医用超声换能器（超声探头）是医学超声仪器系统的重要组成部分，它在新型医学仪器的研制和医学研究中，占有相当重要的位置。超声诊断中，首先必须向人体发射超声波，然后接收人体组织结构信息的反射回波。起信息转换作用的是医用超声换能器，由它完成一种电-声和声-电转换，换能器的性能状况直接关系着医用超声设备的性能。

医疗超声换能器的种类，可以按照换能器工作时所产生的波束的多少，分为单波束和多波束。少到单个波束，多到256个波束。按换能器阵元的空间排列的维数，又可以分为一维阵(一维线阵，一维凸线阵，一维相控阵)，1.5维，1.75维，或两维声学基阵。根据换能器工作频率的范围，可以分为低频，高频换能器。在医疗超声设备中，低频换能器可以到500KHz，甚至更低到20KHz，高频换能器目前则可以到50MHz。如果按照换能器制作的材料来区分，那又可以分为压电陶瓷换能器，压电薄膜换能器，压电厚膜换能器，压电单晶换能器，复合材料换能器，微机械加工的电容式换能器，微机械加工的压电式换能器等。

图1 医用超声换能器的结构

压电晶体是主体功能件，用来发射和接收超声波，完成声-电和电-声转换工作。其几何形状和尺寸是根据诊断要求来设计的。由于压电晶体较脆及要求绝缘、密封、防腐蚀等，故必须将压电晶体装入壳体内。

压电晶体两端镀上电极，上、下电极分别焊有一根引线，与壳体上的电极插件相连，用来传输电信号。

垫衬吸声材料（又称为吸收块、吸声块）用于衰减并吸收压电晶体背向辐射的超声能量，使之不在探头中来回反射而使晶体的振铃时间加长，因此要求垫衬具有较大的衰减能力，并具有与压电材料接近的声阻抗，以使来自压电晶体背向辐射的声波全部进入垫衬中并不再反射回到晶体中去吸声材料一般为环氧树脂加钨粉，或铁氧体粉加橡胶粉配合而成。

声学绝缘层，防止超声能量传至探头外壳引起反射，造成对信号的干扰。

保护层，用以保护振子不被磨损。由于保护层与振子和人体组织同时接触，是介于振子与人体组织之间的一层物质，要求保护层既要起到防止磨损，保护振子的功能，又要在传递超声波中尽量没有衰减，具有良好的透射功能；因此，要求保护层的声阻抗接近人体组织的声阻抗，并且具有既有耐磨性，又有良好的透射性的最佳厚度。保护层应该选择衰减系数低并耐磨的材料，并将保护层兼做为层间插入的声阻抗渐变层，其厚度应为λ/4。

外壳作为探头内部材料的支承体，起支撑、容纳、密封、绝缘、承压、屏蔽及保护振子的作用，并用来固定电缆引线，壳体上通常标明该探头的型号、标称频率。

有时壳体内还装有阻抗变换器、前置放大器、阻尼电阻以及调节电感等附件。

超声换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。医用超声换能器（超声探头）的工作原理大体是相同的，其内部通常都包含一个电的储能元件和一个机械振动系统。当换能器用作发射器时，从激励电源送来的电振荡信号将引起换能器中电储能元件中电场或磁场的变化，这种变化通过某种效应对换能器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与换能器机械振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。接收声波的过程正好与此相反，外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压和电流。

[1] 陈思平编著.超声医学基础[M].北京：人民军医出版社,2009.

[2] 袁易全著.超声换能器[M].南京：南京大学出版社.1992.

[3]王瑞玉，方铁，桂朝伟主编.医用超声仪原理构造和维修[M].北京：中国医药科技出版社.2007.

1. 连接探头前是在断电关机情况下进行，当其从主机上插拔探头前，必须先把主机电源切断避免因电流多次瞬间导通而产生强大的电流，烧坏探头内部的线材或芯片。

2. 探头在使用过程中严禁敲打，跌落碰撞。

3. 为保持干燥清洁，在探头不用时，放入保护盒。

4. 探头使用后必须清洁处理，探头表面可用软布浸水清洗，不可用硬纸等擦洗，易造成探头的声透镜损坏。

5. 避免在强电磁场的地方使用，防止图像显示受干扰。

[1]王瑞玉，方铁，桂朝伟主编，医用超声仪原理构造和维修，中国医药科技出版社，2007.7，第12页

[2]温世杰.数字式医学超声内窥镜成像系统的研究[D].天津大学,2009.

