《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(shí)驗(yàn)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（anisotrop

2、ic）結(jié)構(gòu)，晶方性（isotropic）材料是不會(huì)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(xiàng)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?？汕蟪霾ㄔ跉怏w中的表減系數(shù)。當(dāng)時(shí)用它來測(cè)量聲波在二氧化碳中波速對(duì)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(lán)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

3、腔（cavitation）現(xiàn)象。同時(shí)也研究高功率超聲波對(duì)生物試樣的效應(yīng)。1919年，卡迪（Cady）教授第一次利用石英當(dāng)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(gè)晶體振蕩器，用以建立坦克與坦克之間及地面和飛機(jī)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(dòng)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(jī)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

4、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(jià)、易于加工、可控制成任意形狀、尺寸?？赏ㄟ^摻雜、取代、改變材料配方等辦法進(jìn)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(jī)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(gè)正六邊形排列。當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí),正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上,形成三個(gè)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(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí),電疇在晶體中雜亂分布

5、,它們的極化效應(yīng)被相互抵消,壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)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(chǎng)時(shí),電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),趨向于按外電場(chǎng)方向的排列,從而使材料得到極化。外電場(chǎng)去掉后,電疇的極化方向基本不變,即剩余極化強(qiáng)度很大,這時(shí)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(diǎn)：幾點(diǎn)耦合系數(shù)的各向異性大，徑向共振弱，厚度共振強(qiáng)，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(jī)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

6、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高，容易達(dá)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(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)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(duì)于壓電體，我們通常不考慮磁學(xué)效應(yīng)并且認(rèn)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(shí)考慮它們之間存在的相互作

7、用。把兩個(gè)力學(xué)量--應(yīng)力τ和應(yīng)變e與兩個(gè)電學(xué)量--電場(chǎng)強(qiáng)度E和電位移強(qiáng)度D聯(lián)系在一起，描述它們之間相互作用的表達(dá)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)邊界條件可以有機(jī)械自由與機(jī)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(qiáng)度方向垂直自由電荷面密度等于極化強(qiáng)度自由電荷面密度等于電通密度D壓電方程組—同時(shí)受應(yīng)力和電場(chǎng)作用壓電體同時(shí)受電場(chǎng)和應(yīng)力作用時(shí)，利用疊加原理來處理。第一類方程組，應(yīng)力、電場(chǎng)強(qiáng)度

8、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(chǎng)強(qiáng)度電通密度＝應(yīng)變常數(shù)×應(yīng)力分量＋介電常數(shù)×電場(chǎng)壓電方程組—同時(shí)受應(yīng)力和電場(chǎng)作用第二類壓電方程組以應(yīng)變和電場(chǎng)強(qiáng)