автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.08, диссертация на тему:Пьезоэлектрические преобразователи медицинскихультразвуковых сканеров

кандидата технических наук
Найда, Сергей Анатольевич
город
Киев
год
1996
специальность ВАК РФ
05.09.08
Автореферат по электротехнике на тему «Пьезоэлектрические преобразователи медицинскихультразвуковых сканеров»

Автореферат диссертации по теме "Пьезоэлектрические преобразователи медицинскихультразвуковых сканеров"

ол

г,• НАЦ1ОНАЛЬНИЙ ТЕШЧНИЙ УН1ВЕРСНТЕТ УКРАХНН *\':ГЛ ^ >; "КИ1ВСЫШЙ ШШТЕХН1ЧНИЙ 1НСТИТУТ"

П'бЗОЕЛЕКТРИЧШ ПЕРЕТВОРИВАЧ1 ' ШДИЧННХ УЛЬТРАЗВУКОВНХ CKAHEPIB

05.09.08-Елехтроакустика та звухотехн1ка

АВТОРЕФЕРАТ дисертацП на здобуття наукового ступени кандидата техн1чних наук

На правах рукопису

УДК 615.47

Khîb-1996

Дисертац1ею в руколис.

Робота виконана на кафедр! акустики та акустоелектрон1ки На-ц1онального техн1чного ун1верситету УкраГни " КиХвський по-л!техн1чний 1нститут\

Науковий кер1вник:

доктор техн1чних наук, професор ДВДЮВСЬКИЙ В1тал1й Семенович.

0ф1ц1йн1 опоненти:

1. Доктор ф1зико-математичних наук, професор ВОВК 1гор Воло-димнрович;

2. Кандидат ф1зико-математичних наук СЕНЧЕНКО 1ван Васильевич.

Пров1дна орган!зац1я - ПВО "Славутич", м.Ки!в.

Захист в1дбудеться " 2.0 "туа^'л 1996 р. о ^"~гопин! на за-с1данн1 спец1ал1зовано! вчено! ради Д 01.02.16 в НТУУ "Ки-1вський пол1техн1чний 1нститут" за адресою: 2Б2056. пр. Перемоги. 37, корп. М^. ауд. N2.0^,

3 дисертац1ею можна ознайонитись у б1бл1отец1 НТУУ "Ки1всь-кий пол1техн1чний 1нститут".

Автореферат роз!сланий " н 1996 р.

Вчсний секретар спец1ал1зовано! вчено! ради кандидат техн!чних наук.

доцент

ЗАГАЛЫ1А ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн1сть 1_ступ!нь досл!джсност1 тематики днеерта-

цЦ. Ультразвуков! (УЗ) сканери або ехоскопн зайиакть все б1льше ы!сце серед прилад1в ыеднчно! д1агностики. а 1'х се-р1йне внробннцтво налагоджене у вс!х промислово розвинутих крашах. В УкраТн! вони не випускаються, а ввозяться за валюту з-за кордону, що !стотно стримуе 1х застосування на р1вн! районних л!карень 1 пол1кл!н!к.

Принцип д11 УЗ сканер1в базуеться на скануванн1 внут-р!шн1х орган1в вузькиы сфокусованим УЗ пучком, прийому в1д-битих в!д неоднор1дностей акустичних ехо-сигнап1в, перетво-ренн1 ¡х в електричн! 1 в1дображенн1 на електронному 1ндика-тор1 зображення внутр1шн!х орган1в. УЗ метод забезпечуе мож-лив!сть спостер!гати 1х динам1ку, а також дозволяв в!др!зня-ти дуже малу р1зницв густини сус!дн!х тканин. Як1сть зобра-ження визначаеться в першу чергу формою вшром1нгшаного I прийнятого УЗ пучк1в, як1 створюються за допомогою багатое-лементного п'езоперетворювача - найб1льш в1дпов1дально! складово! частини сканера. Заруб1жн1 уШворсальн! сканери для розв'язання конкретних завдань д1агностики оснащен! ба-гатьма р1зноман1тннми п'езоперетворювачами з електронпим або ыехан!чним скануванням, будова яких е секретом ф1рм 1 як!й в1дпов!дае елементна база електронно! частини сканер!в. Серимому випуску сканер1в в Укра!н1 значною м1рою заваяае в1дсутн1сть широких теоретичних ! експериментальних досл1д-жень багатоелементних п'бзоперетворювач1в.

Серед УЗ прилад!в скаиери мають ряд особливостей: знач-но б!льш1, н1ж в г!дроакустиц1, частоти; використання ближньо! зони п'езоперетворюоача, де можна фокусувати УЗ пучки; значно б1льший, н1ж у вод1, коеф!ц!ент затухання в б!апог1чних тканинах; обмеження верхньо! границ1 в1дношення сигнал-шум, щоб уникнути надм1рного опром1нення лац!ента; збудясення, на в1дм!ну в1д дефектоскопП. т!льки одного типу коливань - поздовжн1х.

