8 医学超声原理-第八讲---超声换能器
超声换能器工作原理
超声换能器工作原理
超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。
电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出装置就可以产生超声波了。
超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。
超声波换能器的原理与作用：超声波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.超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，自身消耗很少的一部分功率。
另外由于单个换能器承受功率有限，故通常采用多个换能器组合而成，来达到功率要求，称之为换能器功率合成。
通常采用变幅杆合成方式完成。
超声波换能器原理
超声波换能器原理超声波换能器是一种能够将电能转化为超声波能量的装置，它在医疗、工业、生活等领域都有着广泛的应用。
超声波换能器的原理是基于压电效应，通过压电晶体的振动来产生超声波。
本文将介绍超声波换能器的原理及其应用。
超声波换能器是利用压电效应将电能转化为机械能，再将机械能转化为超声波能量的装置。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷分布不均，从而产生电势差的现象。
当外加电压施加在压电晶体上时，晶体会发生形变，产生机械振动。
这种振动会以超声波的形式传播出去。
超声波换能器通常由压电晶体、声阻抗匹配层、声透镜、保护层等部分组成。
压电晶体是超声波换能器的核心部件，它能够将电能转化为机械能，产生超声波。
声阻抗匹配层用于提高能量传输效率，减少反射损失。
声透镜用于聚焦超声波，控制超声波的传播方向和范围。
保护层则用于保护压电晶体不受外界环境的影响。
超声波换能器在医疗领域有着广泛的应用。
它可以用于超声波造影、超声波治疗、超声波手术等方面。
在超声波造影中，超声波换能器将电能转化为超声波能量，通过人体组织的不同反射特性来获取影像信息。
在超声波治疗中，超声波换能器的超声波能量可以用于治疗肿瘤、消炎止痛等。
在超声波手术中，超声波换能器可以用于切割、凝固组织，实现无创手术。
除医疗领域外，超声波换能器还在工业领域有着重要的应用。
例如超声波清洗、超声波焊接、超声波测厚等方面。
在超声波清洗中，超声波换能器的超声波能量可以将污垢从物体表面去除，实现高效清洗。
在超声波焊接中，超声波换能器可以利用超声波的振动作用将材料焊接在一起。
在超声波测厚中，超声波换能器可以利用超声波的穿透性来测量材料的厚度。
总之，超声波换能器是一种能够将电能转化为超声波能量的装置，其原理是基于压电效应。
它在医疗、工业、生活等领域都有着广泛的应用。
通过对超声波换能器原理的深入了解，我们可以更好地应用和改进这一技术，为人类的生活和工作带来更多的便利和效益。
医用超声波发生器的换能器原理
医用超声波发生器的换能器原理医用超声波发生器的换能器原理是将外加的能量转换为超声波。
它是一种物理装置，能够将电能或其他形式的能量转换为高频声波能量。
这些高频声波能够通过特定的介质传播，并在目标物体上产生特定的作用。
换能器的作用有：将电能转换为超声能量；使超声能量具有高的放射性能；可以控制超声波的频率和幅度。
换能器的工作原理是将电能转换成超声能量。
具体来说，换能器是通过一个封装好的密封桶中的传感器把电信号转换成机械振动，然后产生超声波。
传感器可以是压电式、磁式或电磁式，但最常用的是压电式传感器。
压电式传感器内部有一个压电片，当外界施加电压时，压电片就会发生振动，这些振动就可以产生超声波。
换能器的结构一般有三部分：壳体、换能器元件和支撑结构。
壳体是外壳，用来封装换能器元件和支撑结构，一般是金属或塑料制成。
换能器元件包括传感器、振子、悬挂结构和线圈等，它们负责将电能转换成机械振动，从而产生超声波。
支撑结构用来支撑换能器元件，它一般是金属或塑料制成的，也可以是水环或空气环。
换能器的放射性是决定超声治疗效果的关键因素之一。
一般来说，换能器的放射性越高，超声治疗效果越显著。
换能器的放射性取决于换能器元件的材料、结构、尺寸及悬挂结构等。
放射性良好的换能器能够有效地将外加的能量转换成超声能量，使超声波在目标物体上产生有效的作用。
换能器还可以控制超声波的频率和幅度。
频率决定了超声波的波形，幅度决定了超声波的强度，换能器可以控制这两个参数，从而控制超声波在目标物体上的作用。
总之，医用超声波发生器的换能器原理是通过将电能转换成超声能量，并控制超声波的频率和幅度来实现的。
它是医疗超声治疗的关键部件，可以大大提高超声治疗的效果。
超声波换能器工作原理
超声波换能器工作原理
超声波换能器是一种将电能转化为声能的器件。
其工作原理基于压电效应和逆压电效应。
压电效应指的是当某些晶体在受到外加电压的作用下，会发生形变或产生电荷，这种晶体被称为压电晶体。
例如，一些合成的晶体材料，如钛酸铅（PZT），在受到压力变化时，会在晶
格中产生电荷。
通过将电压施加在压电晶体上，可以引起晶体的形变。
逆压电效应是指压电晶体在受到外力（声波）作用下会发生电荷的变化。
