第三章 超声波的产生《超声治疗学》课件.docx
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第三章超声波的产生《超声治疗学》课件
第3章超声波的产生
压电效应
压电材料
几类治疗超声换能器
1压电效应
超声换能器什么是换能器
顾名思义换能器就是进行能量转换的器件
什么是超声换能器
在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或
者将外界声场中的声信号转换成电信号的能量转换器件
在所有的超声应用中超声波都是换能器产生的
用途最多的压电式超声换能器和磁致伸缩超声换能器两
大类
1压电效应
压电效应是法国物理学家居里兄弟于1880年
发现的当把一定数量的砝码放在一些天然晶
体上时这些天然晶体的表面会产生一定数量
的电荷而且所产生的电荷数量上与砝码的重
量成正比这种现象称为压电效应1881年
科学家又从理论上预计并从实验上验证了逆压
电效应的存在
压电效应是超声发展史上的重大发现这一
发现大大加速了声学在国防以及国民经济各行
各业中的广泛应用
压电效应
正压电效应
正压电效应的物理本质是由于不对称的晶
体内部离子受外力作用后离子间产生不对称
的相对位移结果引起了新的电偶极矩从而
引起晶体表面电荷堆积正压电效应将机械能
转换成电能
逆压电效应
指压电材料在外电场作用下其内部电极化
状态发生相应的变化导致压电体产生与外加
电场强度成正比的压电现象即它把电能转换
成机械能形成振动振动在弹性媒质下传播
形成声波
2压电材料
超声技术的发展离不开压电材料的
发展
压电材料是压电换能器的核心
而压电换能器是绝大部分超声应用
技术的核心
2压电材料
压电单晶
压电陶瓷
压电高分子聚合材料
压电复合材料
2压电材料
压电单晶
天然石英酒石酸钠
人工合成石英铌酸锂钽酸锂
铌镁酸铅
优点压电性和频率稳定性好
压电陶瓷
特点优点
1原材料价格低廉
2机械强度好易于加工成各种形状和尺
寸满足不同的需求
3通过材料添加可制成品种性能不同
的材料
4采用不同的形状和极化方式得到各种
所需的振动模式
2压电材料
压电陶瓷
用途非常广多晶体最常用的PZT
配方系统合成固溶体
工艺工艺流程
压电陶瓷的性能主要取决与陶瓷材料组
分和显微结构
压电陶瓷材料
各种类型压电陶瓷片
2压电陶瓷材料
烘料配料球磨预烧成型烧结
测试性能老化极化被电极
传统的压电陶瓷工艺流程
压电陶瓷
晶胞结构
压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷属于铁电体一类的物质是人工制造的多晶压电
材料它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构电畴是分子自
发形成的区域它有一定的极化方向从而存在一定的电场在
无外电场作用时各个电畴在晶体上杂乱分布它们的极化效应
被相互抵消因此原始的压电陶瓷内极化强度为零见图a
直流电场E剩余极化强度
电场作用下的伸长剩余伸长
a极化处理前b极化处理中c极化处理后
但是当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时却无法
测出陶瓷片内部存在的极化强度这是因为陶瓷片内的极化强度
总是以电偶极矩的形式表现出来即在陶瓷的一端出现正束缚电
荷另一端出现负束缚电荷由于束缚电荷的作用在陶瓷片的
电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷这些自由电荷与陶瓷
片内的束缚电荷符号相反而数量相等它起着屏蔽和抵消陶瓷片
内极化强度对外界的作用所以电压表不能测出陶瓷片内的极化
程度如图
电极自由电荷
－－－－－
＋＋＋＋＋
极化方向束缚电荷
－－－－－
电极＋＋＋＋＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
的自由电荷示意图
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F如图陶
瓷片将产生压缩形变图中虚线片内的正负束缚电荷之间
的距离变小极化强度也变小因此原来吸附在电极上的自由
电荷有一部分被释放而出现放电荷现象当压力撤消后陶
瓷片恢复原状这是一个膨胀过程片内的正负电荷之间的距
离变大极化强度也变大因此电极上又吸附一部分自由电荷而
出现充电现象这种由机械效应转变为电效应或者由机械能转
变为电能的现象就是正压电效应
F
－
－－－－－
＋＋＋＋＋
极化方向
－－－－－
＋＋＋＋＋＋
正压电效应示意图
实线代表形变前的情况虚线
代表形变后的情况
同样若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场如
图由于电场的方向与极化强度的方向相同所以电场的作用使
极化强度增大这时陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增
大就是说陶瓷片沿极化方向产生伸长形变图中虚线同
理如果外加电场的方向与极化方向相反则陶瓷片沿极化方向
产生缩短形变这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转
变为机械能的现象就是逆压电效应
－－－－－－
Ｅ＋＋＋＋＋＋向方场电逆压电效应示意图
