第3章 医用超声换能器与探头

第3章 医用超声换能器与探头超声诊断仪是通过探头产生入射超声波(发射波)和接收反射超声波(回波)的，它是诊断设备的重要部件。

高频电能激励探头中的晶体产生机械振动，反射超声波的机械振动又可以通过探头转换为电脉冲。

也就是说探头能将电能转换成声能，又能够将声能转换成电能，所以探头又称作超声换能器。

其原理来自于晶体的压电效应。

§3.1压电效应压电效应泛指晶体处于弹性介质中所具有的一种声-电可逆特性，此现象为法国物理学者居里兄弟于1880年所发现，故也称居里效应（图3-7）。

图3-1晶体的压电效应具有压电效应性质的晶体，称为压电晶体。

目前常用于超声探头的晶体片有锆酸铅、钛酸钡、石英、硫酸锂等人工或天然晶体。

钛酸钡及锆酸铅是在高温下烧结的多晶陶瓷体，把毛坯烧结成陶瓷体后，经过适当的研磨修整，得到所需的几何尺寸，再用高压直流电场极化后，就具有压电性质，成为换能器件。

3.1.1正压电效应在晶体或陶瓷的一定方向上，加上机械力使其发生形变，晶体或陶瓷的两个受力面上，产生符号相反的电荷；形变方向相反，电荷的极性随之变换，电荷密度同外施机械力成正比，这种因机械力作用而激起表面电荷的效应，称为正压电效应，如图3-7(a)。

3.1.2逆压电效应在晶体或陶瓷表面沿着电场方向施加电压，在电场作用下引起晶体或陶瓷几何形状应变，电压方向改变，应变方向亦随之改变，形变与电场电压成比例，这种因电场作用而诱发的形变效应，称为逆压电效应，如图3-7(b)。

一般情况下，压电效应是线性的，然而，当电场过强或压力很大时，就会出现非线性关系。

晶体和陶瓷片因切割方位和几何尺寸的不同，产生机械振动的固有频率也不同，当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强；当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。

在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。

§3.2压电换能器的特性压电换能器的特性参量很多，现只简单介绍以下3种。

3.2.1频率特性压电换能器的晶体本身是一个弹性体，因此有其固有的谐振频率，当所施力的频率等于其固有频率时，它将产生机械谐振，由于正压电效应而产生最大电信号。

另一方面，当所施加电的频率和压电晶体固有频率一致时，由于逆压电效应则应发生机械谐振，谐振时振幅最大，弹性能量也最大，这时，压电晶体获得最大形变振动，通过介质产生超声波输出。

实验证明，当所施加力或电的频率不与晶体固有频率一致时，压电换能器晶体产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小，可见，它们都是频率的函数。

如果对压电晶体施加一定值的电压，改变所加电压的频率，回路电流或阻抗将随其变化，当电压频率为某一频率F m时，电流出现最大值I max，当电压频率为另一频率F n时，电流出现最小值I min。

压电晶体的电流随频率而变化的现象（见图3-8），说明了压电换能器晶体的等效阻抗是一个随频率而变化的量。

如果继续增加电压的频率，还可以发现有规律地出现一系列电流的波动，且波动的最大值(对应F m1、F m2…)是依次减小的，而波动最小值(对应F n1、F n2…则是依次增大的，F m称为压电振子的最小阻抗频率(又可称为最大传输频率)；Fn称为最大阻抗频率(又可称为最小传输频率)。

图3-2压电晶体的电流-频率特性3.2.2换能特性换能器的换能特性包括两个方面：电能－机械能－超声能，超声能－机械能－电能。

前者属于发射过程，后者属于接收过程。

能量间转换必然产生损失(产生了无益的能耗)，以转换效率来表征换能器这一性能：电机转换效率=输出的机械功率／输入的电功率机声转换效率=辐射的超声功率／输入的机械功率因此：电声转换效率=辐射的超声功率／输入的电功率3.2.3暂态特性超声诊断仪的换能器大多工作于脉冲状态，换能器对脉冲的响应速率称为暂态特性，这也是一项重要指标。

换能器的暂态特性与其频率特性是有关系的，简言之，换能器的频谱越宽，它的暂态特性也越好，可允许的超声脉冲的宽度越窄。

在这里，所描述的脉冲宽度是指断续发射出超声的时间长度，单位是秒(s)，它与频率（超声波每秒振动的次数）是不同的。

§3.3换能器的声场弹性媒质中超声能量传播的空间称为超声场，不同的超声振元，以及不同的传播条件会形成不同的超声能量的空间分布。

了解超声场的性质和分布特点，对超声诊断和治疗仪器的设计与应用十分重要。

生物组织本身不是一个均匀的各项同性介质，不同的脏器组成成分也不尽同。

在超声传播过程中，由于反射面的不光滑会产生反射、折射和散射等现象，因此声场的分布会变得非常复杂，描述生物组织内超声场是极其困难的。

为了讨论方便，这里只研究最简单的平面圆形换能器所产生的辐射声场的一般规律。

图3-3平面圆形换能器在一般工程中，平面圆形换能器应用很广泛，如图3-3所示。

假设其表面是活塞振动面，可以把它看成有无数个频率、振幅和相位相同的点声源ds组成。

因此求出各个声源所发出的声波在观察点B 点所产生的声压贡献，通过积分就能求出这一点的总声压。

根据惠更斯（Huygens ）原理，B 点的声场可以看作是平板换能器上所有像ds 一样的面积作为声源发出的球面波在B 点的合成。

因此，都是以同样的t u u ωcos 0=那么点源ds 在B 点产生的声压为：01cos(22kZu dp t kr ds r πωπ′=−+ 式中λπ/2=k 为波数，Z ＝ρ0c 0为声波传播媒质的特性阻抗。

