超声换能器

超声换能器是利用压电晶体的压电效应进行能量转换的压电换能器。它作为发射器时，将电能转换为运动的机械能；作为接收器时，又将机械能转换为电能。
某些非对称结晶材料，如石英晶体，当沿其极轴方向加一作用力时，在受力的两面上因极化而产生正负电荷，当作用力方向改变时，两个受力面上的电荷极性正好相反，这种现象称正向压电效应。当沿极轴方向，对石英晶体两面施加一电场时，晶体沿极轴方向的厚度产生微小伸长，当改变电场方向时，厚度产生微小缩短，这种现象称逆压电效应。利用石英晶体的正向压电效应来接收声波，可将声波转换为电讯号； 利用石英晶体的逆压电效应可将交变电讯号转变为石英晶体的机械振动，并使之向与石英晶体接触的媒质发射声波。某些介电材料加上电场后，亦能产生较显著的尺寸变化，其大小与电场的平方成正比，极化后具有同压电晶体一样的压电效应。在医用超声中，广泛利用具有压电效应的材料制成各种形状的超声换能器。常用的有电致伸缩材料和磁致伸缩材料。电致伸缩材料主要有钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅、铌酸锂以及其他一些非铅陶瓷。磁致伸缩材料主要有铁镍合金、铝铁合金、铁氧体等。此外，有机压电材料也具有优良的压电性能，现已开始运用于医用超声探头、聚氟乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVF2)、聚氯乙烯(PVC)、聚r甲L谷氨酸脂(PMG)、聚碳酸脂和尼龙11等。
超声换能器的重要特性，是其共振频率和方向性。每一种振动形式的换能器，均有一个基本的共振频率和一系列的谐波。超声换能器用作发射器时，常工作在共振频率上或共振频率附近，以获得高的电声转换效率。作为接收器时，可以工作在共振频率上或共振频率附近；但为获得均匀的频率响应，常工作在远低于共振频率区域。超声换能器向其接触的媒质空间辐射或接收声波时的方向性取决于它的工作频率、尺寸、辐射面的几何形状。根据需要，可以制成具有各种方向特性的超声换能器，一种平面换能器方向性图形如图1所示。

图1 超声换能器的指向性图形

医用超声探头 在医用超声中，常常把压电换能器加上各种实用性零件、外壳等组成的整个部件称为探头。医用超声探头种类繁多，按其用途可分为诊断、治疗、外科三类；按其结构可分为单探头、多探头、复合探头、旋转式探头四种；按探头声场的分布又可分为单探头、聚焦式探头二种。医用超声换能器，根据用途的不同，冠以相应的命名。常用的医用探头有：多普勒探头、脑针形探头、阴道内探头、直肠探头、乙状结肠镜探头、血管内探头、儿科用探头、眼杯式探头、手术探头、线阵探头、穿刺探头、内窥镜探头、超声手术刀、弯曲换能器、聚能器以及各种形式的听音器。
(1) 超声线阵聚焦探头：其基本结构如图2所示。它是用一定厚度、宽度、长度的压电晶片，沿晶片的长度方向按一定间距等分成若干阵元，构成直线阵。沿晶片的宽度方向加上声透镜，或将晶片制成凹面形，使之在宽度方向形成聚焦声束，以改善横向分辨力。将晶片阵元分成若干组，对每一组阵元进行相位补偿，使之在长度方向形成聚焦声束，以改善侧向分辨力，并按程序连续扫描聚集声束，形成方形扫查图象。这种探头称超声线阵聚焦探头。为提高轴向分辨力，在探头内压电晶片背部加有阻尼背衬。有时为使探头具有较宽的频率响应，并减小传输损失，往往在压电晶片前部加有阻抗匹配层。线阵聚焦探头内的每一个阵元都需并联一个电感，进行电阻抗匹配，以提高探头的电声转换效率，并减小发射波形的失真。探头的工作频率根据所探测的组织深度和所需分辨力选择，一般为2～10MHz，工作频率越高，分辨力越高，超声诊断仪所显示的图象也越细密。工作频率为3.5MHz的线阵聚焦探头的扫查宽度常为120mm左右，探头焦点处的侧向分辨力约2mm左右，轴向分辨力约1mm左右。超声线阵聚焦探头用于B型超声诊断仪，适用于检查人体软组织。

