超声换能器

超声医疗器械

超声换能器是一种将电磁能转化为机械能（声能）的装置，通常由压电陶瓷或其它磁致伸缩材料制成，常见的超声波清洗器、超声雾化器、B超探头等都是超声换能器的应用实例。

工作原理

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。

功能

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。

结构

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。

分类

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。

应用

使用时注意事项

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。

扩展阅读

[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.

参考文献