当声波传播到压电晶体上时，晶体会产生变形，从而在晶格中产生电荷。
这个电荷可以被采集和测量。
基于以上原理，超声波换能器通过将电压施加在压电晶体上，引起晶体的形变。
当外界传来声波时，压电晶体会产生电荷的变化。
这个电荷变化可以被测量，从而得到声波的信息。
超声波换能器在超声波成像、声纳、声测、牙科器械等领域广泛应用。
其优势包括频率范围宽、输出功率高、响应速度快等。
超声波换能器工作原理
超声波换能器工作原理
超声波换能器是一种常用的换能器，它可以将电能转换为超声波能，从而实现液体或气体的流量、压力或位移的测量和控制。
它的工作原理是：当超声波换能器的电源供应至换能器的振荡器上，振荡器就会产生高频的超声波，超声波传播到换能器的发射头上，然后穿过介质，如液体或气体，到达换能器的接收头，接收头将超声波反射回发射头，发射头接收到反射超声波，随后将反射超声波转换为电能，电能被发送到计算机，计算机计算出流量、压力或位移的参数，进行测量和控制。
超声波换能器具有许多优点，如安装简单、可靠性高、使用寿命长、抗干扰能力强、反应速度快等，可以实现精确的测量和控制，大大提高了生产效率。
然而，由于超声波波长较短，受介质的影响较大，因此超声波换能器的测量范围有限，不适合所有类型的介质，而且它的使用介质必须是清洁的，否则可能影响测量精度。
总之，超声波换能器是一种非常有效的换能器，它可以将电能转换为超声波能，从而实现液体或气体的流量、压力或位移的测量和控制，常用于实验室和工业生产中的测量和控制。
它具有安装简单、可靠性高、抗干扰能力强、反应速度快等优点，可大大提高生产效率。
但由于超声波波长较短，受介质的影响较大，因此超声波换能器的测量范围有限，不适合所有类型的介质，而且它的使用介质必
须是清洁的，否则可能影响测量精度。
超声换能器的原理
超声换能器的原理
超声换能器是一种能够将电能转化为声能的装置。
它由压电材料制成，压电材料的晶粒排列规则，通过外加电场的作用而发生微小的位移。
当外加电场的方向周期性变化时，压电片中的晶粒也会周期性地振动。
这样，压电片就会产生声波，进而将电能转化为声能。
超声换能器的工作原理基于压电效应和反压电效应。
压电效应指的是某些特定的晶体或陶瓷材料在受到力或压力作用下会产生电荷分布不对称，从而生成电压。
反压电效应则是指当这些晶体或陶瓷材料受到外加电压时，会发生形变或位移。
在超声换能器中，应用了压电和反压电效应。
压电片是超声换能器的关键组件，它通常由PZT（铅酸钛锆）陶瓷材料制成。
当外加电压施加到压电片上时，它会引起压电片的厚度发生微小的周期性变化。
这个变化导致了超声波的产生和发射。
同时，当超声波通过压电片时，它也会使压电片发生反压电效应，产生微小的电压信号。
超声波在超声换能器中的传播是由压电片的振动和反压电效应共同完成的。
压电片的振动激发了超声波的产生，并将声波传送到被测物体。
当超声波在物体中传播时，它会遇到不同的介质和物体界面，从而发生折射、反射和散射。
当超声波反射回超声换能器时，它会导致压电片发生反压电效应，产生电压信号。
通过测量这个信号，我们可以获取被测物体的信息，例如距离、形状和物性等。
总之，超声换能器利用压电效应和反压电效应，将电能转化为声能，并实现声能和电能之间的相互转换。
它在医学、工业、军事等领域有着广泛的应用，如超声成像、超声清洗和超声检测等。
超声换能器工作原理
超声换能器工作原理1.引言1.1 概述概述超声换能器是一种重要的电声转换器件，广泛应用于工业、医学、科研等领域。
它通过电能与机械振动的转换，实现了声波的产生和接收。
在不同的应用领域中，它具有不同的工作原理和结构。
超声换能器的工作原理基于压电效应和回声原理。
当施加高频电场到压电材料上时，由于压电效应的存在，压电材料会发生微小的形变。
这种形变将产生机械振动，并通过传导介质传播出去，形成了超声波。
超声波在超声换能器的结构中发挥着至关重要的作用。
超声换能器的结构通常由压电材料和负载材料组成。
压电材料是产生超声波的关键部分，它具有良好的压电性能。
负载材料用于接收超声波，并将其转换回电能。
除了压电材料和负载材料，超声换能器还包括了传导介质和机械辐射面等组成部分。
超声换能器广泛应用于医学领域，例如超声检测和超声治疗。
它可以通过发射和接收超声波来对人体进行观察和治疗。
在工业领域，超声换能器可用于测量、清洁和焊接等应用中。
此外，随着科技的发展，超声换能器还有着广阔的应用前景，尤其是在无线电通信、物联网和汽车技术等领域。
总体而言，超声换能器是一种具有重要作用的电声转换器件。
通过压电效应和回声原理，它实现了电能与声能的相互转换。
在不同的应用领域中，超声换能器发挥着重要的作用，并且有着广阔的发展前景。
通过进一步研究和技术创新，相信超声换能器将在未来的科技领域中发挥更大的作用。
1.2 文章结构文章结构部分的内容：本文共分为引言、正文和结论三个部分进行叙述。
引言部分主要概述了超声换能器工作原理的研究背景和重要性。
首先介绍了超声换能器的定义和作用，然后简要解释了超声换能器的结构和组成。
最后明确了本文的目的，即深入分析和总结超声换能器的工作原理，展望其在未来的应用前景。
正文部分是本文的重点部分，主要讲述了超声换能器的工作原理。
首先详细介绍了超声换能器的定义和作用，包括其在医学、工业和生物科学等领域的广泛应用。
