二部分超声换能器2节.ppt

5.相控阵超声探头 　相探阵超声探头可以实现波束扇形扫描，因此又称为相控电子扇扫探头。 相控阵超声探头外形及内部结构与线阵探头颇有相似之处。 其一是所用换能器也是多元换能器阵列; 其二是探头的结构、材料和工艺亦相近，主要由换能器、阻尼垫衬、声透镜以及匹配层几部分组成； 5.相控阵超声探头 但它们的不同之处也主要有两点： 第一是在探头中没有开关控制器，这是因为相控阵探头换能器中，各振元基本上是同时被激励的，而不是像线阵探头换能器那样分组、分时工作的，因此，不需要用控制器来选择参与工作的振元。 第二是相控阵探头的体积和声窗面积都较小，这是因为相控阵探头是以扇形扫描方式工作的，其近场波束尺寸小，也正因为此，它具有机械扇形扫描探头的优点，可以通过一个小的“窗口”，对一个较大的扇形视野进行探查。 矩阵式探头 由切割成的数百个到数千个矩阵组成。 如Philips*4Matrix型超级矩阵式探头，由3000个阵元块组成。150多个计算机电子板进行接收恶化处理超声回波信号。 穿刺活检换能器 中心部位有一个2~3mm的圆孔，用来通过不同型号的穿刺线或活检钳。 * 　电位移 electric displacement 　　描述电介质电场的辅助物理量。又称电感应强度。定义为 　　D＝ε0E＋P 　　式中E为电场强度；P 为电极化强度；ε0 为真空电容率。在线性各向同性电介质中 ，P ＝ ε0χeE，χe为电极化率 ，故 　　D＝ε0（1＋χe）E＝ε0εrE 　　式中εr＝1＋χe是相对电容率，此式是表征电介质极化性质的介质方程。 　　电介质极化后产生的极化电荷改变了原来的电场分布 ，引入辅助量D是为了使未知的极化电荷不显现在静电场高斯定理中，进而使电介质中静电场的计算大为简化。 　　在国际单位制(SI)中，电位移的单位是库／平方米(C／m^2)。 [10]机械品质因数Qm 压电体作谐振振动时，要克服内部的机械摩擦损耗（内耗），在有负载时还要克服外部负载的损耗，与这些机械损耗相联系的是机械品质因数Qmo（空载机械Q值）及Qm（有负载时的机械Q值）。它的定义为： Qm=谐振时压电振子储存的机械能量/谐振时每周期内损耗的机械能量 它反映了压电体振动时克服机械损耗而消耗能量的大小。Qm越大，意味着机械能损耗越小。Qm的存在也表明任何压电材料都不可能把输入的机械能全部用于输出。 对于一个压电换能器而言，它的Qm和Qe并不是常量，它们与工作频率、频带宽度、压电换能器的制作工艺、结构、辐射介质（负载）等有关。 当Qm太高时，容易使振子产生的振动波形过长（振铃现象），导致波形失真和分辨率降低， 同样，Qe也并非越大越好。Q值大，意味着压电效应过程中能量消耗小，在大功率和高频应用或者纯发射功率应用的情况下能减少发热量，这是有利的一面。但是对于以检测为目的的换能器，Q值大则对展宽频带、改善波形、提高分辨率等都是不利的。 由于Q值的大小还随负载性质而改变（例如水浸探头、接触法探头所面临的负载介质是不同的），在设计换能器时还必须考虑到负载媒介的影响（辐射阻抗问题）。 [11]机电耦合系数K 综上所述，我们可以总结出在超声检测的实际应用中选择压电材料制作压电换能器时主要的选择原则如下： [6]介电常数ε--压电晶片涂附电极后即构成一个电容器，其电容量的大小符合C=εA/t，即与介电常数ε、电极相对面积A和电极间距（晶片厚度）t相关。在电路中，电容量小时意味着容抗大，适合用作高频压电元件，特别是超声检测换能器多工作在兆赫兹频率范围，因此要求压电材料的ε小些为好。相反，在用于制作低频压电元件（如音频范围的扬声器、话筒等）时，则宜选用ε较大的材料以满足大容量、低容抗的匹配要求。 ε的数值还与换能器的机械自由度有关，即机械夹紧状态与机械自由状态的介电常数是不同的，故有εsupe/sup、εsupτ/sup的区别。此外，ε与频率的关系也比较敏感，故要以具体工作频率为条件实际测定ε值。 [7]厚度振动频率常数N 主要利用厚度振动型压电换能器，故压电材料的N值越大，意味着相同厚度的压电晶片有较高的谐振频率，或者说在同一谐振频率下其晶片厚度较大，从而便于加工制作高频元件，故应选择N值较大的材料为好 [8]铁电居里点Tc--铁电晶体只在某一温度范围内具有铁电性，当温度达到铁电居里点时，晶体将失去铁电性，并且晶体的介电、压电、光学、弹性以及热学等性质均出现反常现象。大多数铁电体只有一个居里点，但有少数铁电体具有上、下居里点，它只在上、下居里点之间的温度范围内具有铁电性。例如锆钛酸铅的上居里点在115-120℃，下居里点在-5℃，若在钛酸钡中添加5%的钛酸钙，则其下居里点可到-40℃。 此外，也有一些铁电体是没有居里点的，如一些特殊的高分子压电材料（因达到某一