超聲換能器

醫(yī)用超聲換能器（超聲探頭）是醫(yī)學(xué)超聲儀器系統(tǒng)的重要組成部分，它在新型醫(yī)學(xué)儀器的研制和醫(yī)學(xué)研究中，占有相當(dāng)重要的位置。超聲診斷中，首先必須向人體發(fā)射超聲波，然后接收人體組織結(jié)構(gòu)信息的反射回波。起信息轉(zhuǎn)換作用的是醫(yī)用超聲換能器，由它完成一種電-聲和聲-電轉(zhuǎn)換，換能器的性能狀況直接關(guān)系著醫(yī)用超聲設(shè)備的性能。

醫(yī)療超聲換能器的種類，可以按照換能器工作時所產(chǎn)生的波束的多少，分為單波束和多波束。少到單個波束，多到256個波束。按換能器陣元的空間排列的維數(shù)，又可以分為一維陣(一維線陣，一維凸線陣，一維相控陣)，1.5維，1.75維，或兩維聲學(xué)基陣。根據(jù)換能器工作頻率的范圍，可以分為低頻，高頻換能器。在醫(yī)療超聲設(shè)備中，低頻換能器可以到500KHz，甚至更低到20KHz，高頻換能器目前則可以到50MHz。如果按照換能器制作的材料來區(qū)分，那又可以分為壓電陶瓷換能器，壓電薄膜換能器，壓電厚膜換能器，壓電單晶換能器，復(fù)合材料換能器，微機械加工的電容式換能器，微機械加工的壓電式換能器等。

圖1 醫(yī)用超聲換能器的結(jié)構(gòu)

壓電晶體是主體功能件，用來發(fā)射和接收超聲波，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)計的。由于壓電晶體較脆及要求絕緣、密封、防腐蝕等，故必須將壓電晶體裝入殼體內(nèi)。

壓電晶體兩端鍍上電極，上、下電極分別焊有一根引線，與殼體上的電極插件相連，用來傳輸電信號。

墊襯吸聲材料（又稱為吸收塊、吸聲塊）用于衰減并吸收壓電晶體背向輻射的超聲能量，使之不在探頭中來回反射而使晶體的振鈴時間加長，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，以使來自壓電晶體背向輻射的聲波全部進入墊襯中并不再反射回到晶體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。

聲學(xué)絕緣層，防止超聲能量傳至探頭外殼引起反射，造成對信號的干擾。

保護層，用以保護振子不被磨損。由于保護層與振子和人體組織同時接觸，是介于振子與人體組織之間的一層物質(zhì)，要求保護層既要起到防止磨損，保護振子的功能，又要在傳遞超聲波中盡量沒有衰減，具有良好的透射功能；因此，要求保護層的聲阻抗接近人體組織的聲阻抗，并且具有既有耐磨性，又有良好的透射性的最佳厚度。保護層應(yīng)該選擇衰減系數(shù)低并耐磨的材料，并將保護層兼做為層間插入的聲阻抗?jié)u變層，其厚度應(yīng)為λ/4。

外殼作為探頭內(nèi)部材料的支承體，起支撐、容納、密封、絕緣、承壓、屏蔽及保護振子的作用，并用來固定電纜引線，殼體上通常標明該探頭的型號、標稱頻率。

有時殼體內(nèi)還裝有阻抗變換器、前置放大器、阻尼電阻以及調(diào)節(jié)電感等附件。

超聲換能器即是諧振于超聲頻率的壓電陶瓷，由材料的壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)換為機械振動。醫(yī)用超聲換能器（超聲探頭）的工作原理大體是相同的，其內(nèi)部通常都包含一個電的儲能元件和一個機械振動系統(tǒng)。當(dāng)換能器用作發(fā)射器時，從激勵電源送來的電振蕩信號將引起換能器中電儲能元件中電場或磁場的變化，這種變化通過某種效應(yīng)對換能器的機械振動系統(tǒng)產(chǎn)生一個推動力，使其進入振動狀態(tài)，從而推動與換能器機械振動系統(tǒng)相接觸的介質(zhì)發(fā)生振動，向介質(zhì)中輻射聲波。接收聲波的過程正好與此相反，外來聲波作用在換能器的振動面上，從而使換能器的機械振動系統(tǒng)發(fā)生振動，借助某種物理效應(yīng)，引起換能器儲能元件中的電場或磁場發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起換能器的電輸出端產(chǎn)生一個相應(yīng)于聲信號的電壓和電流。

[1] 陳思平編著.超聲醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：人民軍醫(yī)出版社,2009.

