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超聲換能器

超聲換能器是一種將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能(聲能)的裝置,通常由壓電陶瓷或其它磁致伸縮材料制成,常見的超聲波清洗器、超聲霧化器、B超探頭等都是超聲換能器的應(yīng)用實(shí)例。
超聲換能器
工作原理
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(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。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(gè)電的儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)換能器用作發(fā)射器時(shí),從激勵(lì)電源送來的電振蕩信號(hào)將引起換能器中電儲(chǔ)能元件中電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化,這種變化通過某種效應(yīng)對(duì)換能器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)力,使其進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài),從而推動(dòng)與換能器機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相接觸的介質(zhì)發(fā)生振動(dòng),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(dòng)面上,從而使換能器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng),借助某種物理效應(yīng),引起換能器儲(chǔ)能元件中的電場(chǎng)或磁場(chǎng)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(gè)相應(yīng)于聲信號(hào)的電壓和電流。
功能
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。
結(jié)構(gòu)
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(jì)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(hào)。

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(shí)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(jìn)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(duì)信號(hào)的干擾。

保護(hù)層,用以保護(hù)振子不被磨損。由于保護(hù)層與振子和人體組織同時(shí)接觸,是介于振子與人體組織之間的一層物質(zhì),要求保護(hù)層既要起到防止磨損,保護(hù)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(hù)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(hù)層應(yīng)該選擇衰減系數(shù)低并耐磨的材料,并將保護(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(hù)振子的作用,并用來固定電纜引線,殼體上通常標(biāo)明該探頭的型號(hào)、標(biāo)稱頻率。

有時(shí)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。

分類
醫(yī)療超聲換能器的種類,可以按照換能器工作時(shí)所產(chǎn)生的波束的多少,分為單波束和多波束。少到單個(gè)波束,多到256個(gè)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(jī)械加工的電容式換能器,微機(jī)械加工的壓電式換能器等。
應(yīng)用
使用時(shí)注意事項(xiàng)
1、連接探頭前是在斷電關(guān)機(jī)情況下進(jìn)行,當(dāng)其從主機(jī)上插拔探頭前,必須先把主機(jī)電源切斷避免因電流多次瞬間導(dǎo)通而產(chǎn)生強(qiáng)大的電流,燒壞探頭內(nèi)部的線材芯片

2、探頭在使用過程中嚴(yán)禁敲打,跌落碰撞。

3、為保持干燥清潔,在探頭不用時(shí),放入保護(hù)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(qiáng)電磁場(chǎng)的地方使用,防止圖像顯示受干擾。

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