What is ultrasound transducer？
Shanghai Jiao Tong University
Soundfield of a focused ultrasound transducer, f=4MHz, D=10mm (aperture), R=30mm (curvature radius), water
第九讲 超声换能器的声场特性 器
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。
第一象限栅瓣的个数为：
n1

INT

d

sin

2


INT
d


式3.49
（3）方向锐角与半功率点开角
0 21 2arcsin / nd 式3.50
半功率点开角的条件：
Ds

sin

nd
n
sin

d
sin sin
'3dB '3dB
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
极小值的位置为：
a2 2n2
Zmin 2n ,n 0,1, 2,3,... 式3.38
定义最后一个极大值位置为近场到远场的临界距离：
4a2 2
ZN 4
式3.39
如果a2 ,此表达式可简化为
ZN上最后一个最大值的位置ZN常被最为近场（Fresnel区）向远场
0.25sin0 / 2 0.60sin 3dB / 2 式3.53
g＝0.2是识别系数，此外定向准确度Δθ是波长、间 距、阵元数目的函数。
Shanghai Jiao Tong University
二、多阵元超声换能器的声场
（5）旁瓣级
MdB 20 lg n sin 3 / 2n 1 20lg nsin 3 / 2n 式3.54
旁瓣级仅同阵元的个数n有关，当n－>∞时， MdB ＝ －13.5dB
因此对于线阵旁瓣级最小值为－13.5dB
二、多阵元超声换能器的声场
Shanghai Jiao Tong University
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
关于主瓣，旁瓣，栅瓣的解释
一、单阵元换能器的声场
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）θ0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。
What is ultrasound transducer？
Shanghai Jiao Tong University
Shanghai Jiao Tong University
一、单阵元换能器的声场
（二） 矩形换能器声场（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
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
（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
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
二、多阵元超声换能器的声场
多阵元换能器的声场。仍可利用惠更斯原理，将各个阵元 看成一个惠更斯声源。然将各声源的声场叠加而得。 （一）线阵换能器超声场 1、声压分布
n为阵元的数目， P0为声源表面 起始声压振幅。
XOZ平面的声场分 布
Pm
nP0 r
sin nd / sin n sin d / sin
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 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）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
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
（三）聚焦换能器
主要的聚焦方式：1）透镜聚焦，2）声反射镜聚焦， 3）曲面聚焦换能器，4）相控聚焦，5）曲面多 元阵聚焦等。（ 大家回忆这些聚焦方式的原理与 区别？）
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。
2）当 ka sin 3.83,7.02,10.17,13.32 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。
0

arcsin

3.83 ka


arcsin

0.61
a

式3.43
图3.15 平面圆盘换能器的远场波瓣图
Shanghai Jiao Tong University
图3.21 线阵换能器声场坐标系统
Shanghai Jiao Tong University
二、多阵元超声换能器的声场
2、声束指向性 （1）指向性函数Ds
Ds

P r P0r

sin

n
d
n
sin

d

sin


sin

式3.47
0.42
n 1
nL




式3.52
L是阵的长度d＝L/（n－1）
Shanghai Jiao Tong University
二、多阵元超声换能器的声场
（4）定向准确度Δθ 当超声设备用极大值法定向时，能发现声束偏离极
大值方向的最小偏角称为准确度，用Δθ表示，一 般情况下，
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）Z<ZN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：
Z max

4a2 2 2m 12 4 2m 1
, m 0,1, 2,3,...
Shanghai Jiao Tong University
Shanghai Jiao Tong University
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
幅器值的辐Pθ射r与声最场大指方向向性上函的数声，压即幅值P0r之比，定义为该换能
Ds

P r P0r
式3.41
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）
Ds

2J1 ka sin
ka sin

式3.42
J1为第一类第一阶贝塞尔函数
一、单阵元换能器的声场 Shanghai Jiao Tong University
（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？


1 2
式3.51
Shanghai Jiao Tong University
二、多阵元超声换能器的声场
波束宽度：
0

2 arcsin


nd


2 arcsin
n

1
nL