Цо зумовлюе необх!дн1сть проектування I розрахунку ска-нер!в як окремого в1д прилад!в гидроакустики 1 дефектоскопII класу прилад1в. Окрем! теорстичн! методи досл1дження п'езо-псретворювач1в ! 1х акустичних пол!в, включаючи ! п'езопе-рстворхгоач! для УЗ д1агностики, можна знайти в в!домих пра-цях В. Й. Домаркаса,. Р.-Й. Ю. Кажиса, Е. Л.Шлецкаса, 1.М. Ка-

невського, I. М. Ермолова, Б.С.Аронова, К.Х1ла, Г.Кайно. Од-нак, в цих працях в!дсутне як пор1вняння результат^, одер-жаних р!зними методами, так 1 пор!вняння теоретичних резуль-таг1в з експериментальними (з описшюю методикою експеримен-ту). 1снують також питания, як! виявилися мало досл1дхеними: вгтлив двом!рних коливань полоскових п'езоелемент!в на як1сть зображення сканера; форма УЗ пучка при умов!,що в1дстаиь м!ж окремими елемеитами багатоелементного п'езоперетворювача б1лыпе довжини хвил!; методи експериментальних досл!джень п'езоперетворювач!в сканер!в.

Заповнению вказаних прогалин 1 присвячена ця дисерта-ц1йна робота.

Метою роботи е одержання анал!тичних вираз1в 1 створен-ня програм розрахунку на ПЕОМ параметр!в п' езопсретворсвач I в 1 створюваних ними акустичних лол!в, визначення форми УЗ скануючих пучк!в, проведения експериментальних досл1дясень та пор1вняння теоретичних 1 експериментальних результат1в.

. Основн! завдання наукового досл!дження: постановка _та розв'язок задач знаходження акустичних пол1в п'езоперетворю-вач1в; постановка та розв'язок задач знаходження електрнчних та акустичних параметр!в елемент!в п'езоперетворювач!в; роз-робка метод!в експериментального досл!дження параметра п'езоперетворювач1в та форми УЗ скануючих пучк1в.

Метод досл!дження. В робот1 застосовано теоретико-екс-периментальний метод досл1дження.

Наукова новизна роботи лолягае у слддуючих положениях: -експериментально 1 теоретично встановлено 1 визначено умови 1снування слабкого розб1гання електронно сфокусованого УЗ пучка,створюваного л1н1йною матрицею плоских п'езоелемент!в; -одержан1 в комплексному вигляд! сп!вв1дношення теореми вза-емност! для чотирьохполюсника, який включае п'езоелемент, узгоджуюч! шари та електричн1 схеми п!дключення; на £х осно-в1 обгрунтовано 1 запропоновано ориг1нальний метод вим!рю-вання електричного опору втрат п'езоелемента на випром!ню-вання, який виключае оп!р втрат на коливання по його ширин1, та одержано вираз для в1дношення сигнал-шум на виход! чотирьохполюсника I показано, що воно не заложить в!д парамет-р!в електрично! схеми;

-одсржан1 загальн! внрази для електричного 1мпедансу та кое-Ф1ц1снт1в псрстоорення на частот! механ!чиого резонансу

п'езоелемеита; створено 1 налагоджено програму розрахунку на ПЕОМ АЧХ цих параметр1о п'езоперетворювача ; - розв'язано задачу про двом!рн1 коливання полоскового п'езоелемента в наблихенн1 зв'язаних коливань 1 одержано ви-раз для оц1нки ампл1туди шк1дливих косих пучк1в; -запропоновано, обгрунтовано 1 застосовано метод вим1рювання параметр1в елемента п'езоперетворювача, який дозволяв оперативно контролювати технолог1ю його виготовлення; -запропонован!, розрахован1 1 застосован! ориг1напьн1 в1ль-ний поплавковий рад1ометр 1 ВЧ ватметр без активних елемен-т!в для вим!рювання 1 контроля акустично! I споживано! електричноХ потужностей п'езоперетворювач1в сканер1в I 1нших медичних прилад1в.

Практична ц1нн1сть роботи полягае в тому, що одержан1 теоретично 1 л!дтверджен1 експериментанипо сп1вв1дношення 1 програни для ПЕОМ дозволять обгрунтовано п1дходити до про-ектування 1 розрахунку п'езоперетворювач1в з оптимальнимн характеристиками для сканер!в 1 1нших медичних прилад1в, а поплавковий рад!ометр 1 ВЧ ватметр дають зыогу виы1рювати 1 контролювати 1х акустичну 1 споживану електричну потужност1; виявлен1 тенденцП розвитку УЗ сканер!в. Результати дисер-тац!йно1 роботи е основою для курсу лекц1й "П'езоперетворю-вач1 прилад1в медичного призначення".

Впровадження результат!в роботи. Результати роботи впроваджен! при виконанн1 1ЩР та ДКР в НВО "Славутич", в Н1Ц М1н1стерства Охорони Здоров'я. Укра!ни, в НТУУ "КП1" (вс1 м.КиГв) га при постановц1 лабораторних роб1т по курсу "Медичи1 акустичн1 прилади". Результати впроваджень п!дтвердже-н! в1дпов1дними акта).1и.

Апробац1я роботи. Дисертац1йна робота в повнону обсяз! допов!далась 1 обговорювалась на наукових ссм1нарах в НВО "Славутич" та на кафедр1 акустики та акустоелектрон1ки НТУУ "КП1" (ы. Кто).