然后着重解释了超声换能器的结构和组成，包括压电材料和电极的选择以及超声波的产生和传播原理。
超声波换能器的结构及原理
超声波换能器的结构及原理超声波的发射和接收，需要一种电-声之间的能量转换装置，这就是换能器。
超声换能器，也即超声传感器，是超声波流量计中的重要组成部分。
通常所说的超声换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。
换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。
超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。
人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，目前使用较多的是压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT)、PVDF等。
压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电效应。
其结构原理如图3所示：图3超声波换能器结构原理图超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。
压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(1～10) m ，但这种振动的加速度很大，约(10～10 3 ) g，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动量，若这种能量沿一定方向传播出去，就形成超声波。
当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。
相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。
通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电路，如图 4（a）所示，也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路，如图4（b）所示。
如果用导线将压电换能器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线地等效电容、等效电阻、前置放大器地输入电阻、输入电容。
超声换能器的原理及设计
超声换能器的原理及设计
超声换能器是一种能够将电能转化为超声波能量的装置。
它的设计原理基于压电效应，即在某些晶体材料中，当施加电场时，会产生机械形变，反之，当施加机械压力时，也会在晶体上产生电压。
利用这种特性，超声换能器由一个薄片状的压电材料，通常是陶瓷或聚合物，在两侧分别附着上电极构成。
当电极上施加电压时，压电材料会膨胀和收缩，这种压力或运动会引起周围介质的压缩和稳定的振动。
这些振动将以超声波的形式在介质中传播，从而实现声能到电能的转换。
超声波频率和振幅的调节可以通过改变施加在超声换能器上的电压和电流来实现。
一般来说，频率越高，波长越短，超声波的穿透性能越低，但分辨率越高。
为了提高超声换能器的效率和性能，设计上考虑了很多因素。
首先，需要选择合适的压电材料，其特性应满足应用的要求，包括频率范围、灵敏度和稳定性等。
其次，需要设计适当的结构和尺寸，以实现最佳的转换效率和声束控制。
此外，还需要考虑超声波的耦合和阻抗匹配问题，以确保能量的传递和接收的效果。
总之，超声换能器基于压电效应实现电能到超声波能量的转换。
通过合理的材料选择和设计，可以获得高效、稳定和精确的超声波发射和接收装置。
超声换能器的工作原理
超声换能器的工作原理一、超声换能器概述超声换能器是一种将电能转化为机械振动能的装置，其主要作用是将电信号转化为超声波信号，从而实现超声成像、测量、清洗等应用。
超声换能器广泛应用于医疗、工业、军事等领域。
二、超声换能器的构成超声换能器主要由压电陶瓷和金属壳体组成。
其中，压电陶瓷是超声换能器的核心部件，它可以将电信号转化为机械振动，并且可以将机械振动转化为电信号。
金属壳体则起到保护和固定压电陶瓷的作用。
三、压电效应原理压电效应是指在某些晶体中，当施加外力时会引起晶体内部产生极化现象，从而产生外场。
当施加外场时，则会引起晶体内部的形变或者位移。
这种现象被称为压电效应。
四、压电陶瓷的工作原理1. 压电陶瓷材料的选择目前常用的压电材料主要有PZT（铅酸钛）、PZN（铅锆酸钠）和PMN（铅镁酸钠）等。
其中，PZT是应用最广泛的一种材料。
2. 压电陶瓷的制备压电陶瓷的制备主要包括原料的选择、混合、成型、烧结等过程。
其中，PZT的制备需要严格控制其成分比例和烧结温度等参数。
3. 压电陶瓷的性能压电陶瓷具有良好的压电效应和介电性能，可以将高频电信号转化为机械振动，并且可以将机械振动转化为电信号。
此外，压电陶瓷还具有高稳定性、高灵敏度和高可靠性等特点。
五、超声换能器的工作原理1. 发射模式当超声换能器接收到高频电信号时，压电陶瓷会产生机械振动，并且把这些振动传递到金属壳体上。
随着振动频率的增加，金属壳体就会发出超声波信号。
