器的選購(gòu)和儲(chǔ)存時(shí)也應(yīng)注意到時(shí)效的影響。影響。l11壓電材料的熱穩(wěn)定性壓電材料的熱穩(wěn)定性-這是指壓電材這是指壓電材料在居里點(diǎn)以下的一定溫度范圍連續(xù)工料在居里點(diǎn)以下的一定溫度范圍連續(xù)工作一段時(shí)間后其壓電性能不變或無退化作一段時(shí)間后其壓電性能不變或無退化的特性，特別對(duì)于高溫環(huán)境下工作的換的特性，特別對(duì)于高溫環(huán)境下工作的換能器，應(yīng)選取熱穩(wěn)定性好的材料。能器，應(yīng)選取熱穩(wěn)定性好的材料。l以上以上11項(xiàng)是我們選擇壓電材料制作超聲項(xiàng)是我們選擇壓電材料制作超聲檢測(cè)換能器時(shí)的主要考慮因素和選擇原檢測(cè)換能器時(shí)的主要考慮因素

27、和選擇原則，應(yīng)視具體應(yīng)用情況和需要作綜合考則，應(yīng)視具體應(yīng)用情況和需要作綜合考慮，適當(dāng)選擇。慮，適當(dāng)選擇。l:按診斷部位分類：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)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；探頭和兒童探頭等之分；l按應(yīng)用方式分類：按應(yīng)用方式分類：體外探頭、體內(nèi)探頭、穿刺活檢探頭之分體外探頭、體內(nèi)探頭、穿刺活檢探頭之分;l按探頭中換能器所用振元數(shù)目分類：按探頭中換能器所用振元數(shù)目分類：?jiǎn)卧筋^和多元探頭單元探頭和多元探頭l按波束控制方式分類：按波束控制方式分類：線掃探頭、相控陣探頭、機(jī)械扇掃探頭和方陣探頭線掃探頭、相控陣探頭、機(jī)械扇掃探

28、頭和方陣探頭等等;l按探頭的幾何形狀分類：按探頭的幾何形狀分類：矩形探頭、柱形探頭、弧形探頭矩形探頭、柱形探頭、弧形探頭(又稱凸形又稱凸形)、圓形、圓形探頭等。探頭等。l柱形單振元探頭主要用于柱形單振元探頭主要用于A超和超和M超，又超，又稱筆桿式探頭。目前在經(jīng)顱多普勒稱筆桿式探頭。目前在經(jīng)顱多普勒（TCD)及胎心監(jiān)護(hù)儀器中亦用此探頭。及胎心監(jiān)護(hù)儀器中亦用此探頭。 :壓電晶體，用于接收電脈沖產(chǎn)生機(jī)械超聲振動(dòng)，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(shè)計(jì)的，上、下電極分別焊有一根引線，用來傳輸電信號(hào) l墊襯吸聲材料，用于衰減并吸收壓電墊襯吸聲材料，用于衰減并吸收壓電振子背向輻射

29、的超聲能量，使之不在探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(shí)間加長(zhǎng)，頭中來回反射而使振子的振鈴時(shí)間加長(zhǎng)，因此要求墊襯具有較大的衰減能力，并具有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(jìn)入墊襯中并不再反子背向輻射的聲波全部進(jìn)入墊襯中并不再反射回到振子中去，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粉加橡膠粉配合而成 l聲學(xué)絕緣層，防止超聲能量傳至探頭聲學(xué)絕緣層，防止超聲能量傳至探頭外殼引起反射，造成對(duì)信號(hào)的干擾外