Публ1кац11. По матер1алам дисертацП опубл1ковано 5 друкованих роб!т. частина розультат!в в!дображена в 5 зв1тах по НДР та .ЦКР.

Структура та обсяг дисертацП. Дисертац1йна робота складаеться 1з вступу, чотнрьох глав, висновк1в та списку л!тератури, що кистить 83 найыонувань, а такоас доповноння. Загальний обсяг диссртацП складае 182 сторшш, в гону чис-

л! 66 малшк!в на 45 стор!нках.

Науков! результати, що виносяться на захист, включать:

1. Тсоретичие 1 експеримонтальне досл1дження форми УЗ скануючого пучка медичного сканера.

2. Одержання в комплексному вигляд! сп1вв!дношень тео-реми взаемност! чотиръохполюсника, який включае п'езоеле-мент, домпф1руюч1 та узгоджуюч1 шари, та електричну схему исключения 1 на !х основ1 виразу для в!дношення сигнал-шум на виход! чотирьохполюсника, .висновок про незалежн!сть цього в1дношення в1д параметр1в електрично! схеми.

3. Одержання та експериментальна персв!рка вираз!в для комплексних елоктричного та акустичного 1мпеданс1в, а такоа коеф!ц1ент1в перетворення п'езоелемента на частот1 його ме-хан!чного резонансу.

-4. Роз'язок задач1 про двом!рн1 коливання полоскового п'езоелемента I одержання виразу для оц1нки ампл1туди шк!д-ливих косих пучк!в.

5. Методи вшйрювання параметр!в п'езоелемента, опору втрат на випргаЛнювання та форми УЗ пучка медичного сканера.

6. Принцип дП, конструкц!)э 1 результати внМрювання потужност! УЗ опром1нення пац!ент1в д1агностичними сканерами, тералсвтичнш.ш випром1нювачами та 1найми УЗ медичними приладами.

7. Схему та результати експершентально! перев1рки ори-г1напьного ВЧ ватметра для вим1ршання споживано! електрич-но! потужност! п'езоперетворшач1в УЗ медичних прилад1в.

Особистий внесок дисертанта у розробку наукових результат^, що виносяться на захист. полягае в 1н1ц1сванн1 досл!д-ження УЗ сканер1в; анап!з1 тенденцШ 1х розвитку: в проведен^ оксперимент!в та 1х теоретичному узагальненн!; в одер-жанн! сп!вв!дношень, розробц! та налагоженн! програм для ПЕОН , виконанн1 розрахунк!в; розробц! експериментальних методик; розробц! рад1омотра 1 ВЧ ватметра; написанн! статтей для публ1кац!1 та зв1т!в по НДР.

ОСПОВНИЙ ЗМ1СТ РОБОТИ

У вступ1 обгрунтовуеться актуальн!сть теми дисертацП, формулюсться II мета.

В1дзначасться, що ставлсння до УЗ д!агностики на почат-ков1й стадП II внкористання як до повн!стю безпечно! для пац!слта зм!нилось стурбован!стю вчсних св!ту обстсженням

ваг1тних ж1нок 1 наст!йливою рекомендацию В003 переглянути 1снуючу пол!т1шу 1х обстежешш. Зоернено увагу на повТомления, що д1я УЗ на визначен! точки на поверхн1 нашого т1ла показала: больов1 рецептори в цих точках мають р1зко вираже-ний 1 ду*е низький пор!г збудження. Обговорюеться стан питания про безпечн1 р1вн1 УЗ опром!нюоання 1 вказуеться на в1дсутн1сть простих засоб1в контролю цих р1вней.

В зв'язку з цим зроблено анал!з'УЗ д1агностичних прила-д1в, показаних на трьох м!жнародних виставках "1Н-МЕД-93,94.95". Виявлено, що турбота про зменшення р!вней оп-ром1нення зумовлюе основн! тенденцП розвнтку УЗ сканер1в: 1) розширення д1лянок 1 зб1льшення частки використання приладь з механ1чним скануванням; 2) наближення п'езоперетво-рювача до досл!джуваного органу.

В перш!й глав! розв'язуються задач! знаходження акус-тичного поля, створюваного п'езоперетворювачем з електронним скануванням, користуючись моделями зб1гагчогося цил1ндрично-го хвильового фронту, • поля реш1тки л!н1йних елемент1в, поля л1н1йно! матриц! плоских елемент1в (за допомогои ПЕОМ).

