1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的研究

王科鑫，何　敏，郝　琦，刘　阳，曾德平

(重庆医科大学 生物医学工程学院，省部共建超声医学工程国家重点实验室培育基地，

超声医学工程重庆市重点实验室，重庆 400016)



1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的研究

王科鑫，何敏，郝琦，刘阳，曾德平

(重庆医科大学 生物医学工程学院，省部共建超声医学工程国家重点实验室培育基地，

超声医学工程重庆市重点实验室，重庆 400016)

摘要：为解决压电陶瓷聚焦换能器阻抗高、带宽窄,电声转换效率低等问题，采用新型的1-3型压电复合材料作为聚焦超声换能器材料，设计并制作了一种新型的1-3压电复合材料壳式聚焦换能器。通过对新型换能器的频率特性，电声转换效率研究后和当前应用的PZT壳式聚焦换能器进行对比，证明了1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的阻抗较低，相对带宽达61%，是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的3.39倍，以及较高的电声转换效率η为54%，是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的1.68倍。将换能器实际声场检测结果与Matlab声场仿真结果进行对比研究，得出换能器具有较好的声场特性及聚焦效果。为高性能的聚焦换能器的实现提供了理论及实验基础。

关键词：1-3压电复合材料；聚焦换能器；电声转换效率;频率特性；声场特性

0引言

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound，HIFU)肿瘤治疗技术是一种新型的非侵入性肿瘤治疗手段，已成功用于临床“消融”多种肿瘤，被认为当今世界的前沿科学技术[1]。换能器是HIFU治疗设备的核心器件[2]，其性能直接影响治疗效果，为此国内外诸多学者已致力于对HIFU换能器的研究。目前普遍使用的聚焦超声换能器主要是用压电陶瓷(Pb-based lanthanumdoped zirconate-titanates，PZT)材料制作的，它通过压电陶瓷的厚度振动来实现电声能量转换，但由于压电陶瓷内部各向异性小，振动时产生的横向分量较大，径向振动明显，存在多振动模耦合问题，从而降低了换能器的电声转换效率。且压电陶瓷材料阻抗高，带宽窄，使换能器不易和超声介质(通常是水)以及生物组织相匹配。

近年来，换能器材料的研制取得良好的进展，1-3型压电复合材料在带宽，阻抗和电声转换效率等方面相对于PZT陶瓷材料呈现出了优势，逐步走向应用。1-3压电复合材料是由一维连通的压电相平行排列于三维连通的聚合物中形成的两相压电复合材料，不仅具有压电陶瓷的压电性和刚度，还增强了其各向异性[3-5]。目前，国内外许多学者已对1-3压电复合材料进行了研究，如Martin L Dunn等[6-8]充分证明了1-3压电复合材料在性能上相对PZT材料的优点，何敏[9]对1-3压电复合材料的制作及性能进行了研究，并做了相关报道。但目前国内外关于用1-3压电复合材料制作大功率聚焦超声换能器的研制报道较少。本文在前文[9]1-3压电复合材料制备及性能研究的基础上，考虑到制作工艺的复杂程度和系统稳定性等因素，设计并制作了1-3压电复合材料壳式聚焦换能器，并从换能器的频率特性，电声转换效率，以及声场特性方面进行了研究。

1换能器的设计及制作

实验采用的材料为本实验前文[9]中研制的1-3压电复合材料，材料的基本参数如表1所示。

表1　1-3压电复合材料参数

图1为1-3压电复合材料的频率-阻抗特性曲线。由图1可知，实验采用的材料具有纯净的厚度振动模态，能够有效的抑制多振动模耦合现象。

对换能器的结构进行设计，如图2所示为1-3壳式聚焦换能器的结构图，图3为实物图。

本聚焦换能器为组合式换能器，由10片性能相同的1-3压电复合材料组成，中间为圆形，r0=25 mm。换能器的开口半径r=60 mm，焦距R=120 mm，换能器最底端到开口水平面h=20mm， 1-3压电复合材料的厚度t=1.8 mm。