[2] 袁易全著.超聲換能器[M].南京：南京大學(xué)出版社.1992.

[3]王瑞玉，方鐵，桂朝偉主編.醫(yī)用超聲儀原理構(gòu)造和維修[M].北京：中國醫(yī)藥科技出版社.2007.

1. 連接探頭前是在斷電關(guān)機情況下進行，當(dāng)其從主機上插拔探頭前，必須先把主機電源切斷避免因電流多次瞬間導(dǎo)通而產(chǎn)生強大的電流，燒壞探頭內(nèi)部的線材或芯片。

2. 探頭在使用過程中嚴禁敲打，跌落碰撞。

3. 為保持干燥清潔，在探頭不用時，放入保護盒。

4. 探頭使用后必須清潔處理，探頭表面可用軟布浸水清洗，不可用硬紙等擦洗，易造成探頭的聲透鏡損壞。

5. 避免在強電磁場的地方使用，防止圖像顯示受干擾。

[1]王瑞玉，方鐵，桂朝偉主編，醫(yī)用超聲儀原理構(gòu)造和維修，中國醫(yī)藥科技出版社，2007.7，第12頁

[2]溫世杰.數(shù)字式醫(yī)學(xué)超聲內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的研究[D].天津大學(xué),2009.

[3]袁建人.國外醫(yī)療超聲換能器的應(yīng)用、研究和發(fā)展[J].中國醫(yī)療器械信息,2004(05):57-61.

[4]楊寶豐. 超聲探頭的使用及故障維修[J]. 醫(yī)療裝備, 2015, (10)

超聲波換能器的應(yīng)用十分廣泛,它按應(yīng)用的行業(yè)分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、生活、醫(yī)療及軍事等。按實現(xiàn)的功能分為超聲波加工、超聲波清洗、超聲波探測、檢測、監(jiān)測、遙測、遙控等；按工作環(huán)境分為液體、氣體、生物體等;按性質(zhì)分為功率超聲波、檢測超聲波、超聲波成像等。

超聲波換能器壓電陶瓷變壓器

壓電陶瓷變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號驅(qū)動, 通過逆壓電效應(yīng)使其產(chǎn)生振動, 振動波通過輸入和輸出部分的機械耦合到輸出部分, 輸出部分再通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷,實現(xiàn)壓電體的電能-機械能-電能的兩次變換,在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。與電磁變壓器相比, 這具有體積小, 質(zhì)量輕,功率密度高, 效率高, 耐擊穿, 耐高溫, 不怕燃燒, 無電磁干擾和電磁噪聲, 且結(jié)構(gòu)簡單、便于制作、易批量生產(chǎn), 在某些領(lǐng)域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點。此類變壓器用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器、筆記本電腦、氖燈驅(qū)動器等。

超聲波換能器超聲波馬達

超聲波馬達是把定子作為換能器, 利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)讓馬達定子處于超聲波頻率的振動, 然后靠定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來傳遞能量, 帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。超聲波馬達體積小, 力矩大, 分辨率高, 結(jié)構(gòu)簡單, 直接驅(qū)動, 無制動機構(gòu), 無軸承機構(gòu), 這些優(yōu)點有益于裝置的小型化。超聲波馬達廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、激光、半導(dǎo)體微電子工藝、精密機械與儀器、機器人、醫(yī)學(xué)與生物工程領(lǐng)域。

超聲波換能器超聲波清洗

超聲波清洗的機理是利用超聲波在清洗液中傳播時的空化、輻射壓、聲流等物理效應(yīng), 對清洗件上的污物產(chǎn)生的機械起剝落作用, 同時能促進清洗液與污物發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 達到清洗物件的目的。超聲波清洗機所用的頻率根據(jù)清洗物的大小和目的可選用10～500 kHz, 一般多為20～50 kHz。隨著超聲波換能器頻率的增加,可采用郎之萬振子、縱向振子、厚度振子等。在小型化方面, 也有采用圓片振子的徑向振動和彎曲振動的。超聲波清洗在各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用設(shè)備、電子、汽車、橡膠、印刷、飛機、食品、醫(yī)院和醫(yī)學(xué)研究等行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

