<<
>>

73'LL Стандартная конструкция (одноэлементный преобразова­тель)

На рис* 7*10 показаны основные элементы типичной кон­струкции высококачественного одноэлементного преобразователя*

Пьезоэлемент* Этот элемент заданного профиля изготавливает­ся из пьезоэлектрической керамики [обычно используется цирконат- титанат свинца (ЦТС)] или пластического материала [поливинили- денфторида (ПВДФ)]* На переднюю и заднюю поверхности элемен­та напыляются проводящие электроды из серебра, после чего он поляризуется по толщине в постоянном электрическом поле* Поля-

Рис.

7.10. Типичная конструкция стандартного одноэлементного ультра­звукового преобразователя. ) — электрический соединитель; 2 — экрани­рованный пластмассовый корпус; 3 — элемент настройки; 4 — соединение с источником питания; 5 — заземляющее соединение; 5 :— демпфер; 7 — пьезоэлектрический элемент заданной формы; 8 — согласующий слой.

ризованный пьезоэлектрический элемент приобретает способность изменять свою толщину пропорционально электрическому напря­жению, подаваемому на его электроды. Й наоборот, при механи­ческой деформации пьезоэлемента по толщине на электродах возни­кает соответствующая разность потенциалов. Скорость звука в ЦТС составляет приблизительно 4000 м/с; при этом толщина Т пьезоэлемента, соответствующая основному резонансу (X/2) на ча­стоте /,. определяется соотношением

Т (мм) 2// (МГц).

Например, на частоте 5 МГц мы имеем Т ^0,4 мм.

Волновое сопротивление Z пьезокерамики ЦТС приблизительно в 14 раз превосходит волновое сопротивление воды и мягких био­логических тканей, т. е. эквивалентный коэффициент отражения Лцтс^-1 дБ относительно^^ [величина R цтс вычисляется как 10 Igtf, где Я дается формулой (7.9)]. Волновое же сопротивление Z пленки ПВДФ всего в 1,5 раза больше, чем у воды, т. е. ^пвдфж — 1* Таким образом, эффективность передачи акусти­ческой энергии в биологическую ткань при использовании пленоч­ных преобразователей из ПВДФ оказывается значительно выше по сравнению с преобразователями из пьезокерамики ЦТС.

Кроме то­го, преобразователи на основе ПВДФ имеют более низкую мехашь ческую добротность Q и, следовательно, являются более широко­полосными (имеют более плоскую частотную характеристику) по

сравнению с ЦТС, однако у этих преобразователей коэффициент электромеханической связи меньше* чем у пьезокерамических, и по­этому они имеют более низкую чувствительность.

Фокусировку ультразвукового излучения можно осуществить различными способами. Для згой цели можно, например, исполь­зовать а) пьезокерамический излучатель с вогнутой активной по­верхностью (см. рис. 7.10); о) плоский излучатель из керамики в форме диска в сочетании с акустической линзой (линза должна иметь вогнутую поверхность, если она изготавливается из эпоксид­ной смолы или плексигласа, и выпуклую поверхность в случае ис­пользования силиконового каучука); в) преобразователь с вогнутой поверхностью в сочетании с дефокусируюшей лянзоій; г) два излуча­ющих элемента, пучки которых перекрываются в определенной об­ласти (как в доплеровских системах, работающих в непрерывном режиме излучения).

Г'

Согласующий слой. Использование согласующего покрытия в виде тонкого слоя позволяет отчасти скомпенсировать упоминав­шееся выше различие волновых сопротивлений пъезокерамики и биологической ткани и повысить эффективность преобразования электрической энергии в акустическую. В рамках строгой теории, разработанной для непрерывных волн, идеальные значения волно­вого сопротивления ,и толщины согласующего слоя определяются выражениями '

7 • — (Z 7 ї,/2

corn' ' изл.элем тканьё * (7.18)

Гсогл =

Подходящим материалом для согласующего слоя является, на­пример, алюминиевая пудра в аралдите (Arald'ite), Толщина такого слоя для излучающего элемента на частоте* 5 МГц будет равна Т ~ 0,14 мм. Для пленочных элементов из ПБДФ согласующий слой не требуется.

Акустический демпфер. Акустический демпфер применяется обычно для повышения механической прочности и закрепления из­лучающего элемента.