极化实线代表形变前的情况
方向虚线代表形变后的情况
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋
正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系
DdT
d压电常数
逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关
系
SdE
d压电常数
注正逆压电效应的压电常数一样
各种压电材料的参数
介质损耗tanδ压电体在交变电场的作用
下输入电能以漏电损耗和微观的弛豫损耗等
方式被消耗掉转化为热能损失此过程称为
介质损耗
tan1
δ＝IRIc＝
ωRnC
Qe＝cotδ＝ωRnC电学品质因素
将压电振子经极化工艺处理的压电陶瓷片接入一特
定的传输网络中如图一AB两点外加一定的信号电压
给压电振子并逐步改变电压频率当频率调到某一数值
时压电振子产生谐振此时振子阻抗最小输出电流最
大以表示最小阻抗或最大导纳的频率当频率继续增
大到另一频率时振子阻抗最大输出电流最小以表示最
大阻抗或最小导纳的频率我们把阻抗最小的频率近似
作为谐振频率阻抗最大的频率近似作为反谐振频率
π型网络传输法测试线路
机械品质因素Qm表示压电材料在谐振时机械
损耗的大小是综合评价压电材料性能的重要参数
1
Qm＝
4πCo＋C1R1△f
将压电振子在谐振频率附近的
参数和特性用一相应电路的参
数和特性来表示这个电路称
为电振子的等效电路
等效电路
L1动态电感
C1动态电容
R1动态电阻或串联谐振电阻
C0并联电容或静态电容
频率常数N压电振子的基本谐振频率与
沿振动方向的振子长度的乘积是一个常
数这个常数称为频率常数
频率常数与振动模式有关
单位Hzm
NL＝fL×L
Nt＝ft×h
机电耦合系数k反映材料中机械能与电
能之间的转换关系
2通过压电效应转换的电能
k＝
储人的机械能的总量
2通过逆压电效应转换的机械能
k＝
储人的电能的总量
机电耦合系数与振子的材料和振动模式有关
其它的压电参数
d33d31压电电荷系数压电应变系数
gg压电电压系数
3331
kkk机电耦合系数机电转换效
3331p
率指标
NNN频率常数
3331P
YE31YE33杨氏模量
T居里温度
c
压电陶瓷振动模态
2压电振子的振动模式
伸缩振动切变振动弯曲振动
沿轴向振动
薄片型
极轮廓振动或厚度振动
化薄长片径向振动
方
向厚度切
变振动
长度振动极化方向
横向效应
伸缩振动极化方向与电场方向平行时产生的振动
包括长度伸缩振动厚度伸缩振动
切变振动极化方向与电场方向垂直时产生的振动
包括平面切变振动厚度切变振动
纵向效应弹性波传播方向与极化轴平行
横向效应弹性波传播方向与极化轴垂直
弯曲振动具有两种以上激励电极的振子在极化方
向与电场方向平行而施加的方式不同时产生的振动
包括厚度弯曲和横向弯曲
各种振动模式可达到的频率范围
振动模式频率
1K10K100K1M10M100M
弯曲振动1G
长度振动
轮廓振动
径向振动
厚度振动
能阱振动
声表面波
4压电材料及其应用
1材料
钛酸钡
钛酸铅钙钛
锆酸铅矿型
钛锆酸铅
非钙钛矿型焦绿石硫
化镉氧化锌氮化铝
2应用
电声器扬声器送话筒
水下通讯和探测水声换能器鱼群探测器
雷达中的陶瓷表面波器件
通讯设备陶瓷滤波器
精密测量压力计
红外技术红外热电探测器
高压电源变压器
压电陶瓷点火器
冲击块
外
V壳高压引线
垫块
压电陶瓷变压器
V～V2
～2
输出
输入
伸缩振动
双膜片压电振子
－
－－－
－－
－－
－
－－－
－
－－－－串联型
－
－
－
－
_____
V等效电路
_____
双膜片压电振子
－
－－－
－－
－－－－
－－
－
－－
－
－
－－－－并联型
__________
压电陶瓷滤波器
1mV
2
1
mV
2
损耗fffff
r2a2r1a1
在频率附近的信号衰
减最小fa22的反谐
振fr11的谐振
f
二压电材料
3压电高分子聚合物
PVDForPVF2聚偏氟乙烯
特点薄膜型压电材料
高柔顺性高机械强度高压电常数
低Ｑｍ值声阻抗率低可作水听器
高分辨率窄脉冲换能器高频超声换能器
二压电材料
4压电复合材料
压电陶瓷高分子聚合物＝压电复合材料
类型1-3型2-2型0-3型3-1型等
现在的Ｂ超探头换能器几乎全是压电复合材料
1-3型压电复合材料
1-3型压电复合材料工艺流程
1-3型压电复合材料图示
1-3型压电复合材料
1-3型压电复合材料
特点
1声阻抗低约为PZT的14制作换能器时容易找
到相应的吸声被衬材料易与人体组织匹配
2低Qm值约比PZT低1～2个数量级适合做宽带换
能器
3低Kp比PZT径向振动模低使能量集中于厚度振
动提高电声转换效率
4柔韧性可制作成特定形状满足实际应用
5材料中的PZT相分布的可控性换能器设计灵活
压电陶瓷与复合压电陶瓷比较
压电陶瓷与复合压电陶瓷
三治疗超声换能器
各种类型的超声换能器
电能机械振动能
换能器的工作原理
驱动源＋超声换能器耦合介质人体组织
超声设备仪器声学系统
换能器的主要性能指标
工作频率f
超声换能器工作频率的选择是很重要的它不
仅直接关系到换能器的频率特性和方向性也
影响换能器的发射功率效率和灵敏度等重要
指标
换能器的工作频率应与整个超声设备的工作频
率相一致通常等于它本身的谐振频率这样
可以获得最佳的工作状态取得最大的发射功