2. 接收模式当超声波信号经过物体后返回到超声换能器时，金属壳体会将超声波信号转化为机械振动，并且将这些振动传递到压电陶瓷上。
压电陶瓷则会将这些机械振动转化为电信号，从而实现超声波信号的接收。
六、超声换能器的特点1. 高频率超声换能器可以发射和接收高频率的超声波信号，其工作频率一般在1MHz以上。
2. 高灵敏度由于压电陶瓷具有高灵敏度和高稳定性等特点，因此超声换能器具有较高的灵敏度和可靠性。
3. 宽频带超声换能器的工作频带一般比较宽，可以覆盖多种不同的应用场景。
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Function of the acoustic matching layer
Shanghai Jiao Tong University
Function of the acoustic lens
Shanghai Jiao Tong University
柱形单阵元超声换能器剖面结构图
柱形单振元探头主要 用于A超和M超，又称 笔杆式探头。目前在 经颅多普勒（TCD） 及胎心监护仪器中亦 用此探头。由于它是 各型超声成像仪用探 头的结构基础，特此 作一介绍。
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三、医学超声换能器结构
Shanghai Jiao Tong University
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Function of the backing material
Shanghai Jiao Tong University
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What is ultrasound transducer？
The location at which a transducer focuses the sound can be determined by the active transducer area and shape, the ultrasound frequency, and the sound velocity of the propagation medium.
Shanghai Jiao Tong University
一、超声换能器介绍
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临床上常用的超声换能器
常见的B（Brightness ）超探头
Shanghai Jiao Tong University
临床上常用的超声换能器
眼科A（Amplitude ）超探头
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一、超声换能器介绍
工作原理： 通常换能器都有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，从激励电源的输出级送 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，这种电场或磁场的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，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，在接收声波的情况下， 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，借助于某种物理效应，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o Tong University
Transcranial Doppler (TCD) 经颅超声多普勒 探头
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What is ultrasound transducer？
Ultrasonic sensors (also known as tranceivers when they both send and receive) work on a principle similar to radar or sonar which evaluate attributes of a target by interpreting the echoes from radio or sound waves respectively. Ultrasonic sensors generate high frequency sound waves and evaluate the echo which is received back by the sensor. Sensors calculate the time interval between sending the signal and receiving the echo to determine the distance to an object.