图2 超声线阵聚焦探头

1.匹配网络
2.阻尼背衬
3.压电晶片
4.匹配层
5.声透镜
6.电缆
7.壳体

(2) 超声相控阵聚焦探头： 超声相控阵聚焦探头的声学结构与超声线阵聚焦探头相似。相控阵聚焦探头的压电晶片为具有一定宽度、长度、厚度的压电元件，沿晶片长度方向分割成若干阵元。对每个阵元进行相控聚焦补偿，使声束偏转并聚焦到所要求的方向上，在整个扇形搜索范围内布满声束扫线。按时间程序扫描所有声束，即可形成扇面图象。沿晶片的宽度方向加有声透镜，与相控聚焦相结合形成二维聚焦声束，如图3所示。有的探头中的晶片被制成一定曲率半径的凹面形，在晶片宽度方向上也同样可形成聚焦声束。常见的相控阵聚焦探头工作频率为2.5～5.0MHz，由48～64个或128个阵元构成。相控阵聚焦探头的侧向分辨力略逊于线阵聚焦探头。这种探头用于超声相控阵诊断仪，适用于心脏的探测，也同样适用于检查人体胸部、腹部、眼科、妇产科等软组织。

图3 相控阵聚焦探头工作示意

(3)旋转式聚焦探头： 它是一种由马达驱动作高速旋转或往返运动的聚焦探头。探头的压电元件为一压电圆片，其前部用声透镜形成聚焦声束，压电圆片的背部设阻尼背衬。马达驱动压电圆片旋转运动时形成一连串的聚焦声束扫查，获得扇面图象。它用于机械扇形扫描诊断仪。
(4) 穿刺探头：它是一种在单探头、线阵探头或扇形扫描探头上装有穿刺针架、穿刺针孔的特殊探头。用特别的穿刺针从探头的孔中插入人体，穿刺针的方向及针尖抵达位置可在超声成象诊断仪的屏幕上显示。穿刺探头用以引导穿刺针，能精确定位，以达到穿刺诊断或治疗效果。
(5) 多普勒探头：连续式多普勒探头多用发射、接收两片晶体组成。两片晶体间有良好的声隔离。两片晶体的配置有直线分隔式、同心圆式、古钱式、S式等。多普勒探头用于胎儿心率测量、听诊和血流测量。脉冲式多普勒探头通常由单片晶体组成，兼作发射与接收用。
(6) 超声聚能器： 它由压电晶体或磁致伸缩材料和变幅杆组成。变幅杆通常是一种变截面杆，其作用是将机械振幅逐步放大，将能量集中到较小的面积上发射出去，以获得很大的声强输出。超声聚能器可用于对骨组织钻孔。(7) 菲涅尔透镜： 对换能器的整个振动平面的相位和振幅进行控制激励，则可以用平面的波带片产生球面会聚波，这种波带片称为菲涅尔透镜。压电陶瓷圆片按菲涅尔波带将圆片平面分成若干同心圆环，对其正负相间极化，当激励黑环的源的相位与激励白环的相反时，菲涅尔透镜便产生球面会聚声波。改变激励源频率时，可以改变其焦距。它用于超声成象系统中。

超声换能器ultrasonic transducer

将超声的能量与其他形式的能量互相转换的装置。它的主要作用在于将仪器发射的高频振荡脉冲的电能转换为超声波的机械能发射出去，同时又将介质^*面反射回来的超声波机械能再转换为电能，而被接收电路所接收。换能器系由压电晶体所制成。