超聲換能器
超聲換能器是一種將電磁能轉(zhuǎn)化為機械能(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)用實例。
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。
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(biāo)明該探頭的型號、標(biāo)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。
分類
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。
應(yīng)用
使用時注意事項
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