简述超声系统的架构和原理

典型的超声系统包括压电换能器、电子电路、图像显示单元和DICOM（医学数字成像和通信）兼容软件。典型超声系统的简化框图如下所示。

图 1.典型超声系统的简化框图

2.声波产生和传播的原理 超声换能器是超声系统的关键组成部分，由压电元件、连接器和支撑结构组成。压电效应是指某种材料的物理尺寸随施加的电场而变化的现象，反之亦然。如下所示，超声应用中的大多数换能器是双共模式。换能器在发射相（模式）期间将电能转换成机械能。产生的机械波向介质传播，若介质不均匀则会反射。在接收模式中，接收反射的机械波形并由换能器转换成电信号。

图2.换能器振动、声波传播和反射

在换能器被电子激励之后，会产生声波并在介质中传播。在医学超声中，FDA（食品药品管理局）要求所有成像系统满足瞬时、峰值和平均强度的限制。

我们通常将换能器灵敏度或换能器插入损耗（IL）定义为接收（Rx）和发射（Tx）信号幅度之间的比率，如下所示：  方程式1换能器频率由压电材料L的厚度和材料中的声速cm决定：    方程式2 

如前所述，常用的频率范围为1MHz至20MHz。基于上述方程式，较高频率的换能器需要较薄的材料。因此，构建极高频的换能器具有一定的挑战性。

换能器频率响应或带宽是另一个关键参数。作为一般规则，若换能器被脉冲信号（即短尖峰）激励，则接收回波的持续时间决定了换能器的带宽。具有极快响应（即短回波）的换能器是宽带换能器，反之亦然。在大多数应用中通常优选更宽的带宽。在相同的换能器频率下，宽带换能器可实现更好的轴向分辨率，因为回波长度决定了超声系统的轴向分辨率。与此同时，宽带换能器适用于谐波成像，在该成像模式下超声能量以基频发射，而图像由接收到回波的二次谐波来重建。如没有宽带宽换能器的情况下，换能器灵敏度在其谐波频率点2f0处显著下降。因此许多换能器研究人员不断探索新材料、新架构和新制造工艺以进一步改善换能器性能。

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