В тех случаях, когда необходимо получить максимальную эффективность преобразования (высокую доброт­ность), влияние тыльной нагрузки должно быть минимальным, для чего в качестве материала демпфера желательно использовать про­сто воздух. В эхо-импульеных системах визуализаций применяются короткие акустические импульсы (добротность, как правило, равна 2—4). Вклад в результирующую добротность дает как электриче­ская, так и механическая добротность. Необходимое механическое

демпфирование для снижения добротности частично обеспечивается за счет использования четвертьволнового согласующего слоя* а также посредством подбора такого материала демпфера, волновое сопротивление^ которого ^Демпф близко к волновому сопротивлению излучающего элемента Выбирая соответствующий матери­

ал демпфера, можно обеспечить оптимальное соотношение между шириной полосы частот и чувствительностью. Обычно для указан­ной дели используется эпоксидная смола с наполнителем из волы фрамового порошка, при этом 7демпф= (1/2)^ИЗЯрЗЛЄМ. Акустическая энергия, которая излучается в демпфер, должна полностью погло­щаться, и акустические волны от торца демпфера не должны отра­жаться в обратном направлении к излучающему элементу. Для вы­полнения этого требования в качестве демпфера использовалась пластифицированная эпоксидная смола, заполненная мелкими рас­сеивающими частицами, причем демпферу придавался определен­ный профиль. Следует заметить, что собственная механическая до­бротность пленочных элементов из ПВДФ достаточно низка, поэ­тому при их использовании для расширения полосы частот нет не­обходимости в специальном демпфировании.

Корпус преобразователя. Он должен быть электрически экранит рован и акустически развязан от излучающего элемента. В против­ном случае динамический диапазон преобразователя будет снижать­ся либо из-за акустического «звона», либо под влиянием электри­ческих помех. Для этой цели можно использовать пластмассовый корпус с экранирующим слоем или металлический корпус с акусти­ческой изоляцией от излучающего элемента.

Электрическое согласование < Это часто применяется для фильт­рации низкочастотных радиальных мод колебаний пьезоэлемента, а также для регулирования электрической добротности с целью до­стижения наилучшего соотношения между чувствительностью и разрешающей способностью. Емкость элемента пьеэопреобразова- теля Сх определяется по известной формуле для плоско­параллельной пластинки:

Cx = eAt/T7 (7.19)

где з ■— диэлектрическая проницаемость материала пьезоэлемента, а4Е — площадь его поверхности. При работе в импульсном режи­ме для уменьшения электрической добротности иногда параллельно пьезоэлементу подключается индуктивность (см. рис, 7.10) величи­ной

L = 1/(2*/)^,,

но снова за счет уменьшения чувствительности. Записывая выраже- ние (7.19) через величины с и/ и используя С(, для пьезоэлемента толщиной Т = Х/2 находим реактивное сопротивление х, = ■

Xl ^с/е{2ф{)\ (7.20)

где г { = — радиус плоского пьезоэлектрического диска. В

частности, для пьезокерамики марки PZT-54 имеем

Xt»6,4-103/(^/)* (7.21)

где частота/ измеряется в мегагерцах, а радиусt\ — в миллимет­рах. Например, если/ = 5 МГц и г{= 10 мм, то xt~ 3 Ом. Это

значение xt плохо согласуется со стандартными значениями входно­го и выходного импедансов (50 и 75 Ом) излучающей и приемной электронной аппаратуры. Обычно на частотах выше 3—4 МГц для улучшения электрического согласования приходится применять со­гласующий трансформатор, хотя и за счет некоторого сужения по­лосы частот.

<< | >>
Источник: С. Уэбб. Физика визуализации изображений в медицине: В 2-х томах. Т. 2. 1991

Еще по теме 73'LL Стандартная конструкция (одноэлементный преобразова­тель):

  1. Семь Тел (Чистка эмоций на всех уровнях)
  2. ХРОНИЧЕСКИЕ РАССТРОЙСТВА ПИТАНИЯ
  3. Диагноз
  4. ГЛ А ВА 71 ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПИТАНИЯ
  5. Глава 2СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ПРИ АНЕСТЕЗИИ, РЕАНИМАЦИИ И ИНТЕНСИВНОЙ ТЕРАПИИ
  6. Глава 4Аппаратура для биоимпедансных измерений
  7. 3.3.2. Промывочные машины
  8. ЭПРА с питанием от низковольтных источников
  9. Однотактные преобразователи
  10. Электронные счетчики
  11. КРАТКИЙ СЛОВАРЬМЕТОДОВ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
  12. Построение ультразвукового изображения и эхогенность
  13. Резистивные преобразователи
  14. Индуктивные преобразователи
  15. Применение преобразователей перемещений и силы в медицине
  16. Датчики давления
  17. 73'LL Стандартная конструкция (одноэлементный преобразова­тель)
  18. 7.3.53* Применение эталонных отражателей и фантомов
  19. НОРМАЛЬНАЯ ЭКГ В СТАНДАРТНЫХ ОТВЕДЕНИЯХ