图1　1-3型压电复合材料频率-阻抗曲线

Fig 1 Frequency-impedance curve of 1-3 type piezoelectric composite material

图2　1-3压电复合材料壳式聚焦换能器结构图

Fig 2 The structure of 1-3 piezoelectric composite shell-focused transducer

图3　1-3压电复合材料壳式聚焦换能器实物图

Fig 3 Thephysical of 1-3 piezoelectric composite shell-focused transducer

2结果与讨论

2.1换能器频率-阻抗特性研究

频率-阻抗特性是换能器的重要性能，它取决于制作换能器材料的性能和换能器的结构以及制作工艺。本文用Agilent 4294A阻抗分析仪进行检测，其结果如图4(a)所示，实线是1-3压电复合材料壳式聚焦换能器的频率-阻抗特性曲线，虚线是换能器的频率-相位特性曲线。从频率-阻抗曲线可以看到，1-3壳式聚焦换能器的谐振点阻抗Zt=0.595 Ω，反谐振点阻抗Za=28 Ω，谐振点频率ft=680 kHz，反谐振点频率fa=1.095 MHz，带宽Δf=415 kHz；图4(b)中实线为PZT压电陶瓷材料壳式聚焦换能器的频率-阻抗特性曲线，虚线为换能器的频率-相位特性曲线，从图4(b)可知，PZT壳式聚焦换能器的谐振点阻抗Zt=4.51 Ω，反谐振点阻抗Za=36.79 Ω，谐振点频率ft=574.5 kHz，反谐振点频率fa=678 kHz，带宽Δf=103.5 kHz；由此可见，PZT壳式聚焦换能器阻抗高，带宽窄，相对带宽为18%，而1-3型壳式聚焦换能器具有阻抗低，带宽较宽，相对带宽达61%，是PZT壳式聚焦换能器的3.39倍，在一定程度上提高了换能器的稳定性[10-14]，降低了换能器与超声介质的匹配难度，这对HIFU换能器很重要。

图41-3压电复合材料壳式和PZT压电陶瓷材料壳式聚焦换能器频率-阻抗特性测试曲线

Fig 4 Frequency-impedance test curve of 1-3 piezoelectric composite shell-focused transducer and PZT piezoelectric ceramic materials shell-focused transducer

2.2换能器电-声转换效率研究

采用辐射力天平(声功率计)测量壳式聚焦换能器的声功率[15]，测试方法见图5所示，用信号源和功率源驱动换能器。对于全吸收靶的辐射力天平，中心未开孔的聚焦换能器在不考虑衰减的情况下，换能器声功率的计算公式如式(1)

(1)

式中，P为声功率，W；F为吸收靶所受的法向辐射力，c为声在水中传播的速度，β1为聚焦换能器的口径半会聚角， 本文中壳式聚焦换能器口径半会聚焦β1=30°。将1-3型壳式聚焦换能器的测试结果和PZT壳式聚焦换能器进行对比，其结果如图6(a)、(b)所示。从图6(a)可知，换能器输出声功率随驱动电功率的增大呈线性增大，图6(b)中1-3型壳式聚焦换能器的电声转换效率约为54%，是PZT壳式聚焦换能器的1.68倍。

图5　辐射力天平测量换能器声功率系统图

Fig 5 The system of radiation force balance measures transducer’s sound power

图61-3压电复合材料和PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器声功率测试结果和电-声转换效率测试结果

Fig 6 Sound power test results of 1-3 piezoelectric composite and PZT piezoelectric ceramic shell-focused transducer, electro-acoustic conversion efficiency test results

2.3换能器声场特性研究

声场是高强度聚焦超声换能器非常重要的性能，换能器从理论分析和实验测量两方面研究了壳式聚焦换能器的声场特性和聚焦效果。根据线性声场计算理论，对于有限尺寸的换能器辐射声场，可以按照线性叠加原理进行分析， 即将换能器的声场辐射面看作由无数个微元(声源)的组合而成，而辐射场中某一点的声压是由辐射面上所有微元(声源)在该点产生的声压叠加后的结果[16-17]。对于法向振动均匀的换能器，其辐射面上任意声源发射的球面、单频声波在辐射场中M点不考虑媒质中衰减的情况下产生的声压为

(2)

其中，pM为声场中第M点处的声压，ρ为媒质密度，f为换能器的频率

为换能器辐射面的法向振速

为1周期内含有的波数，c为在媒质中的声速，s为声源M1中心到场点M处的距离，S为换能器辐射面的表面积，即凹球面换能器在场点M处产生的总的声压可以看成是各声源在场点M处的叠加[18]

(3)

式(3)为瑞利(Rayleigh)积分，它可以从克希霍夫(Helmholtz)积分得到严格的证明。图7为瑞利积分模拟壳式换能器声压示意图。

图7　瑞利积分模拟壳式换能器声压示意图

Fig 7 The Schematic diagram of rayleigh points simulation sound pressure of shell transducers

对于轴对称结构的壳式换能器，计算XOY面的声压，M点坐标为(x0，y0，z0)

(4)

(6)

将式(4)、(5)、(6)代入式(3)后，将瑞利积分化成极坐标形式如式(7)[18-20]

(7)

根据式(7)，在频率f=827.217 kHz时，用Matlab对1-3壳式聚焦换能器沿声轴方向和垂直声轴方向进行声压的归一化仿真，同时与在相同频率下，驱动功率为30 W时，用水听器检测的沿声轴方向和垂直声轴方向的声压进行对比分析，如图8(a)、(b)所示。