整个平板换能器在P 点产生的合成声压应为：20000cos()2R S t j u p dp d d ππωωρρρθπ−+==∫∫∫ 1. 圆形换能器的轴向声场特性分析声轴上的情况，平面圆形半径为R ，此时0ϕ=，z r =。

r ′=则，B 点的声压为2000cos()(,)2R t kZu p z t d d r ππωρρθπ−=′∫∫ 即)](2sin[)(2sin 2)]cos()[cos()]2sin()2[sin(),(22220220220z z R k t z z R k Zu z R k t kz t Zu kz t z R k t Zu t z p ++−−+−=+−−−=+−−++−−=ωωωπωπω仅考虑幅值，所以声压的振幅与轴向距离z 的关系为：00()(,)sin )2sin[)]k p z p z t Zu z p z πλ==−=−式中：P 0=2ρ0C 0u 0。

由此可以求出极大、极小值所对应距离的坐标：λλ)12(4)12(4222max,++−=n n R z n ，n = 0, 1, 2, 3,… λλn n R z n 2222min,−=，n = 0, 1, 2, 3,… 可以看出，当max,0z z >后，声压振幅随距离的变化缓缓下降，成为很有规律的变化。

通常所指的远场区域与近场区域分界点就选在处。

这一点的距离坐标为max,0z 22max,044R z λλ−=, 在医用超声的范围，都有λ>>R ，所以：R nz D R z ==≈λλ422max,. 讨论分析： ① 在z较小的区域，即在声源附近当)2k z n π−=，(n = 1，2，3，……)时，声压幅值为零；而当1)(22k z n )π=+，(n = 1，2，3，……)时，声压幅值出现极大。

可见在这一区域，由于声波的强烈干涉效应。

轴向声压呈极大极小值相间的起伏状态，随着距离的增加间隔逐渐加宽。

② 当z > 2R时，20sin )sin sin 22k kR z z π≈=2z 式中：z = z 0时，声压幅值为极大，而当z > z 0后，由于00sin 22zz z z ππ=表明声压幅值已开始像球面波一样，随距离反比地减弱。

因而便是轴向上声压幅值中最远的一个极大的位置，它可以看作圆形活塞换能器声场由近场过渡到远场的分界线，图3-4，为声压轴向分布曲线。

图3-4 平面圆形活塞式换能器声压轴向分布曲线③ 超声诊断用换能器设计中，一般尽量使被测区域远于z 0，以避免声场本身起伏影像监测结果。

2. 圆形平面换能器的远场指向特性由于振膜的轴对称性，只需计算包括声轴的某一定向平面的指向性，不失一般性，取YOZ 为定向平面。

又根据远场条件，r 0 >> R ，故友02sin con 000000(,)()2R kr jk j u p r e q e d d r πϕθωρθρρπ−−=∫∫ρθ 同理，对圆形活塞换能器，q (ρ0) = 1，推导可得其解析式：0001002(sin )(,)[]2s jkr j u R J kR p r e r kR ωρin θθθ−= 按指向性定义，可得圆形活塞换能器指向函数为12(sin )|(,)|()|||(,0)|sin J kR p r D p r kR θθθθ== 式中：J 1——一阶贝塞尔函数。

讨论分析：① 随着kR 值的增大，即随着辐射面积德加大或频率的提高，指向性愈加尖锐。

② J 1函数有一系列零值，即当kR sin θ = 3.83，7.02，10.2等值时，指向性函数出现零值，在kR sin θ < 3.83的范围为指向性主瓣，使主瓣两侧指向性函数首先将为零值所对应的角度为3.83arcsinarcsin 0.61arcsin1.22kR R D λλθ=== 通常，把2θ称为主瓣开角，把θ称为换能器声束的半扩散角。

图3-5为圆形活塞指向性图。

图3-5 平面圆形活塞式换能器声压横向指向性曲线3. 矩形平面换能器近场轴向声压矩形平面换能器的计算坐标如图3-6所示。

大量计算表明，矩形平面活塞换能器近场的起伏比圆形活塞小，其最远和次远极大分别相应于矩形两个变长平方与2.88λ的比值。

即2202200.352.880.352.88a a a a z b b z λλλλ≈≈≈≈ 类似于圆形平面活塞从近场到远场的分界线。

图3-6平面矩形式换能器声场的计算坐标图3-7矩形平面换能器轴向上声场分布曲线§3.4超声探头的类别及其结构超声探头可以从以下不同方面来分类，它们是：① 按诊断部位分类，有眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、腔内探头和儿童探头等之分（图3-8）；图3-8应用在不同诊断部位的各类超声探头② 按应用方式分类，有体外探头、体内探头、穿刺活检探头之分；③ 按探头中换能器所用振元数目分类，又有单元探头和多元探头之说；④ 按波束控制方式分类，则有线扫探头、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。

还有其它的一些分类方法，这里不一一进行介绍。

通常工作中，习惯使用较多的是按①、④和⑤三种方式分类。