新型复合结构超声换能器的研制

　　随着超声医学的发展,超声波成像正在越来越多地引起人们的兴趣.与X射线相比,超声波的最大优点就在于对人体的无损性,而超声成像的关键之一就是超声换能器[1].通常成像用的压电换能器结构使用一种压电材料,既用作发射换能器又用作接收换能器.这种结构的换能器虽然制作简单,但由于压电材料特性上的局限性,使得换能器的整体性能并不十分出色.压电陶瓷(PZT)材料具有高的机电耦合系数,用它制作的超声换能器具有较低的输入功率损耗,是一种良好的发射型压电材料.但由于PZT材料的声阻抗一般较大,与耦合液(通常是水)的匹配不是很好,接收时回响的尾波较多,不利于对信号的提取和分析.而压电薄膜(PVDF)材料则是一种高分子压电聚合材料,这种材料弹性刚度小,机械阻尼大,声阻抗接近人体组织的声特征阻抗,容易获得较好的匹配,同时其电容率低,也易于和电输出回路匹配,接收时尾波少,因而是一种良好的接收型压电材料,且PVDF的发射灵敏度很低[2].为了能综合利用这2种压电材料的优点,本文提出一种新型的复合结构的超声换能器,这种结构的特点是在同一只换能器中使用两种压电材料——PZT和PVDF,PZT用于发射,PVDF用于接收.理论和实验结果表明,这种复合结构超声换能器具有较大的脉冲回波幅度和相对较短的回响.

　　1　理论分析

　　1.1　复合结构超声换能器的结构模型

　　复合结构超声换能器的结构如图1所示,换能器共有5层:匹配层1;PVDF;匹配层2;PZT和背衬.它们的声阻抗分别是Zp1、Zv、Zp2、Z0、Zb.其中:匹配层1、PVDF、匹配层2和PZT的厚度依次为dp1、dv、dp2、d0;声速依次为cAp1、cAp1、cAv、cAp2、cA0;声波在各层中传播的波数依次为Kp1、Kv、Kp2、K0.此外,水的声阻抗为Zw,PVDF和PZT的相对介电常数分别为Erv和Er0;机电耦合系数分别为KTv、KT0.

　　根据KLM模型原理,作出发射状态下的KLM等效电路如图2所示[3,4].

　　图中:N为机电变压器的匝数比;C0、X1为压电材料的钳制电容和电抗;us、Rs为电源的电压和内阻;Zc1和Zc2为传输线两端的输入声阻抗.引入函数:sinc(x)=sin(πx)/(πx).

　　其中:AT为换能器的面积;X0为压电材料的机械谐振角频率.

　　由图2可知:

　　则:

　　因此,换能器的输入阻抗为

　　式中,Rm和Xm为换能器的输入电阻和输入阻抗.

　　水负载上得到的功率为

　　电源输出的最大功率为

　　则换能器的输入功率损耗为

　　为了后面对换能器的接收电路作进一步的分析,通过分析可得信号源us在水负载Zw上引起的输出电压为uw.