《部分超聲換能器》PPT課件

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1、§2醫(yī)用超聲換能器壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)一壓電學(xué)的物理基礎(chǔ)壓電效應(yīng)1880年居里兄弟皮爾（P.Curie)與捷克斯（J.Curie)發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)。經(jīng)他們實驗而發(fā)現(xiàn)，具有壓電性的材料有：具有壓電性的材料有：閃鋅礦（zincblende）、鈉氯酸鹽（sodiumchlorate）、電氣石（tourmaline）、石英（quartz）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、異極礦（calamine）、黃晶（topaz）及若歇爾鹽（Rochellesalt）。這些晶體都具有非晶方性（anisotropic）結(jié)構(gòu)，晶方性（isot

2、ropic）材料是不會產(chǎn)生壓電性的。第一次大戰(zhàn)后不久，石英換能器便發(fā)展出兩項重要的應(yīng)用。哈佛大學(xué)的皮爾士教授（G.W.Pierce）用石英晶體制作超聲波干涉儀，可定出波在氣體介質(zhì)中的速度。可求出波在氣體中的表減系數(shù)。當時用它來測量聲波在二氧化碳中波速對頻率的關(guān)系，而求出波速的色散關(guān)系。用這種方法，可研究氣體在不同混合比與溫度下聲波的波速與衰減率。1927年，伍德（R.W.Wood）與魯密斯（A.L.Loomis）首先使用高功率超聲波。使用藍杰文型的石英換能器配合高功率真空管，在液體中產(chǎn)生高能量，使液體引起所謂的空腔（cavitation）現(xiàn)象。同時也研究高功率超聲波對

3、生物試樣的效應(yīng)。1919年，卡迪（Cady）教授第一次利用石英當作頻率控制器，圖四就是最早期的晶體控制振蕩器電路。在第二次世界大戰(zhàn)中，大約使用了一千萬個晶體振蕩器，用以建立坦克與坦克之間及地面和飛機之間的通訊。壓電效應(yīng)在非晶方晶體中，施一外力使晶體變形，由于晶格中電荷的移動造成晶體內(nèi)局部不均勻電荷分布，而產(chǎn)生——電位移。只有在材料每單位體積中造成有效地凈的電雙極距變化。才具有壓電特性。二醫(yī)用壓電材料石英晶體昂貴、加工不方便、優(yōu)良的機械性能，較低的電容，高的品質(zhì)因數(shù)，良好的溫度系數(shù)壓電陶瓷：電-聲轉(zhuǎn)換系數(shù)高易于電路匹配材料性能穩(wěn)定、廉價、易于加工、可控制成任意形狀、尺寸

4、?？赏ㄟ^摻雜、取代、改變材料配方等辦法進行參數(shù)調(diào)整。壓電材料——石英晶體壓電材料石英晶體石英壓電機理石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。在垂直于z軸的xy平面上的投影,等效為一個正六邊形排列。當石英晶體未受外力作用時,正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上,形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇,它有一定的極化方向,從而存在電場。在無外電場作用時,電疇在晶體中雜亂分布,它們的極化效應(yīng)被相互抵消,壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)在陶瓷上施加外電場時

5、,電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動,趨向于按外電場方向的排列,從而使材料得到極化。外電場去掉后,電疇的極化方向基本不變,即剩余極化強度很大,這時的材料才具有壓電特性。醫(yī)用超聲換能器中用得最多的，偏鈮酸鉛壓電陶瓷。優(yōu)點：幾點耦合系數(shù)的各向異性大，徑向共振弱，厚度共振強，可獲得單純厚度模式共振，超聲圖像清晰，電容率小，與高頻電路容易匹配，機械阻尼高，頻帶范圍寬，易于獲得高頻下的窄脈沖換能器。聲阻抗低，易于與人體軟組織匹配居里溫度高，壓電性能隨溫度變化小，性能穩(wěn)定。高分子壓電聚合物材料，是一種半結(jié)晶聚合物，如：聚二氟乙烯（PVＤＦ）：壓電聚合物薄膜，據(jù)歐柔軟性的塑料薄膜特性接收靈敏度

6、高，容易達到較高厚度諧振基頻特性阻抗約為水的3倍。三壓電材料的主要參數(shù)1彈性系數(shù)3.壓電材料在磁學(xué)效應(yīng)中有：B=μH式中B為磁感應(yīng)強度，H為磁場強度，μ為磁導(dǎo)率4.壓電材料在熱學(xué)效應(yīng)中有：Q=φσ/ρc式中Q為熱量；φ為溫度；σ為熵；ρ為介質(zhì)密度；c為材料比熱。對于壓電體，我們通常不考慮磁學(xué)效應(yīng)并且認為在壓電效應(yīng)過程中無熱交換一般只考慮前面所述的力學(xué)效應(yīng)和電學(xué)效應(yīng)，而且還必須同時考慮它們之間存在的相互作用。把兩個力學(xué)量--應(yīng)力τ和應(yīng)變e與兩個電學(xué)量--電場強度E和電位移強度D聯(lián)系在一起，描述它們之間相互作用的表達式就是所謂的壓電方程。處在工作狀態(tài)下的壓電體，其力學(xué)邊界

7、條件可以有機械自由與機械夾緊兩種情況，而電學(xué)邊界條件則有電學(xué)短路和電學(xué)開路兩種情況，根據(jù)不同的邊界條件，選擇不同的自變量與因變量，就可以得到不同類型的壓電方程。電位移D壓電體上敷設(shè)金屬電極，電極面與極化強度方向垂直自由電荷面密度等于極化強度自由電荷面密度等于電通密度D壓電方程組—同時受應(yīng)力和電場作用壓電體同時受電場和應(yīng)力作用時，利用疊加原理來處理。第一類方程組，應(yīng)力、電場強度為自變量應(yīng)變、電位移為因變量應(yīng)變＝彈性柔順系數(shù)×應(yīng)力＋應(yīng)變常數(shù)×電場強度電通密度＝應(yīng)變常數(shù)×應(yīng)力分量＋介電常數(shù)×電場壓電方程組—同時受應(yīng)力和電場作用第二類壓電方程組以應(yīng)變和電場強