УЗ пучок у такому п'езоперетворювач! формуеться за допомогои багатоелементно! л1н!йно1 матриц! п'езоелемент1в шляхом уведення пом!ж електричними сигналами, що подаються або зн!маються з окремих п'езоелемент!в, затримок. Вони .за: безпечують фокусування УЗ пучка в задан!й точц1, а в перпен-• ,дикулярн1й площин! фокусування зд!йснюеться за допомогою ци-л1ндрично! экустичноГ л1нзи. Перемикаючи затримки 1 зм!нюючи розм!р апертури п'езоперетворювача, можно отримати майже па-ралельний пучок, тобто пост!йну поперечну розд1льну здат-н!сть сканера по глибин! УЗ зондування. При цьоМу в.иникае задача розрахунку фокусник в1дстаней, момент1в перемикання апертури 1 П розм1р1в. Для 11 вир!шення в наближенн! К1рх-гофа одержан! анал1тичн! вирази для:

-рсзпод!лу акустичного тиску п^овж в!с! ъ зб!гах>чогося нес-•к!нчснного цил!ндричного хвкпьового фронту з початкЬвою апертурою Б:

lP.ii/Pf« Г- (1+2ч/Ы¥?р)){Ы/Ш)[<?гМ+5ггШРп. (1) де у = (я/4) •Кгр-(г0Я)'1 г0 = К р = 0//Й7 { - фокусна в!дстань; РГц - звуковий тиск у фокус!; С2М = С(/ 2чМ ); ^(у) - з;/ 2»/Л )•;

Я- 8-М1

1 I2 %

ЪсоьЫ-тг ЫЬ ■= С(х); 5б1п(л-2 )<Н = Б(х) -1нтеграли Френеля;

0 0' '

-довхинир фокально! зони на р1вн1 IРац/Рг ц1 = 0.707 :

2Лг0 * 6.9'Х(Ш)г; (2)

-довхини зсуву акустичного фокуса в1д геометричного:

гоа « 9.ШК4П; (3)

-ширин» пучка на р1вн! |РфЦ/РГ111=0.707 в фокапьн1й площин1:

2X0.707 * 0.89ШЛЭ). (4)

Формула (1) застосовуеться для \<0.8К2Р"

Показало, що цими простыми вираз амн можна користуватись для розрахунку реальних (обмежених) фокусуючих систем, якщо довжина Фронту задовольняе умов1:

■1

Н/Л? > 1.5. (б)

В цьому раз1 задовольняеться такох умова фокусування УЗ пучка за допомогою цил1ндрично! акустично! л1нзи в перпендикулярна площин!. Одержан1 анал1тичн! вирази для розрахунку тако! як опукло!, так 1 вгнуто! (абсрац1йио1 I безаберац1й-ноГ) л1нзи. За допомогою залропонованих в четверт1й глав1 засоб1в вим1рювань встановлено, що ефективн1сть безаберац1й-но1 л1нзи вдв1ч1 б1льиа, н1ж аберацШю!.

Для реш!тки N л!н1йн1х елемент1в, сфокусованих на в1дс-тань г=1 в ближн1й зон1, одерхано вираз для розпод1лу тиску в дов1льному напрямку:

Г- " е 11 Р(х,г) = p0cq/^/ х Е-. (6)

де Т = 0/(1Ы); /7x^7+? * гС1+((х-х1 )/г)г/2],

Ч - об'емна швидк1сть елемента на одиницю довхини.

Координата першого реш!точного максимуму в фокальнШ площин1: хР1 = ХГ/Т. (7)

Умова параксиалыюст! для ц1е1 модел1 мае вигляд:Х<Т. Розглянуто вплив тривалост1 УЗ 1мпульсу х з гаусовою формой огинаючо! на в1дносну величину р-го рсш1точного Максимума 1 одержано вираз:

1 Р в 1 д

А01 р IN

егГ

г 1Р1» \ ^ гих '

2Г0

(8)

де Г0 - частота механ1чного резонансу. 3 формули (8) видно, що р1вень максимум/ можно зменшити шляхом зменшення г.

Акустичне поле матриц1 плоских п'езоелемент1в обчислю-валось в наближенн! К1рхгофа соз(п,^)*1 на ПЕОМ по формул 1:

р пн иг и/г Ьо(4-Ь8]-К)/с) ... _п . . Р= — -Е 1«1х-2 1—--е Р о( ^

1-1 -1/2 о ^

* би-Ц^/с) с1у, к (9)

де ^ = / (х0-(х]+х))2+у2+220 - в1дстань в1д точки спостере-

ження з координатами (хс,ус =0.г0) до ¿-го елемента; х} - Т{2Л-Ы п-1)/2 -координата середини цього елемента; п,Н-к!льк1сть синфазно збуджуваних елемент1в 1 канал1в в фокусу-юч1й груп1 в1дпов1дно; Ь - ширина одного елемента; Н - дов-жина його; Т > Ь - в1дстань пом1ж центрами сус1дн1х елемен-

т1в; Цу = (1/с)(/ х2ц+Г2 - /XV?)'- затримка в час!, що

вводиться в ¿-ий елемент в1дносно 1 1 N елемент1в;

« (23-И-1)пТ/г - координата середини Л-Г групи, а I - Ш-1)/п]+1 - II номер (Л = 1 для крайньо! л!во! групи); хн = (N-1)пТ/2 - координата середини крайньо! справа групи; 6(1) - функц1я вмикання.

Обчислювались розпод1л тиску вздовж в1с1 г , та для ряда ф!ксованих ъ координата Хо-5 , в як!й тиск був в 2 рази менше, н1ж на в1с1, в залежност! в!д параметр1в матриц1. Показано, що:

1). Хо.БЦ) = хт1п/(Р(2)/Ртах)2 ; (10)

2) при Т/Х = 0.64 форма УЗ пучка наближаеться до форми зб1-гаючогося цил1ндричного хвильового Фронту, а при ТА = 4.6 п!сля фокуса в1н розходиться значно менше, н1ж за зад. .нами геометрично! акустики, зб1льшулчи довжину фокально! зони.

