9-医学超声原理-第九讲---超声换能器的声场.ppt

第九讲第九讲 超声换能器的声场特性超声换能器的声场特性器器牛金海与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。Shanghai Jiao Tong University第九讲 超声换能器的声场特性本章主要内容一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场二、多阵元超声换能器的声场三、凹型压电材料聚焦声场的数值模拟Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场（一）平面圆形换能器的超声场1、声源轴线上的声压分布 点状声源在空间的 声场分布表达式Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场圆片上各微小元面积都可看成单一的声源。故在圆片源的轴线上对整个圆面积分，求得轴线上任一点M的声压：声压振幅为：Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场我们对声压振幅做一些简化：Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场 从上式看出，Pm与Z成反比，当Z足够大时，圆形声源轴线上的声压随距离的增加而衰减的规律。（1）ZZN的范围内，存在若干个极大值和极小值。极大值为2，极小值为0，极大值的位置为：Shanghai Jiao Tong University与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场极小值的位置为：定义最后一个极大值位置为近场到远场的临界距离：轴上最后一个最大值的位置ZN常被最为近场（Fresnel区）向远场（Fraunhofer区）过渡的起始点，自ZN开始，声束开始扩散，扩散角为Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场图3.14 圆片换能器的（a)声束；（b)轴线上的声压分布Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场2、声束指向性（1）指向性函数Ds。在换能器远场中，任意方向上的声压幅值Pr与最大方向上的声压幅值P0r之比，定义为该换能器的辐射声场指向性函数，即通过计算可得圆片振子的指向性函数为：（可参见数学物理方法）J1为第一类第一阶贝塞尔函数Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场（2）波瓣图1）第一旁瓣与主瓣相差约20dB 请问声压相差多少倍？请问声压相差多少倍？2）当 时，J1为0，声压幅度降为0，Ds为0。由下式可以估计主瓣的宽度。图3.15 平面圆盘换能器的远场波瓣图Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场几点说明几点说明：A)频率越高，主瓣越窄；旁瓣个数越多；B）圆片面积越大，主瓣越窄；C）0定义为主瓣方向锐度角；D）通常也用半功率点来表示主瓣的展宽角度。即声功率降到最大功率一半时（3dB），所对应的角度。Shanghai Jiao Tong UniversityWhat is ultrasound transducer？Sound field of a non focusing 4MHz ultrasonic transducer with a near field length of N=67mm in water.The plot shows the sound pressure at a logarithmic db-scale Shanghai Jiao Tong UniversityWhat is ultrasound transducer？Soundfield of a focused ultrasound transducer,f=4MHz,D=10mm(aperture),R=30mm(curvature radius),water Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场（二）矩形换能器声场（自学自学）快速电子扫描显像仪中所使用的单元晶片大多是矩形或长方形晶片，其使用愈来愈普遍。1、坐标系统图3.16 矩形源声场的坐标系统Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场2、轴线上的声压分布图图3.17 源轴线上声压分布曲线 Shanghai Jiao Tong University一、单阵元换能器的声场一、单阵元换能器的声场3、波瓣图图3.18 矩形换能器主瓣模型图（a)l1=l2;(b）l1时，MdB 13.5dB因此对于线阵旁瓣级最小值为13.5dBShanghai Jiao Tong University二、多阵元超声换能器的声场 图3.22 线列阵指向性图表3.4 10个振元线阵列指向性图的参数随振元间距的变化Shanghai Jiao Tong University关于主瓣，旁瓣，栅瓣的解释 Shanghai Jiao Tong University与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。Shanghai Jiao Tong University二、多阵元超声换能器的声场（二）相控阵换能器超声场 所谓相控换能器阵列：就是指多个换能器阵列排列成一条直线，每个阵元上所加信号的相位不同。图3.23 同相线阵列及力向图Shanghai Jiao Tong University二、多阵元超声换能器的声场延时扫描：达到扇型扫描的效果图3.24 延时线列阵及方向图Shanghai Jiao Tong University二、多阵元超声换能器的声场延时扫描：达到扇型扫描的效果声程差L=d sin，其中d为相邻换能器之间的距离，为偏转的角度。发射延时t=L/c=d sin/c；c为超声波的速度。Shanghai Jiao Tong University二、多阵元超声换能器的声场相控可以实现线形扫描，扇形扫描，电子聚焦功能。同相线阵列，阵元数目越多，主瓣越尖锐。旁瓣受到更大抑制，幅度更小。扫描方式：机械扫描，相控扫描机械扫描示例，Shanghai Jiao Tong University与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。Shanghai Jiao Tong University二、多阵元超声换能器的声场图6-8 各种扫描线形式(a)Linear(线性),(b)curvilinear(曲线),(c)Trapezoidal(梯形),(d)sector(扇形)(e)radial(辐射)Shanghai Jiao Tong University三、凹型压电材料聚焦声场的数值模拟图4-57球面换能器声场模型示意图Shanghai Jiao Tong University其中，微元到原点距离；-声场点到原点距离；-衰减系数；k-角波数，为2f/c；c-声速；-介质密度；-振元振速；dS-微元面积。Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University图4-66 z=0处xy平面的声强三维分布（左：声强结果取log；右：声强结果没取log）Shanghai Jiao Tong University图4-69 y=0处xz平面的声强三维分布（左：声强结果取log；右：声强结果没取log）Shanghai Jiao Tong University与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。Shanghai Jiao Tong University本讲思考题1、圆片声场的分布，指向性函数，方向锐度角，远场与近场的临界距离？2、声功率的测量方法？3、透镜聚焦的焦距，焦斑直径等声场分布？4、相控扇扫的原理。Shanghai Jiao Tong University与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。