高频聚焦超声换能器研制

发布时间：2017-09-01 05:39

  本文关键词：高频聚焦超声换能器研制

  更多相关文章： 高频 超声换能器 聚焦 1-3型压电复合材料 空间分辨率

【摘要】：医用超声换能器是整个超声成像系统的核心部件,其性能直接影响超声成像系统的图像质量。随着压电材料的发展,制作工艺的改进,计算机处理能力的提高,用于超声诊断的超声波频率也越来越高。高频超声换能器(中心频率20MHz),尤其是高频聚焦超声换能器可以改善目标区域的成像分辨率,在超声生物显微镜(Ultrasonic Biological Microscope,UBM),光声成像(Photoacoustic Imaging,PAI),血管内超声成像(Intravascular Ultrasound,IVUS)以及小动物实验等领域,具有广阔的应用前景。本文利用PZT/Epoxy制备的高性能1-3型压电复合材料,通过对压电复合材料进行球面和柱面的塑形,成功研制了球面点聚焦和柱面线聚焦型超声换能器,主要工作包括以下几个方面:(1)对超声换能器基本结构,各组件的材料及其特性进行分析以及分类研究,重点分析并研究了适合制作高频聚焦超声换能器的压电材料。结果表明,1-3型压电复合材料相比于单一相压电材料以其较高的厚度方向机电耦合系数、较低的声阻抗、相对较低的横向机电耦合系数、低介电常数、低机械品质因数、以及较好的柔韧性和可控性等性能而比较适合应用在高频聚焦超声换能器当中作为压电材料。(2)通过对W.A Smith等建立的1-3型压电复合材料的力学-声学特性理论模型进行仿真研究,得出压电相材料对1-3复合材料厚度振动机电耦合系数,声速,介电常数以及声阻抗等性能的影响。结果表明,当1-3型压电复合材料压电相材料的体积分数在30%~80%之变化时,复合材料机电耦合系数几乎为单一相压电陶瓷(一般为压电陶瓷)的1.5倍;介电常数随着压电陶瓷相的体积分数的增加而基本呈线性增加趋势;并且1-3型压电复合材料的声速随着压电相体积分数的增大而增大,增长趋势可为三段,其中在压电相体积分数小于30%时,随着压电相材料体积分数的增大,声速增长较快,当压电相体积分数介于30%~80%之间时,声速基本呈线性增长,当体积分数超过80%以后增长趋势重新增大。(3)通过Devaney-Levinc理论模型从理论仿真以及实验验证两方面研究了给声匹配材料RTV 615硅橡胶中掺杂不同体积分数的氧化铝细颗粒对其声速、声衰减、声阻抗等特性的影响和改变,对高频聚焦超声换能器的研制提供参考。(4)制备点聚焦和线聚焦两种不同自聚焦形式的自聚焦高频超声换能器,中心频率在50MHz附近,并对其时域波形以及声场特性进行了测试分析。经过测试,两种聚焦超声换能器,均具有较好的聚焦特性(聚焦深度10mm)以及空间分辨率(横向和纵向的分辨率均小于200um)。对于目前医用超声在介入式诊断,浅表组织细微结构分辨,小动物实验以及光声成像等领域的应用具有重要的参考价值。
【关键词】：高频 超声换能器 聚焦 1-3型压电复合材料 空间分辨率
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB552
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 超声换能器12-21
• 1.3 高频聚焦超声换能器主要应用及国内外研究现状21-24
• 1.4 本课题的研究内容及意义24-25
• 第2章 1-3 型PZT/Epoxy压电复合材料性能研究及制备25-37
• 2.1 引言25
• 2.2 1-3 复合材料的W.A Smith模型25-29
• 2.3 W.A Smith模型仿真结果29-33
• 2.4 1-3 型压电复合材料的制备33-34
• 2.5 1-3 型压电复合材料性能测试34-35
• 2.6 本章小结35-37
• 第3章 高频医用超声换能器材料声匹配特性研究37-47
• 3.1 引言37
• 3.2 Devaney-Levinc理论模型37-39
• 3.3 实验样品制备39-41
• 3.4 样品声学性能测试及仿真41-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 高频聚焦换能器研制47-57
• 4.1 引言47
• 4.2 压电材料制备47-49
• 4.3 聚焦换能器研制49-50
• 4.4 高频聚焦超声换能器性能测试50-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第5章 结论及展望57-60
• 5.1 结论57-58
• 5.2 研究展望58-60
• 参考文献60-66
• 在学期间学术成果情况66-67
• 指导教师及作者简介67-68
• 致谢68

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