超聲波換能器超聲波焊接

超聲波焊接有超聲波金屬焊接和超聲波塑料焊接兩大類。其中超聲波塑料焊接技術(shù)已獲得較為普遍的應(yīng)用。它是利用換能器產(chǎn)生的超聲振動, 通過上焊件把超聲振動能量傳送到焊區(qū)。由于焊區(qū)即兩焊件交界處聲阻大, 所以會產(chǎn)生局部高溫使塑料熔化, 在接觸壓力的作用下完成焊接工作。超聲塑料焊接可方便焊接其他焊接法無法焊接的部位。另外, 還節(jié)約了塑料制品昂貴的模具費, 縮短了加工時間, 提高了生產(chǎn)效率, 有經(jīng)濟、快速和可靠等特點。

超聲波換能器超聲波加工

把微細磨料隨超聲波加工工具一起以一定靜壓力加在工件上, 就能加工出與工具相同的形狀。加工時換能器需在 15～ 40 kHz的頻率下, 產(chǎn)生 15～ 40 微米的振幅。超聲波工具使工件表面的磨料以相當(dāng)大的沖擊力連續(xù)沖擊, 破壞超聲輻射部位, 使材料破碎而達到去除材料的目的。超聲波加工主要應(yīng)用于寶石、玉器、大理石、瑪瑙、硬質(zhì)合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細深孔的加工。此外, 在普通切削工具上加超聲波換能器振動時, 也可起到提高精度和效率的作用。

超聲波換能器超聲波減肥

利用超聲波換能器的空化效應(yīng)和微機械振動, 將人體表皮下多余的脂肪細胞破碎、乳化后排出體外, 達到減肥、塑形的目的。這是國際上90 年代發(fā)展起來的一項新技術(shù)。意大利的Zocch i首次將超聲去脂用于床, 并獲得成功, 為整形、美容開創(chuàng)了先河。超聲去脂技術(shù)在國內(nèi)外得以迅速發(fā)展。

超聲波換能器超聲波育種

對植物種子進行適當(dāng)頻率和強度的超聲波照射, 可提高種子的發(fā)芽率, 降低霉?fàn)€率, 促進種子的生長, 提高植物生長速度。據(jù)資料介紹, 超聲波可使某些植物種子生長速度提高2～3 倍。

超聲波換能器電子血壓計

利用超聲波換能器接收血管的壓力, 當(dāng)氣囊加壓緊壓血管時, 因外加壓力高于血管舒張壓力, 超聲波換能器感受不到血管的壓力; 而當(dāng)氣囊逐漸泄氣, 超聲波換能器對血管的壓力隨之減小到某一數(shù)值時, 二者的壓力達到平衡, 此時超聲波換能器就能感受到血管的壓力, 該壓力即為心臟的收縮壓, 通過放大器發(fā)出指示信號, 給出血壓值。電子血壓計由于取消了聽診器, 可減輕醫(yī)務(wù)人員的勞動強度。

超聲波換能器遙測遙控

在有毒、放射性等惡劣環(huán)境中, 人們不能接近工作, 需要遠地控制; 電視機, 電風(fēng)扇以及電燈等電器開關(guān)需要遙控, 都可裝上超聲波換能器, 通過遠地發(fā)射超聲波由裝在需要控制系統(tǒng)上的接收換能器所接收,把聲信號轉(zhuǎn)變成電信號使開關(guān)動作。

超聲波換能器交通監(jiān)測

現(xiàn)代交通, 自動監(jiān)測車輛的通行和計數(shù)以便掌握車輛的運行情況是非常必要的。如交通監(jiān)理站安裝一個收發(fā)兼用的超聲波換能器及其附屬設(shè)備, 當(dāng)車輛通過時就有一個聲脈沖返回, 通過計數(shù)累計可得到日行車輛的數(shù)量。給汽車尾部裝一個收發(fā)兩用的換能器, 可防止倒車相撞事故發(fā)生。在公路上安裝接收型壓電超聲波換能器還可以監(jiān)測噪聲指數(shù)。

