超声换能器是医用超声系统中很重要的核心部件 ， 它把系统的电信号转换成超声波 ， 从人体内部反射后再转换回电信号 ， 送回系统形成图像 。换能器之所以是整个系统的核心关键 ， 因为正如通常说的“垃圾进 ， 垃圾出” ， 换能器送回系统的原始信号的品质 ， 是最终系统图像的“原始素材 ” 。系统工程师可以运用各种神通广大的信号处理算法对图像进行优化塑造 ， 但原始信号的品质是提升图像质量的最关键的基础 。
压电晶片
那超声换能器是怎么完成这个至关重要的任务 ， 对声电信号进行转换的呢？图一是超声换能器的结构图 ， 现在医院中临床使用的换能器声头基本都是采用这种堆栈结构 。从声头表面的透镜开始 ， 往里最主要的材料层分别有匹配层、压电晶片、背衬；它们之间有胶层把它们粘贴在一起 ， 压电晶片的前后两端有金属涂层 ， 和线缆连接 。要问这个结构中哪个是关键材料 ， 那毫无疑问一定是压电晶片！压电晶片是一类晶体材料 ， 在静止平衡时晶格的正负电荷中心是重合的 ， 所以没有电信号输出；但当它们受外力拉伸或挤压时 ， 晶格的正负电荷中心会相互偏离 ， 材料内部就会有电场形成 ， 受电场作用 ， 正负电荷会分别聚集在压电晶片前后两端 。进行动态反复拉伸和挤压（也就是机械振动） ， 材料内部的电场会反复翻转 ， 从而在压电晶片的前后端形成交流电输出 ， 这个效应被称之为压电效应（见图二） 。
压电效应首先由法国科学家居里兄弟（弟弟为诺奖获得者皮埃尔-居里 ， 大家熟知的居里夫人的丈夫）于1880年在电气石上发现的；次年 ， 根据卢森堡物理学家李普曼的理论推算 ， 居里兄弟又通过实验验证了压电效应是可逆的 。也就是当外部电压加到压电晶片两端 ， 形成外部电场 ， 在这个电场作用下 ， 压电晶片会有形变 ， 使晶格的正负电荷中心出现偏离 ， 以平衡外部电场 。正因为这个可逆性 ， 超声换能器既可发射也可接收超声波 。在自然界存在有很多能够产生压电效应的自然晶体 ， 人们随后又发明了压电效应更强的新的材料 ， 其中1950左右发明的PZT（锆钛酸铅）是当前在绝大部分换能器中使用的压电多晶体（压电陶瓷）材料 。近年来 ， 高端的换能器开始采用PMN-PT压电单晶材料 ， 和PZT压电陶瓷相比 ， PMN-PT具有更好的材料特性 。
匹配层和背衬
【超声波发生器常见问题与维修 超声波换能器结构原理图解】既然用压电晶片能实现声电信号转换了 ， 那为啥还要有其他如匹配层和背衬等材料呢？这就必须讲一讲什么样的换能器才是理想的换能器 。当然外观漂亮、手感舒适是重要的第一感觉 ， 但我们这里要说的是它的内在性能 ， 什么样的内在性能 ， 才能贡献出完美的临床图像？最简单地说 ， 就是换能器在一个很短的电（声）脉冲激励下 ， 所产生的声（电）响应的幅度要尽可能大 ， 响应的时间也要尽可能短（余音缭绕在音乐厅很好 ， 在这里不行） 。因为一幅好的图像需要有高的灵敏度和分辨率 ， 而最终响应的幅度对应于图像的灵敏度 ， 响应的时间对应于图像的纵向（声波传播方向）分辨率 。下面我们来讲一下 ， 匹配层和背衬材料对于提高响应幅度、缩短响应时间所起的作用 。
声波在传播时经过不同的媒介 ， 会有反射和透射 ， 一部分能量在界面反射回来 ， 另一部分能量继续向前传播 ， 反射能量的占比大小和界面两侧媒介的声阻抗差异大小成正比；材料的声阻抗由材料的比重和硬度决定 ， 重而又硬的声阻抗大 ， 轻而又软的声阻抗小 。声阻抗的单位是Rayl ， 以纪念对声学理论作出重要贡献的英国物理学家、诺奖获得者瑞利勋爵（Lord Rayleigh） 。
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