В перш!й глав1 приводиться посл1довний розрахунок акус-тичного поля п'езоперетворювача з ыехан1чним ' скануванням, який представляв собою к1льцеву реш!тку елемент!в, користую-

Л*

чись моделлю зб1гаючогося сферичного хвильового фронту, Ви-раз для розпод1лу акустичного тиску вздовк в!с1 мае вигляд:

— 1з1п(-^---(И)

р

' ас

р

'ос

2 1-^0

де (,0 = (2.-1)/! - в1дносна координата; Кр * пгб/1 - коеф1-ц1ент посилення тиску в фокус1; г0 - довжина ближньо! зони; Р00- тиск при ъ = 0. Границя застосування формулн (11) внз-начаеться умовою: б1п2((^/2) < (1-?,0)2/(4^0).

Одержан! наближен! анал1тичн1 вирази для: -зсуву акустичного фокуса в1дносно геометричного:

£ « 1/(1+К3р/12) ; . (12)

-довжини фокально! зони на р1вн1 |Рао/РГо |=0.707:

2гозяб * 7.1ШЛ))2.; (13)

-ширини пучка на р1вн1 |Рф с/Рг с|=0.707 в фокальн1й площин!: 2X0.707 * 1.02хая». (14)

Анал1"1ичн1 вирази (2,3,4) 1 (12,13,14) дозволяють легко знаходити компром1сне р1шення при вибор1 сп1вв1дношення м1ж поперечною розд1льнов здатн1стю 1 к1льк!стю ступен1в фоку-сування УЗ пучка.

В друг1й глав1 приводиться розрахунок електричних 1 акустичних параметр1в елемент1в п'езоперетворювач1в УЗ ска-р1в.

Для випадку одностороннього акустичного навантаження < Ъг ) п'езоелемента без узгоджуючих шар1в за допомогою р1внянь шестиполюсника одержан1 анал!тичн1 вирази для АЧХ активно! 1 реактивно! компонент вх1дного електричного 1мпе-дансу п'езоелемента :

• 2В1.ед. = ^^(П+Л-ШСо+гг^оМ, (Г)/г0), (15)

деМг(П = (Г0/П2НГШ, М,Ц) = (Г0/Г>2Н, (Г). (16)

, ' 1 ¡Ъг ч2 (1-соз(пГЯ0))2 Нг(Г)---\-±—) • -5-Ц-, (17)

Б1П(ПГ/Г0 ) (1+[ (1/2) • (Ъг/Ъ) -1]соз(ПГЯ0)) н (Г) - 1/2. -2—----Ч (18)

, Ъг, Ък - ~акустичн1 1шеданси п'езоксрам1ки. середовища 1

... \Л

ю

демпфера в1дпов!дно; Пп0 = (4к^1/(л»0С0))10/1г -оп1р втрат на

випром]нюпання в ссредовище (С0- статична емн!сть п'езоелет-

мента).

Для складно! системи, яка м1стить електричн1 схемн включения п'езоелеменга. сам п'езоелемент. два уэгоджуючих иара за допомогою А-матриць екв!валентних чот)фьохлолюсник!в одержан! в загальному вигляд1 вирази для АЧХ та на частот! Г0 коеф!ц1ент1в перетворення 1 комплексного вх1дного елект-ричного !мпедалсу. Наводяться приклади розрахованих для р!з-них випадк!в АЧХ по складен nporpai.il.

Для ц1б1 системи одержан! сп!вв1дношення теореми взаем-ност! в комплексному вигляд!: гВх.еЛ.= " (гг/(2А0))|Кп/К1) |ьхри(*„.»,)] . (19)

С0Б(ч>11-(рв) * (Сг! +г2> !КПКВ I / ), (20).

де |КВ I, |КП (. ч»в. «р,, - модул! 1 й^ъи коеф1ц1снт1в перетворення напруга тиск на границ 1 з середотщеи при вшрш!нюванн! 1 прийом!; Ъу, г2 - питом! !мпеданси демпфера ! середовища в1дпов1дно; 0 = 1; 0 = (гг/г3)г ; й = <г4/г3)г- у випадках в!дсутност! або наявност1 одного (з питомим 1мпедансом г3 > гг) або двох (з питомник [шгедансами г3 > г4) узгоджусчих чвертьхвильових шар!в в1дпов!дно. Точна р1вн1сть у (20) вико-нуеться при Г=Г0 - частот! механ1чного резонансу п'езоеле-мента.

Показано, що 1з (19) 1 (20) сл1дуе:

1КП1 = /СУХ • (21)

V

В друг!й глав! зроблено анал!з р1зних схем п!дключення п'езоелемент1в на основ! теорП зв'язаних контур!й.