30、殼引起反射，造成對(duì)信號(hào)的干擾;l外殼，作為探頭內(nèi)部材料的支承體，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(biāo)明該探并固定電纜引線，殼體上通常標(biāo)明該探頭的型號(hào)、標(biāo)稱頻率頭的型號(hào)、標(biāo)稱頻率;l保護(hù)層，用以保護(hù)振子不被磨損。保保護(hù)層，用以保護(hù)振子不被磨損。保護(hù)層應(yīng)該選擇衰減系數(shù)低并耐磨的材料，護(hù)層應(yīng)該選擇衰減系數(shù)低并耐磨的材料，由于保護(hù)層與振子和人體組織同時(shí)接觸，由于保護(hù)層與振子和人體組織同時(shí)接觸，其聲阻抗應(yīng)接近人體組織的聲阻，并將其聲阻抗應(yīng)接近人體組織的聲阻，并將保護(hù)層兼做為層間插入的聲阻抗?jié)u變層，保護(hù)層兼做為層間插入的聲阻抗?jié)u變層，其厚度應(yīng)為其厚度應(yīng)為/4。 l超聲探頭作為一種傳

31、感器，其最重要的性能有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(lì)后振動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短以及其特征頻率、受電激勵(lì)后振動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短以及其體積的大小體積的大小探頭的特征頻率決定于壓電晶體的厚度。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(lì)后，其前面和后面都會(huì)發(fā)出給壓電晶體施加電激勵(lì)后，其前面和后面都會(huì)發(fā)出聲能，只要周圍介質(zhì)的聲阻抗與壓電晶體不一樣，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(huì)在前后界面處反射回晶體，并以聲波部分聲能就會(huì)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。形式在晶體內(nèi)以同一速度傳播。聲波傳至對(duì)面所需要的時(shí)間與晶體的厚度成正比，

32、聲波傳至對(duì)面所需要的時(shí)間與晶體的厚度成正比，當(dāng)晶體厚度恰為波長(zhǎng)的一半時(shí)，反射應(yīng)力和發(fā)射應(yīng)當(dāng)晶體厚度恰為波長(zhǎng)的一半時(shí)，反射應(yīng)力和發(fā)射應(yīng)力在每一面相互加強(qiáng)，壓電晶體產(chǎn)生共振，呈現(xiàn)最力在每一面相互加強(qiáng)，壓電晶體產(chǎn)生共振，呈現(xiàn)最大的位移幅度。大的位移幅度。 相當(dāng)于半波長(zhǎng)厚度的頻率叫壓電晶體的基礎(chǔ)相當(dāng)于半波長(zhǎng)厚度的頻率叫壓電晶體的基礎(chǔ)共振頻共振頻率。率。 l 傳感器受電激勵(lì)后振動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短影響超聲系統(tǒng)的縱向傳感器受電激勵(lì)后振動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短影響超聲系統(tǒng)的縱向分辨力。分辨力。l為了追求好的縱向分辨力，通常使激勵(lì)電脈沖寬度盡量為了追求好的縱向分辨力，通常使激勵(lì)電脈沖寬度盡量窄，然而由于超聲探頭的壓電材料對(duì)電激勵(lì)

33、常呈較長(zhǎng)時(shí)窄，然而由于超聲探頭的壓電材料對(duì)電激勵(lì)常呈較長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)間的反應(yīng)(即電脈沖結(jié)束后聲振蕩仍以衰減振蕩方式維持即電脈沖結(jié)束后聲振蕩仍以衰減振蕩方式維持一段時(shí)間一段時(shí)間),此種振鈴反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)超聲脈沖，如不予以此種振鈴反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)超聲脈沖，如不予以阻尼，就會(huì)導(dǎo)致分辨力減弱。阻尼，就會(huì)導(dǎo)致分辨力減弱。l為此必須在壓電體后面放置特別的墊襯材料，利用其吸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(yīng)減弱音特性產(chǎn)生阻尼，使振鈴反應(yīng)減弱,從而縮短脈沖總長(zhǎng)度。從而縮短脈沖總長(zhǎng)度。l同時(shí)，此阻尼材料還可以吸收壓電晶體后面發(fā)出的聲能，同時(shí)，此阻尼材料還可以吸收壓電晶體后面發(fā)出的

