压电晶片在电脉冲信号激励下产生的声波会同时向前后方向传播 ， 并在晶片前后界面部分反射 。我们希望大部分能量向前传播进入人体 ， 增强图像穿透力；也就是在晶片前界面 ， 声波能更多地透射 ， 理想的前端媒介声阻抗最好接近晶片声阻抗 。但医学超声的传播媒介是人体 ， 人体组织的声阻抗和水接近 ， 1.5MRayl左右 ， 远低于晶片的声阻抗（PZT 声阻抗33MRayl） ， 所以声波不能高效地从晶片直接透射进入人体 ， 会有大部分能量反射回来 ， 这就是为什么我们需要匹配层在中间帮忙了！设想（如图三）有个很高的台阶 ， 篮球从上面落下来 ， 在下面地面上就会高高地反弹起来 。如果我们在台阶前放一个阶梯 ， 篮球沿阶梯滚落下来 ， 碰到地面就会顺势向前滚动 ， 没有太大的反弹 。匹配层的作用相当于这里的阶梯 ， 它们的声阻抗介于晶片声阻抗和人体组织声阻抗之间 ， 使得声波能有效地在各层材料之间传播 。现在的换能器设计中 ， 人们通常使用两层或三层匹配；两层匹配声阻抗大致为2-2.5/6-8MRayl ， 三层匹配阻抗则大约在2/6-8/10-14 MRayl左右范围 。匹配层一般是用环氧树脂添加高密度的粉末（比如钨粉或氧化铝粉）搅拌制成 ， 对于高阻抗匹配材料 ， 也有直接使用玻璃或石墨等固体材料 。各匹配层之间的薄而均匀的粘贴非常关键 ， 由于工艺复杂度原因 ， 一般不使用多于三层匹配的设计 。
对于向晶片后端传播的能量 ， 我们希望它在晶片后界面反射回来 ， 重新向前传播 。为了使声波能更多地在晶片后界面反射 ， 背衬材料的声阻抗最好远小于或者远大于晶片声阻抗 。背衬材料的设计正是根据这个原理 ， 有低阻软背材(1-5MRayl)和高阻硬背材(>50MRayl)两类 。另外 ， 透射进入背材的声波不应再从背材的内部反射 ， 重新返回晶片 ， 因为这些反射的声波会将背材内部的信息投射在图像上 ， 形成伪影 。所以我们通常要选择高衰减系数的背衬材料 ， 来吸收进入背材的声波 。在晶片后界面与背材之间也可以进一步选择加入一层或多层“反匹配” ， 它们的作用与上述匹配层相反 ， 在工作频率范围内 ， 起到阻碍声波向后传播的效果 ， 以提高换能器灵敏度 。
透镜
当我们向前方呼喊时 ， 不仅正前方的人能听见 ， 在两侧的人也能听见 ， 这是因为声波向前传播时会有散射 。散射的结果是声波能量发散 ， 在特定的区域内声能量降低 ， 而在临床中我们希望换能器可以将声能量聚集在特定的人体组织区域 ， 所以在换能器设计时 ， 我们使用透镜材料来达到这个目的 。作为透镜材料 ， 声波在其中的传播速度 ， 必须不同于在传播媒介（也就是人体组织或水）中的速度 。通常的硅胶透镜材料 ， 它的声速在1000 米/秒左右 ， 相比于水的声速1500米/秒左右；人体内部的声速 ， 如脂肪为1450米/秒 ， 软组织为1540米/秒 ， 肌肉为1585米/秒 。
由于硅胶声速低于人体媒介声速 ， 硅胶透镜用于聚焦时为凸透镜 ， 中间厚两边薄 ， 凸镜的曲率决定了聚焦的距离 ， 曲率越大（表面越平坦）焦距越远 。因为声速不同的关系 ， 在匹配层中同时间传播的波前（wavefront）经过硅胶凸镜后会产生两边超前、中间滞后的圆弧形的波前 ， 这个圆弧的曲率由硅胶透镜曲率决定 。如图四所示 ， 随着波前向前推进 ， 圆弧形波前会收缩聚焦于圆心 ， 也就是焦点 。在焦点附近 ， 汇聚的声波相互同相位叠加 ， 从而提高了声场在聚焦点的强度 ， 称为聚焦增益 。在设计换能器时 ， 我们根据探头类型和临床应用 ， 来确定换能器的聚焦焦距 ， 和硅胶凸透镜曲率 。
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