На основ! формули (21) 1 теореми Найкв!ста одержано ви-раз для в1дношення сигнал-шум на виход1 системи:

N = 2Беф Ао / [кТ(Сг1 ) I, (22)

де к - стала Больцмана; А0. Т-ллощина 1 температура п'езоеле-мснта;

8вл = ?28вх (ю)К„г (юН№/|?Кпг ; Бвх((в) - енергетичний ®1 001

спектр вх1дного поливального тиску; со,, а^ - границ! полоси пропускания приймача.

Видно, що в1дношення (22) не заложить в1д парамстр!в електричних схем п!дключення.

В ц!й лее глав! посл!довно розв'язана задача про двоими! коливання полоскового п'езоелемента в иаближенн! зв'-

язаних коливань при р!зних в1дношеннях його ширини до товщи-ни (Р/10). Показало, що зв'язок коливань по товщин! 1 по ширин!, збудкуваних за рахунок продольного 1 поперечного п'езоефекта в1дпов!дно, мае пружний характер. Одержан! ви-рази для:

- коеф1ц!ента пружного зв'язку:

*пР = гс^з/^ззс^, -Л2), (22)

де сЕи ,СЕ13>СВ33 - справочн1 модул! пружност!; -частот власних коливань зв'язано! системи:

(м°2/2) { [1+Вг±/[1-В2]2+4апрВ)2 ]/2)1/г, (23)

де В = д1пУЕ1[/(Ьу|)2); я = 1,2,.- номер гармон!ки коливань по ширин!; v1г, vех - швидкост! розповсюдження коливань; -в1дносно1 ампл1туди косих пучк!в, значно зб!льшуючих р!вень бокових максимум1в зондуючого УЗ пучка, як! в сучасних сканерах в ряд1 випадк1в не повинн1 перевищувати -60 дБ:

А = (пг/щ)(2ваПг) , (24)

де П1,П2 - косф1ц1енти електромехан1чно! трансформацП I! II парц1альних систем в!дпов!дно; 2г,1вз - власний механ1чний оп!р II системи ! взаемний оп1р систем.

На основ! одержаних вираз!в проанал!зован! описан! в л!тератур1 експериментальн1 роботи, в яких спостер!гались, або могли спостер!гатися ефекти, зв'язан1 з двом!рн1стю коливань п'езоелемент1в, ! умови подавления косих пучк!в.

В трет1й глав! наводиться описания метод!в 1 результа-т1в екслериментальних досл!джень акустичних пол1в УЗ сканера, схем збудження пол!в, а також 1мпульсн! характеристики п'езоперетворшач1в. Вим!рювались парамет'ри УЗ скануючого пучка в сканер! по зображекнв розташованих в вод1 як одиночно! м1дно1 проволочки 0 0.3 мм, так ! ряда проволочок 0 1.5 мм тест-об'екта, для чого використовувалась шкала сарого.

Встановлено, що за умови N < /21/X (К - число канал1в

в фокусусч1й груп!, 1- фокусна в1дстань, Х- довжина хвил! у вод!) форма пучка на д!лянц1 наближаеться до форми зб!-гаючогося за законами геометрично! акустики пучка, а на д1-лянц! г>{ , значно б!лыа1й довжини фокально! зони, розб!ган-ня пучка набагато слабее, н1ж за тшм ж законаш. 0держан1 експериментально ! на ПЕОМ форми зб!гашъся.. Це явище в.дея-

них випадках дозволяв об1йтись без велико! к!лькост1 стуле-н1в динам1чного фокусувания i значно зненшити варт!сть УЗ сканера.

Обгрунтовало 1 використано олеративний метод визначення параметр1в елемент!в п'езоперетворювач'1в в процес! 1х виго-товления i експлуатацП по АЧХ вим!ряних складових вх1дного електричного 1мпедансу. Одержано вирази:

U2 cos'p-Uo/U, (J2 sin ч> Ra=R6--=-—-X=R<5--=-:---P.(25)

Ut sln4+(cosip-U2/Ui Г Uj sin 'f+(cosip-Ug/Uj f

де Re -onip резистора, Шдключеного посл1довно з п'езоеле-ментом; U,,U2- ВЧ напруга генератора 1 напруга на п'езоеле-мент1; ф- кут гсуву фаз пом1ж цими налругами. Одержанi сп!в-в1дношення для ви'д1леиня з АЧХ 1нформацП в!дносио парамет-р1в само1 п'езокерам1ки 1 1нших складових п'езоперетворюва-ча. Наводяться прикладИ ви'м1рювань з експерименталышми п'-езоперетворсвачами 1 1х пор1вняиня з теоретичними залеянос-тями. У випадку в!дсутност1 шар1в маемо гарний зб!г, а при иаявност1 - визначено характер в!дхилення в1д технолог!I ви-готовлення, в результат1 чого шар не дав потр1бного ефекта. Наводяться також експериментапьн1 АЧХ в запежност1 в1д в!д-ношення ширини п'езоелемента до його товщини (Ь/10) в !нтер-вал1 1.3<Ь/10<6.4. Поява двогорбост1 при Ь/10->1 св1дчить про■виникнення сильного зв'язку míя коливаннями по товщин1 Í. ширин1, що повн1сто в1дпов1дае запропонован!й в друг1й глав1 теоретичн1й модел1. Наводиться приклад компенсацП статично! емност! С0 реактивн1стю руху ненавантажено! п'езоёлектрично! пластини. Одержано умову компенсацП ц1е! реактивност! реак-тиви1стю навантаженого чвертьхвильового шару у вигляд1:

. де k3 - 23/z0, k2 - z2/z0. (26)

На ochobI сп1вв1дношения (21) запропоновано метод вим1-рювання опору втрат на випром!нювання, виклочаючий onlp втрат на коливання по ширин! п'езоелемента:

(Gzj + z2) UeI0 R и -1-1---t (27)

2zg Kc в p -^эб

де Ксер=1;Ь/УгХ;А()/(гх)-для випадк1в плоских, цил1ндричиих 1 сферичних хвиль; г/2- в1дстань пом!а п'езоелсментом 1 в!дбн-

вачем; 1)в10 - величина ехосигналу. в!дбитого плоскою гладкою поверхнею, а 1зб- ток збудження п'езоелемента. При вим1рюван-н! напруги збудження изб одержуемо гвх.вл. = изб/1з0, а отхе

X - /|гвх.в,|2 - Яа2 . (28)

Експериментально вивчались р1зн! електричн1 схеми Импульсного збудження 1 прийому ехосигнап1в окремими елемента-ми п'езоперетворювача . Встановлено, що в найб!льш роз-повсюджен!й схем! з ударним генератором для одержання макси-. мально! величини ехо-сигналу накопичуюча емнЮть мае бути:

Сн = 3 С0. (29)

Приводиться осцилограми збуджуючо! напруги 1 ехосигналу, як! деыопС1руйть вплив на них величини 1ндуктивност1 контура ударного генератора, тривалост1 ударного !мпульсу, присутност1 комутуючих д1од!в, узгоджуючих шар!в. Вим!рювана величина иехо сп1впадала з розрахованою по формул!:

ив10 - Еогшо|КвКп|(2Д(0/шо)К0вр/п. (30)

де Е0. X -ампл1туда 1 тривал1сть ударного !мпульсу; 2Аа)=щ2 -а)!.

В четвертой глав! приводиться: 1), теор1я, розрахунок 1 конструкц!я ориг!напьного в1льного поплавкового рад1ометра для вим!рювання акустично! потужност! як сфокусованих, так 1 несфокусованих УЗ пучк!в; 2) теория, розрахунок 1 схема оригинального ВЧ ватметра без активних елементНв для вимПрюван-ня споживано! п'езоелементом електрично! потунност!. Обидва прилади мають л!н!йну вихПдну характеристику. В неперервному' режим! випром1нювання п'езоперетворювача продемонстровано: в!дсутн!сть НнтерференцИ! прямо! 1 вНдбито! в1д поверхн! радиометра хвиль; що у випадку плоского перетворювача у контакт! з плоскоув1гнутою лПнзою ефективн!сть елНптично! л1нзи вдв!ч! бНльша, н1ж сферично!; що у.випадку сферичного перетворювача в УЗ пучЬк фокусуеться лише мала частина споживано! потужност!;- запежнПсть електрично! 1 сфокусовано! акустично! потужностей в!д частота збудження.

' ВИСН0В1СИ

1.Встановлено експериментально 1 шляхом розрахунку на ПЕОМ слабке розб!гання в ближний -зон! ёлектронно сфокусова-ного УЗ пучка, створюваного л!н!йною матрицею плоских п'езо-елементНв, 1 знайдено умову тако! повод!нки. Це в деяких ви-падках дозволяе обНйтись без ьатыЛ к!лькост1 ступен!в динамичного фокусування 1 значно зменшити варт!сть УЗ сканера.

2. Одернан1 сп1вв1дношення теореми взаснност1 в комплексному вигляд1 для пасивного чотирьохполюсника, який включав демпф!рований п'езоперетворювач, акустичн! узгодлсупч! шаря та електричн! схсни п!дключення р!зного типу. На !х основ!: запропоновано ориг!напьиий метод вюйрюваннп електрич-ного опору втрат на випром!ншання, виключаючий оп!р втрат на коливання по ширин! елемента; одержано вираз для в!дно-шення сигнал-шум 1 показано, що воно не заложить в1д пара-метр!в електричних схем. Складено ! налагоджено програму розрахунку АЧХ елемента на ПЕОМ. Одержано загальн! анап!тич-н! вирази коеф!ц!ент!в перетворення та комплексного елект-ричного 1мпедансу зазначеного вище чотирьохполюсника на частот! механ!чного резонансу п'сзоперетворювача. Ц1 результата придатн! як для розрахунку УЗ скаж?р!в з електронним 1 меха-н!чним снануванилы, так ! !нших медичних прилад!в: !нгалято-р1в, офтальмоскоп!в, л!тотриптор!в , прилад!в для х1рург!1 УЗ пучками, терапевтичних випром!н!овач1в.

3. Обгрунтовано,' запропоновано ! використано метод ви-м1рввання АЧХ комплексного електричного !мпедансу п'езопе-ретворшач1в сканер!в 1 1нш!х прилад1в, який дас можлив1сть оперативно контролювати технолог1ю хх виготовлепня ! визна-чати причини в1дхилення !х параметра в1д заданих. Показано, що теоретичн! 1 експериментальн1 результати зб!гаються.