超聲波換能器測距

超聲波測距裝置又叫聲尺。它是通過收發(fā)兩用的換能器, 測量脈沖時間間隔。聲尺可測10m 以內(nèi)的距離, 精度可達千分之幾。

超聲波換能器檢漏及氣體檢測

對于壓力系統(tǒng), 在泄漏處, 由于壓力容器的內(nèi)外壓差造成射流噪聲。這種噪聲頻譜極寬。對于非壓力系統(tǒng), 可在密閉系統(tǒng)內(nèi)安放一個超聲波源, 然后從密閉系統(tǒng)外部接收。一般未泄漏時測到的信號幅度極小或沒有, 在泄漏處信號幅度有突然增大的趨勢。氣體流量檢測也是化工中的重要手段之一。流量檢測目前有多種放大，如浮子流量計等。但利用超聲波換能器主要優(yōu)點是不妨礙流體的流動。

超聲波換能器信息采集

智能機器人要實現(xiàn)在空間自由行走、辨認物體等功能, 不僅要用超聲波換能器測距導(dǎo)盲, 而且要成像辨識。所以, 需要小型的超聲波換能器陣, 以實現(xiàn)多種功能, 這方面將成為一項重要的研究課題, 吸引著眾多的科學(xué)家為之奮斗。

前言

第1章 緒論

1.1 超聲換能器簡介

1.2 超聲換能器的主要性能指標

1.3 超聲換能器的研究方法

第2章 壓電超聲換能器

2.1 壓電材料和壓電效應(yīng)

2.2 壓電陶瓷振子的振動模式

2.3 壓電陶瓷振子的諧振特性

2.4 壓電陶瓷振子的動態(tài)特性及其集中參數(shù)等效電路

2.5 壓電陶瓷振子的導(dǎo)納和阻抗特性

2.6 壓電陶瓷振子的等效電路

第3章 磁致伸縮超聲換能器

3.1 磁致伸縮材料

3.2 磁致伸縮效應(yīng)

第4章 氣介超聲換能器

4.1 氣介式超聲換能器的研究現(xiàn)狀

4.2 氣介超聲換能器的種類

4.3 氣介超聲換能器的應(yīng)用

第5章 流體動力型超聲換能器

5.1 流體動力型發(fā)聲器的種類

5.2 流體動力型發(fā)聲器的現(xiàn)狀和展望

第6章 聚焦超聲換能器

6.1 超聲聚焦系統(tǒng)的基本工作原理

6.2 常用的幾種超聲聚焦系統(tǒng)的聲場計算

第7章 夾心式壓電陶瓷超聲換能器

7.1 概論

7.2 夾心式壓電陶瓷復(fù)合換能器的理論分析及設(shè)計

第8章 扭轉(zhuǎn)振動超聲換能器

8.1 切向極化壓電陶瓷細長棒的扭轉(zhuǎn)振動

8.2 切向極化壓電陶瓷薄圓環(huán)的扭轉(zhuǎn)振動

8.3 切向極化壓電陶瓷晶片堆的扭轉(zhuǎn)振動

8.4 夾心式壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)振動換能器的設(shè)計理論

第9章 彎曲振動超聲換能器

9.1 疊片式彎曲振動壓電陶瓷換能器

9.2 有限寬度矩形板壓電陶瓷振子的彎曲振動

9.3 夾心式彎曲振動壓電陶瓷超聲換能器

9.4 模式轉(zhuǎn)換型彎曲振動超聲換能器

第10章 復(fù)合振動模式壓電超聲換能器

1O.1 縱扭復(fù)合模式超聲振動系統(tǒng)

10.2 夾心式縱彎復(fù)合模式超聲換能器

10.3 夾心式扭轉(zhuǎn)彎曲復(fù)合模式超聲換能器

10.4 夾心式模式轉(zhuǎn)換型縱扭復(fù)合模式超聲換能器

第11章 檢測超聲換能器

11.1 檢測超聲探頭

11.2 檢測超聲換能器的一些基本要求

11.3 檢測超聲換能器的聲阻抗匹配以及背襯選擇

11.4 檢測超聲換能器的電匹配

第12章 壓電超聲換能器的電學(xué)及聲學(xué)匹配

12.1 壓電陶瓷超聲換能器的動態(tài)特性分析

12.2 壓電陶瓷超聲換能器的電匹配

12.3 壓電超聲換能器的聲學(xué)匹配

參考文獻

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