34、聲能，否則這種能量就會(huì)在晶體中產(chǎn)生反射，干擾來自被檢介否則這種能量就會(huì)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(qiáng)的墊襯使換能器的聲脈沖時(shí)間縮短，質(zhì)中的回聲。阻尼強(qiáng)的墊襯使換能器的聲脈沖時(shí)間縮短，但也使靈敏度降低但也使靈敏度降低;阻尼弱則有損于分辨力，卻使換能器阻尼弱則有損于分辨力，卻使換能器有較佳的靈敏度。有較佳的靈敏度。 l 對(duì)于柱形單振元探頭，振元直徑的大小對(duì)于柱形單振元探頭，振元直徑的大小主要影響超聲場(chǎng)的形狀。主要影響超聲場(chǎng)的形狀。l一般來說，振元直徑大，聲束的指向性一般來說，振元直徑大，聲束的指向性好，并易于聚焦。好，并易于聚焦。l通常振元直徑在通常振元直徑在530mm范圍內(nèi)選

35、定。范圍內(nèi)選定。 l機(jī)械扇形掃描超聲探頭配用于扇掃機(jī)械扇形掃描超聲探頭配用于扇掃式式B型超聲診斷儀，它是依靠機(jī)械傳動(dòng)方型超聲診斷儀，它是依靠機(jī)械傳動(dòng)方式帶動(dòng)傳感器往復(fù)搖擺或連續(xù)旋轉(zhuǎn)來實(shí)式帶動(dòng)傳感器往復(fù)搖擺或連續(xù)旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)扇形掃描的現(xiàn)扇形掃描的l比如早期的機(jī)械扇掃探頭的重量達(dá)比如早期的機(jī)械扇掃探頭的重量達(dá)0.6kg以上，且掃描角度僅以上，且掃描角度僅30。隨著技術(shù)的。隨著技術(shù)的進(jìn)步，到進(jìn)步，到80年代中期，機(jī)械扇掃超聲換年代中期，機(jī)械扇掃超聲換能器的產(chǎn)品性能日趨改善，重量可以做能器的產(chǎn)品性能日趨改善，重量可以做到到0.2kg以下，掃描幀頻約以下，掃描幀頻約30幀幀/s,掃描角掃描角度達(dá)度達(dá)85，

36、l 機(jī)械扇掃探頭除換能器聲學(xué)特性的基本要求機(jī)械扇掃探頭除換能器聲學(xué)特性的基本要求之外，還應(yīng)滿足以下要求之外，還應(yīng)滿足以下要求:保證探頭中的壓電振子作保證探頭中的壓電振子作30次次/s左右的高速擺動(dòng)，左右的高速擺動(dòng)，擺動(dòng)幅度應(yīng)足夠大；擺動(dòng)幅度應(yīng)足夠大；擺動(dòng)速度應(yīng)均勻穩(wěn)定；擺動(dòng)速度應(yīng)均勻穩(wěn)定；整體體積小、重量輕，便于手持操作整體體積小、重量輕，便于手持操作;外形應(yīng)適合探查的需要，并能靈活改變掃查方外形應(yīng)適合探查的需要，并能靈活改變掃查方向向;機(jī)械振動(dòng)及噪聲應(yīng)小到不致引起病人的緊張和機(jī)械振動(dòng)及噪聲應(yīng)小到不致引起病人的緊張和煩躁。煩躁。目前來看，機(jī)械扇掃探頭主要存在的不足之處，目前來看，機(jī)械扇掃探頭主

37、要存在的不足之處，是噪聲大和探頭壽命短。多數(shù)的機(jī)械扇掃探頭壽命是噪聲大和探頭壽命短。多數(shù)的機(jī)械扇掃探頭壽命僅有數(shù)千小時(shí)僅有數(shù)千小時(shí)l電子線陣超聲探頭配用于電子式線性掃描超聲診斷電子線陣超聲探頭配用于電子式線性掃描超聲診斷儀。儀。l它主要由它主要由6部分組成部分組成:開關(guān)控制器、阻尼墊襯、換能器開關(guān)控制器、阻尼墊襯、換能器陣列、匹配層、聲透鏡和外殼。陣列、匹配層、聲透鏡和外殼。l(1)開關(guān)控制器用于控制探頭中各振元開關(guān)控制器用于控制探頭中各振元按按一定組合方式工作一定組合方式工作，若采用直接激勵(lì)，則，若采用直接激勵(lì)，則每一個(gè)振元需要一條信號(hào)線連接到主機(jī)，每一個(gè)振元需要一條信號(hào)線連接到主機(jī)，目前換