[3]袁建人.国外医疗超声换能器的应用、研究和发展[J].中国医疗器械信息,2004(05):57-61.

[4]杨宝丰. 超声探头的使用及故障维修[J]. 医疗装备, 2015, (10)

超声波换能器的应用十分广泛,它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。按实现的功能分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测、检测、监测、遥测、遥控等；按工作环境分为液体、气体、生物体等;按性质分为功率超声波、检测超声波、超声波成像等。

超声波换能器压电陶瓷变压器

压电陶瓷变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动, 通过逆压电效应使其产生振动, 振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分, 输出部分再通过正压电效应产生电荷,实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换,在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比, 这具有体积小, 质量轻,功率密度高, 效率高, 耐击穿, 耐高温, 不怕燃烧, 无电磁干扰和电磁噪声, 且结构简单、便于制作、易批量生产, 在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。

超声波换能器超声波马达

超声波马达是把定子作为换能器, 利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声波频率的振动, 然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量, 带动转子转动。超声波马达体积小, 力矩大, 分辨率高, 结构简单, 直接驱动, 无制动机构, 无轴承机构, 这些优点有益于装置的小型化。超声波马达广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。

超声波换能器超声波清洗

超声波清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应, 对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用, 同时能促进清洗液与污物发生化学反应, 达到清洗物件的目的。超声波清洗机所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用10～500 kHz, 一般多为20～50 kHz。随着超声波换能器频率的增加,可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。在小型化方面, 也有采用圆片振子的径向振动和弯曲振动的。超声波清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。

超声波换能器超声波焊接

超声波焊接有超声波金属焊接和超声波塑料焊接两大类。其中超声波塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动, 通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大, 所以会产生局部高温使塑料熔化, 在接触压力的作用下完成焊接工作。超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位。另外, 还节约了塑料制品昂贵的模具费, 缩短了加工时间, 提高了生产效率, 有经济、快速和可靠等特点。

超声波换能器超声波加工

把微细磨料随超声波加工工具一起以一定静压力加在工件上, 就能加工出与工具相同的形状。加工时换能器需在 15～ 40 kHz的频率下, 产生 15～ 40 微米的振幅。超声波工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击, 破坏超声辐射部位, 使材料破碎而达到去除材料的目的。超声波加工主要应用于宝石、玉器、大理石、玛瑙、硬质合金等脆硬材料的加工以及异型孔和细深孔的加工。此外, 在普通切削工具上加超声波换能器振动时, 也可起到提高精度和效率的作用。

超声波换能器超声波减肥

利用超声波换能器的空化效应和微机械振动, 将人体表皮下多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外, 达到减肥、塑形的目的。这是国际上90 年代发展起来的一项新技术。意大利的Zocch i首次将超声去脂用于床, 并获得成功, 为整形、美容开创了先河。超声去脂技术在国内外得以迅速发展。

超声波换能器超声波育种

对植物种子进行适当频率和强度的超声波照射, 可提高种子的发芽率, 降低霉烂率, 促进种子的生长, 提高植物生长速度。据资料介绍, 超声波可使某些植物种子生长速度提高2～3 倍。

超声波换能器电子血压计

利用超声波换能器接收血管的压力, 当气囊加压紧压血管时, 因外加压力高于血管舒张压力, 超声波换能器感受不到血管的压力; 而当气囊逐渐泄气, 超声波换能器对血管的压力随之减小到某一数值时, 二者的压力达到平衡, 此时超声波换能器就能感受到血管的压力, 该压力即为心脏的收缩压, 通过放大器发出指示信号, 给出血压值。电子血压计由于取消了听诊器, 可减轻医务人员的劳动强度。

超声波换能器遥测遥控

在有毒、放射性等恶劣环境中, 人们不能接近工作, 需要远地控制; 电视机, 电风扇以及电灯等电器开关需要遥控, 都可装上超声波换能器, 通过远地发射超声波由装在需要控制系统上的接收换能器所接收,把声信号转变成电信号使开关动作。