■ 4. Одержано вираз для оц!нки ампл!туди косих пучк1в, пог1ршуючих як!сть УЗ зображеннп сканер!в 1 ефективн!сть фокусування сферичними п'езоперетворювачами, ! проакал1зова-но умови П зменшсння.

5. Запропоновано, розраховано 1 застосовано орлг1наль-ний простий лоплавковий рад!ометр для вим!ршання ! контроля акустично! патужлост! як сфокусованих, так ! несфокусованих УЗ пучк!в в медичних приладах.

6. Запропоновано, розраховано 1 застосовано ориг1наль-ний простий високочастотний ватметр без акт1шних елемент1в 1 з л!н!йною вих!дною характеристикой для вшЛрювання елёкт-рично! потуаност1, споживано1 п'езовипром!нювачем.

7. На основ! анал!зу УЗ сканер1в, представленнх на трь-ох м!жнародних виставках "1НМЕД-93,94,95", визначено основн1 тенденцП в розвитку проектування цих прилад!в: розширення д!лянок ! зб!льиення частей використання сканср1в з механ!ч-ним скануванням; наближення п'сзоперстворюпача до досл!джу-

ваного органу. i

Основы! положения робота в!дображен1 в сл1дуючих публ!-кац!ях:

1. Дидковский B.C., Найда С.А. О выборе оптимального соотношения между разрешением и числом зон динамической фокусировки при конструировании ультразвуковых диагностических сканеров // Вест. Киев. политехи, ин-та. Электроакустика и звукотехника. 1993. Вып. 17. С. ЗВ-42.

Дисертантом запропоновано метсд розрахунку фокусних в!дстаней, положения фокальних зон та Ix к1лькост! в залеж-HocTi в1д задано! поперечно! розд!льно1 здатност! УЗ сканера та одержан! вирази для розрахунку.

2.Альох1н В.О., Д!дковськин В. С., Найда С. А., Половина 0.1. 0собливост1 розрахунку схем вмикання ультразвукових датчик!в // Укра1нський журнал медично! техн!ки ! технологи. 1994. N 3.4. С. 30-34.

Дисертантом одержан1 анал!тичн1 вирази для розрахунку коеф!ц!бнт1в перетвореиня на частот! механ!чного резонансу п'езоелемента з урахуванням електричних схем вмикання.

3. Дидковский В. С., Найда С.А. Измерение параметров ультразвукового пучка медицинского эхоскопа// Укра!нський журнал медично! техн!ки 1 технолог!!. 1995. N 4. С.53-57.

Дисертантом одержан! сп!вв!дношення,проведен! експери-менти та зроблено ix теоретичне узагальнення.

4. Дидковский В.С., Найда С. А. 0 методе расчета фокальных зон при динамической фокусировке ультразвукового пучка. Киев, 1992. 9 С. //Деп. в УкрИНТЭИ 01.06.92, N 776-Ук92.

Дисертантом запропоновано метод розрахунку фокальних зон п'езоперетворювач!в УЗ сканер!в та одержан! сп!вв!дно-шення цього методу.

5. Дидковский B.C., Найда С.А. Линзовый безабепрацион-ный концентратор для локального измерения или возбуждения акустических полей в биологических тканях. Киев, 1992. 8 с. //Деп. в Укр ИНТЭИ 08.06.92, N" 839-Ук92.

Дисертантом одержан! анал1тичн! вирази для розрахунку безаберац!йних акустичних л!нз.

Найда С.А. Пьезоэлектрические преобразователи медицинских ультразвуковых сканеров.

Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.0В - Электроакустика и звукотехника, НТУУ "КПИ", Киев, 1996.

Теоретически и экспериментально исследуются акустические поля многоэлементных пьезопреобразователей и их электрические, электромеханические и акустические параметры. Получены аналитические выражения для: характеристик различных моделей поля; параметров преобразователя на частоте механического резонанса; амплитуды нежелательных косых пучков. Составлены и использованы программы расчета на ПЭВМ. Наблюдается совпадение теоретических и экспериментальных результатов. Предложены и использованы методы измерения параметров преобразователей, оригинальный радиометр и ВЧ ваттметр.

fJaida S.A. Piezoelectric transducers for medical ultrasound scanners (the manuscript).

The thesis for the obtaining the scientific degree of the candidate of technical sciences on the speciality 05.09.08 - Electroacoustics and soundtechnics, NTUU "KPI", Kiev, 1996.

Acoustic fields of multi-element piezoelectric transducers and their electric. electromechanical and acoustic parameters are investigated theoretically and experimentally. Analytical expression are obtained for characteristics of different field's models, transducer's parameters on the mechanical resonance frequency, amplitude of undesirable Inclined beams. Calculation programs for personal computer are created and used. Agreement between theoretical and experimental results are observed. Methods of measuring transducer's parameters. the original radiometer and the high-frequency wattmeter are proposed and used.

Ключов1 слова: ультразвукооий сканер, акустичне поле, хвильовий фронт, фокальна зона, п'езослснснт. електричний 1 акустичний 1мпсданси, косф!ц1енти перетворення, зв'язан! ко-ливання, п'еэоелсктричний псрстворкгоач.