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三、医学超声换能器结构
a) 声透镜 声透镜聚焦的作用原理与光学透镜一样，即在 透镜材料中由于声波传播速度与其周围介质中的声 波传播速度不同而产生折射，从而得到声波的聚焦。 由于光在玻璃中的传格速度比空气中为慢，故光学 聚焦透镜是凸透镜。但是，声透镜用聚乙烯和合成 树脂作为材料、声波在其中的传播速度要比在人体 中的传播速度为快，故声透镜是凹透镜。
三、医学超声换能器结构
（一）基本单元换能器
压电振子 产生压电效应的元件 主体 吸收块 吸收背向辐射的声能，称为背材 保护层 减轻振子磨损，进行阻抗匹配，称为面材 外壳 为换能器的结构件 壳体 接插机构 经接插机构与仪器联接 电缆线 超声电信号的载体
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二、医学超声换能器种类
单元换能器 线 阵 1.按振子单元数分 相控阵 多元换能器 方 阵 凸 阵 电子聚焦 一维聚焦 声学聚焦 聚焦换能器 2.按声束特性分 二维聚焦 电子聚焦 声学聚焦 非聚焦换能器
图3.7 同相线列阵及方向图
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三、医学超声换能器结构
（三）机械扫描换能器 机械扫描换能器可以分为扇形扫描与线性扫描。 （四）聚焦换能器 a) 声透镜 b) 凹形压电材料 c) 声反射镜 d) 电子聚焦 e) 凹型多元阵聚焦
Shanghai Jiao Tong University
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第八讲 医学超声换能器
本章主要内容
一．超声换能器介绍 二．医学超声换能器种类 三．医学超声换能器结构 四．医学超声换能器特性 五．超声发射激励电路 六．超声换能器的匹配技术
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一、超声换能器介绍
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电子线阵探头剖面示意
电子线阵超声探头 配用于电子式线性 扫描超声诊断仪。 其结构如右图所示， 它主要由6部分组 成:开关控制器、阻 尼垫衬、换能器阵 列、匹配层、声透 镜和外壳。
Shanghai Jiao Tong University
阵列换能器的基本结构
第八讲 超声换能器
牛金海
jhniu@
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。 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。
阵列换能器的基本结构
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三、医学超声换能器结构
（二）多阵元换能器
（a)
（b)
（c) （d) 图3.6 （a)线阵 (b)相控阵 （c)凸面线阵 (d)方阵
Shanghai Jiao Tong University
三、医学超声换能器结构
所谓相控换能器阵列：就是指多个换能器阵列排列成一 条直线，每个阵元上所加信号的相位不同。 同相线阵列，阵元数目越多，主瓣越尖锐。旁瓣受到更 大抑制，幅度更小。
超声换能器简介（transducer; energy changer ） 用来发射声波的换能器称为发射器。当换能 器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转 换成声能。 用来接收声波的换能器称为接收器。当换 能器处于接收状态时，将声能变成机械能，再转 换成电能。 有些情况下，换能器既可以用作发射器，又 可以用作接收器，即所谓的收发两用型换能器。
The example shows the sound fields of an unfocused and a focusing ultrasonic transducer in water.
Shanghai Jiao Tong University
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。 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。
三、医学超声换能器结构
声束聚焦在医学超声中有较大的作用。聚焦 使焦区的声束变窄，能提高侧向、横向分辨．从 而提高超声诊断的有效性。产生超声聚焦的方法 有非电子和电子两大类，前者又分声透镜聚焦、 声反射镜聚焦和压电材料凹面聚焦。由于技术上 的差异，非电子聚焦产生的焦点通常位置固定， 电子聚焦产生的焦点的位置可以固定，也可以变 动。 在声波发射和接收的状态下，两者都具有聚 焦功能。