率和效率
带宽
机电转换系数和机电耦合系数
换能器的阻抗特性
换能器的品质因素由于换能器是由机
械系统和电路系统两大部分组成所以常用
Qe和Qm共同描写换能器的品质因素
方向特性指向性函数
换能器的频率特性换能器的一些重要参数
指标随工作频率变化的特性
声场的几何参数换能器的焦距焦域
尺寸等
辐射声功率换能器在单位时间内向声场
介质辐射的声能量
电声效率换能器辐射声功率与输入电
功率的比值
三治疗超声换能器
换能器的结构类型
1厚度振动模式超声理疗热疗高强
聚焦超声设备f＝05～5MHz
2长度伸缩振动模式超声手术器械f＝
20～100kHz
理疗换能器的结构
单元聚焦换能器结构
单球面
元自聚焦
自
聚
焦平－凹面
换声透镜声透镜
聚焦
能平－凸面
器声透镜
平－凸面透镜换能器
2透镜式聚焦换能器
2透镜式聚焦换能器
压电陶瓷透镜
2透镜式聚焦换能器
考虑声阻抗匹配
ZPZT30ZAl169Zperspex32
Zwater15Zfat14Zfafttissue16Zbone78
Transmissivityτ
Planetransducerswithalens
Planetransducerswithalens
2透镜式聚焦换能器
3球面聚焦换能器
R
W122Rλa
λ＝Cf
h
W
a
ｆ相同Ｒ大Ｗ大Ｒ相同ｆ高Ｗ小
ｆ和Ｒ相同ａ大Ｗ小ｆ和ａ相同Ｒ大Ｗ大
200030000
075MHz10cmfocallength
1800
10cmfocallength3MHz10cmfocallength
25000
160010cmdiameter
1400
20000
1200
100015000
800
60010000
400
5000
200
00
0246810121402468101214
8000
15MHz10cmfocallength
7000
10cmdiameter
6000
5000
4000Effectoffrequency
3000
2000
1000
0
02468101214
250000
15MHz10cmfocallength
20cmdiameter
200000
150000Effectoftransducerdiameter
100000
50000
0
0246810121416
500
45015MHz10cmfocallength
5cmdiameter
400
350
8000300
700015MHz10cmfocallength250
10cmdiameter
200
6000
150
5000
100
4000
50
3000
160
20000246810121416
1000
0
0246810121416
2000900
075MHz10cmfocallength10cmdiameter075MHz15cmfocallength10cmdiameter
1800800
1600700
1400
600
1200
500
1000
400
800
300
600
200
400
100
200
00
05101520250510152025
25000
075MHz5cmfocallength10cmdiameter
20000
15000Changeinfocallength
10000
16
5000
0
024681012
球面自聚焦换能器
Truncatedbowls
Truncatedbowls
单元聚焦换能器的使用
球面自聚焦换能器焦域可设计转换效
率高大功率使用但制造工艺复杂大
尺寸不易加工且易脆
声透镜要考虑透镜材料性能阻抗匹配
衰减耐温和变形粘接剂等因素适
用于中小功率
聚焦换能器阵列的结构
4多阵元组合换能器
HemisphericalBowlsusedforBrainHIFUbyBostongroup
4组合换能器
纹影法
4组合换能器
4组合换能器
4组合换能器
平－凹面声透镜与厚度振动换能器结合用于治疗
脑部疾病的动物试验的聚焦换能器应用实列
几类聚焦超声换能器比较
换能器类型优点缺点
单元透镜制造控制易实效率低易变形
现技术成熟
换能
自聚焦容易实现理想成本高工艺
器焦域难焦距不可调
多阵元纯多阵元转换效率高工艺复杂压电片和多
路功放要求高
换能器
相控焦距焦点形状可开发难度大技
控效率高术尝不成熟
超声无创治疗广阔的应用范围
市场潜力超过1000亿美元治疗超声
血管成形术
超声去脂
眼药物传送
经皮药物传送
声动力治疗
药物传送到大脑
溶栓
乳化
基因传送
基因治疗
降低动脉增生
骨折愈合
热疗
热切除恶性肿瘤良性肿瘤
非肿瘤性疾病
坐骨神经修复
止血
超声雾化哮喘
子宫颈炎
外阴疾病
过敏性鼻炎
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小结
压电效应正逆压电效应
压电材料
单晶压电陶瓷PVDF压电复合陶瓷四类
几类治疗超声换能器
平面透镜聚焦组合换能器
医学超声换能器的检测方法
辐射压力法水听器激光体模
com84
MeasurementofAcousticPowerand
AcousticFieldofTherapeuticalUltrasound
1
HIFU
2
3
34
P70
35
P81
84HIFUP188
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