超声波换能器交通监测

现代交通, 自动监测车辆的通行和计数以便掌握车辆的运行情况是非常必要的。如交通监理站安装一个收发兼用的超声波换能器及其附属设备, 当车辆通过时就有一个声脉冲返回, 通过计数累计可得到日行车辆的数量。给汽车尾部装一个收发两用的换能器, 可防止倒车相撞事故发生。在公路上安装接收型压电超声波换能器还可以监测噪声指数。

超声波换能器测距

超声波测距装置又叫声尺。它是通过收发两用的换能器, 测量脉冲时间间隔。声尺可测10m 以内的距离, 精度可达千分之几。

超声波换能器检漏及气体检测

对于压力系统, 在泄漏处, 由于压力容器的内外压差造成射流噪声。这种噪声频谱极宽。对于非压力系统, 可在密闭系统内安放一个超声波源, 然后从密闭系统外部接收。一般未泄漏时测到的信号幅度极小或没有, 在泄漏处信号幅度有突然增大的趋势。气体流量检测也是化工中的重要手段之一。流量检测目前有多种放大，如浮子流量计等。但利用超声波换能器主要优点是不妨碍流体的流动。

超声波换能器信息采集

智能机器人要实现在空间自由行走、辨认物体等功能, 不仅要用超声波换能器测距导盲, 而且要成像辨识。所以, 需要小型的超声波换能器阵, 以实现多种功能, 这方面将成为一项重要的研究课题, 吸引着众多的科学家为之奋斗。

前言

第1章 绪论

1.1 超声换能器简介

1.2 超声换能器的主要性能指标

1.3 超声换能器的研究方法

第2章 压电超声换能器

2.1 压电材料和压电效应

2.2 压电陶瓷振子的振动模式

2.3 压电陶瓷振子的谐振特性

2.4 压电陶瓷振子的动态特性及其集中参数等效电路

2.5 压电陶瓷振子的导纳和阻抗特性

2.6 压电陶瓷振子的等效电路

第3章 磁致伸缩超声换能器

3.1 磁致伸缩材料

3.2 磁致伸缩效应

第4章 气介超声换能器

4.1 气介式超声换能器的研究现状

4.2 气介超声换能器的种类

4.3 气介超声换能器的应用

第5章 流体动力型超声换能器

5.1 流体动力型发声器的种类

5.2 流体动力型发声器的现状和展望

第6章 聚焦超声换能器

6.1 超声聚焦系统的基本工作原理

6.2 常用的几种超声聚焦系统的声场计算

第7章 夹心式压电陶瓷超声换能器

7.1 概论

7.2 夹心式压电陶瓷复合换能器的理论分析及设计

第8章 扭转振动超声换能器

8.1 切向极化压电陶瓷细长棒的扭转振动

8.2 切向极化压电陶瓷薄圆环的扭转振动

8.3 切向极化压电陶瓷晶片堆的扭转振动

8.4 夹心式压电陶瓷扭转振动换能器的设计理论

第9章 弯曲振动超声换能器

9.1 叠片式弯曲振动压电陶瓷换能器

9.2 有限宽度矩形板压电陶瓷振子的弯曲振动

9.3 夹心式弯曲振动压电陶瓷超声换能器

9.4 模式转换型弯曲振动超声换能器

第10章 复合振动模式压电超声换能器

1O.1 纵扭复合模式超声振动系统

10.2 夹心式纵弯复合模式超声换能器

10.3 夹心式扭转弯曲复合模式超声换能器

10.4 夹心式模式转换型纵扭复合模式超声换能器

第11章 检测超声换能器

11.1 检测超声探头

11.2 检测超声换能器的一些基本要求

11.3 检测超声换能器的声阻抗匹配以及背衬选择

11.4 检测超声换能器的电匹配

第12章 压电超声换能器的电学及声学匹配

12.1 压电陶瓷超声换能器的动态特性分析

12.2 压电陶瓷超声换能器的电匹配

12.3 压电超声换能器的声学匹配

参考文献

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