图8　垂直声轴和沿声轴方向声压理论值和检测值对比

Fig 8 Compare sound pressure theoretical value of vertical axis sound and along axis with sound pressure detection value of along axis

分析图8(a)和(b)可得，声压理论值和实测值很吻合，在X轴理论上声压旁瓣约为6%左右，实际测量声压旁瓣约为8%左右，声焦域宽度为2.4 mm。在Z轴，理论上声压旁瓣约为12%左右，实际检测声压旁瓣约为14%左右，声焦域长度为15.2 mm，即1-3壳式聚焦换能器在沿声轴方向上也具有较好的声场特性。

同时在频率f=827.217 kHz时，用Matlab对1-3型壳式聚焦换能器在XOY面的声压进行仿真，其结果和在相同的频率下，30 W功率驱动时用水听器检测的XOY面的声压进行对比研究，其结果如图9(a)、(b)、(c)所示。

将图9(a)和(b)进行对比发现，XOY面扫描声压和XOY面理论声压都具有较好的焦域形态，其焦域半径约为1.2 mm，即换能器表现出较好的聚焦性能，从图9(c)可以看出换能器在XOY面声压旁瓣较小，具有较好的声场特性。

图9XOY面声压实际扫描结果和归一化仿真以及归一化三维仿真

Fig 9 Results of sound pressure actual scan in XOY,simulation of sound pressure normalized in XOY,three-dimensional simulation of sound pressure normalized in XOY

3结论

采用1-3型压电复合材料设计并制作壳式聚焦超声换能器，并对其进行研究后与PZT压电陶瓷材料壳式聚焦换能器进行对比，得到以下结论:

(1)1-3型压电复合材料壳式聚焦超声换能器具有较高的电声转换效率，达到54%，约为PZT壳式聚焦换能器的1.68倍，且1-3型壳式聚焦换能器阻抗较低，带宽很宽，相对带宽达到61%，约为PZT壳式聚焦换能器的3.39倍，说明本换能器充分展示了新型1-3型压电复合材料的优点，具有良好的性能。

(2)从理论仿真和实验测试两方面证明了研制的1-3型壳式聚焦换能器具有较好的声场特性和聚焦特性，焦域尺寸为短轴为2.4 mm，长轴为15.2 mm。

在未来高强度聚焦超声(HIFU)换能器应用中，1-3型压电复合材料换能器将扮演重要角色，它能改善聚焦超声换能器的宽带，提高换能器电声转换效率，对改进和提升高强度聚焦超声治疗设备的性能具有重要作用。

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Research of a shell-focused transducer based on 1-3 piezoelectric composites

WANG Kexin，HE Min，HAO Qi，LIU Yang，ZENG Deping

(State Key Laboratory of Ultrasound Engineering in Medicine Co-Founded by Chongqing and the Ministry of Science and Technology, College of Biomedical Engineering, Chongqing Key Laboratory of Biomedical Engineering, Chongqing Medical University, Chongqing 400016,China)

Abstract:To solve the problems that current piezoelectric ceramic focused transduce- rs have the high impedance, narrow bandwidth and low electro-acoustic conversion efficiency, this paper used 1-3 piezoelectric composites as the focused ultrasound transducer materials to design and produce a new type of shell-focused transducer. By researching the new transducer’s frequency characteristics,electro-acoustic conversi- on efficiency and compared with the currently applied PZT shell-focused transducer, we proved that the impedance of 1-3 shell- focused transducer is low, the relative bandwidth is 61%. The relative bandwidth of 1-3 shell-focused transducer is PZT piezoelectric ceramic shell-focused transducer 3.39 times. The electro-acoustic conve- rsion efficiency η of 1-3 shell-focused transducer is 54%. It is PZT piezoelectric ceramic shell-focused transducer 1.68 times. Besides, by compared the result of actual sound field test with the simulation of acoustic field in Matlab of transducer, we can conclude that the transducer in this study has a great acoustic field characteristics and focusing effect. It provides a theoretical and experimental basis for the realization of high performance focused transducer.

Key words:1-3 piezoelectric composites; focused transducer; electro-acoustic conversion efficiency; frequency characteristic; sound field characteristic

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.03.029

文献标识码：A

中图分类号：TM282

作者简介：王科鑫(1990-)，男，山东聊城人，在读硕士，从事1-3压电复合材料换能器的研究。

基金项目：国家自然科学基金委重大科学仪器设备研制专项资助项目(81127901)；国家自然科学基金资助项目(81201102)；重庆市教委资助项目(KJ1500204)

文章编号：1001-9731(2016)03-03158-05

收到初稿日期：2015-07-20 收到修改稿日期：2015-12-10 通讯作者：曾德平，E-mail: zengdp@haifu.com.cn