38、能器振元數(shù)已普遍增加到數(shù)百個(gè)，目前換能器振元數(shù)已普遍增加到數(shù)百個(gè)，則與主機(jī)的連線需要數(shù)百根，這不僅使工則與主機(jī)的連線需要數(shù)百根，這不僅使工藝復(fù)雜，因此而增加的探頭和電纜的重量藝復(fù)雜，因此而增加的探頭和電纜的重量也是不堪設(shè)想的。也是不堪設(shè)想的。l采用開關(guān)控制器就可以使探頭與主機(jī)的連采用開關(guān)控制器就可以使探頭與主機(jī)的連線數(shù)大大減小。線數(shù)大大減小。l(2)阻尼墊襯其作用與柱形單振元探頭中的墊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)生阻尼襯作用相同，用于產(chǎn)生阻尼,抑制振鈴并消除反抑制振鈴并消除反射干擾。阻尼墊襯材料的構(gòu)成要求亦和柱形單射干擾。阻尼墊襯材料的構(gòu)成要求亦和柱形單振元探頭相似。

39、振元探頭相似。l(3)換能器陣列換能器的晶體振元通常是采用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(duì)一寬約切割法制造工藝，即對(duì)一寬約10mm，一定厚，一定厚度的矩形壓電晶體，通過計(jì)算機(jī)程控順序開槽。度的矩形壓電晶體，通過計(jì)算機(jī)程控順序開槽。開槽寬度應(yīng)小于開槽寬度應(yīng)小于0.1mm，開槽深度則不能一概，開槽深度則不能一概而論，這是因?yàn)樗镁暮穸热Q于探頭的而論，這是因?yàn)樗镁暮穸热Q于探頭的工作頻率，相當(dāng)于半波長(zhǎng)厚度的頻率叫做壓電工作頻率，相當(dāng)于半波長(zhǎng)厚度的頻率叫做壓電晶體的基礎(chǔ)共振頻率。晶體的基礎(chǔ)共振頻率。晶體材料的半波長(zhǎng)厚度晶體材料的半波長(zhǎng)厚度可由下式給出?？捎上率浇o出。

40、=CpT12式中式中:Cp為超聲波在該材料中的傳播速度，為超聲波在該材料中的傳播速度，T為工作為工作頻率超聲波的周期。頻率超聲波的周期。l(4)匹配層由于聲透鏡同時(shí)與晶體振元和人體接觸，兩匹配層由于聲透鏡同時(shí)與晶體振元和人體接觸，兩者的聲阻抗差別甚者的聲阻抗差別甚壓電晶體振元的阻抗壓電晶體振元的阻抗Zf(2035)106kgsm2，人體，人體組織的阻抗組織的阻抗Ze(1.581.7)106kgsm2，難于使聲，難于使聲透鏡的特性阻抗同時(shí)與兩者匹配。超聲經(jīng)不同阻抗界面?zhèn)鞑?，透鏡的特性阻抗同時(shí)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(huì)增加能量損耗并影響分辨力，因此，往往需要將產(chǎn)生反射，會(huì)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(shí)現(xiàn)探頭與負(fù)載之間的匹配。采用匹配層來實(shí)現(xiàn)探頭與負(fù)載之間的匹配。l對(duì)匹配層除厚度與聲阻抗的要求外，還要求其聲阻尼要對(duì)匹配層除厚度與聲阻抗的要求外，還要求其聲阻尼要小，