10 超声换能器结构与原理

10.1 概述

有接收，有发射，有两用；换能器都是防水的

脉冲波探头可以收发一体；连续波要做成分别的部分

10.2 结构与原理

单振元换能器

注意几个波长的作用

吸声块吸收背向辐射的声能，减小脉冲波的脉冲长度，也叫背材（增加阻尼）

保护层用于减轻振子磨损，进行阻抗匹配，也叫面材；透镜用于准直，提高横向分辨率

多振元换能器

• 凸阵换能器：腹部探头等深部成像
• 线阵换能器：用于浅表的成像，频率可以高一点；颈动脉等

探头参数和特性的关系

• 工作频率：压电晶片的厚度（反比）
• 发射功率：压电晶片的面积，电压，PRF（全正相关）
• 探测深度：工作频率（反相关），功率（正相关）
• 纵向分辨率：频率（正相关）
• 横向分辨率：频率（正相关），聚焦情况（越细越强）
• 图像清晰度：显示设备

10.3 换能器的性能指标

工作频率：一般而言，发射换能器就是串联谐振频率，接收换能器是一个比较宽的频带

机电耦合系数：越大越好，见9.3.2节

换能器阻抗特性：见9.4节

频率特性：带宽：中心频率起到-3dB为止

转换效率：电声转换的效率在30%-50%；电转机转声，一共三个效率

10.4 超声换能器收/发及匹配电路

对于大功率的超声输出设备，电匹配显得更重要：治疗

对于小信号的检测设备，声匹配显得更重要：诊断

超声发射电路

控制信号为低电平时，\(V_H\)对\(C_1, T_R\)缓慢充电；控制信号为高电平，产生开关导通，接地放电产生负脉冲

声压幅度与\(V_H\)成正比，但也不能太大（耐压限制）

时间常数为\(RC\)，减小\(C_1\)可以使得脉冲变窄

收发隔离电路

收发一体设备中，由于接收到的信号远远弱于发射的信号，需要对收发进行隔离，以减小发射对接收的干扰

基本原理：利用二极管将大于导通电压的大信号过滤

只有小信号能够到达接收端

换能器匹配电路

• 大功率输出超声设备，电匹配更重要；电匹配就是工作在串联谐振频率之下
• 小信号检测设备，声匹配更重要；声匹配就是三层模型

注意看PPT，这里有点不符合常理

电匹配

• 阻抗变换：通过变压器将电阻等价于电源最大输出功率时的电阻（即等于电源内阻）
• 调谐：将电抗等效为0，变为纯电阻（用谐振）；使电流电压同相；
• 整形滤波：调节电流波形；换能器在单一频率下是方波，谐波成分多，这些高频成分需要滤波，波形要整形