3.2. Пьезоэлектрические устройства

В гл. 2 уже описано применение пьезоэлектрического эффекта в обратной задаче — генерации акустических полей. Важную роль он играет и в приеме акустических волн. Разработано множество конструкций пьезоэлектрических приемников, но большинство из них, по крайней мере применяемых в медицине, имеет форму тонкой пластины или пленки с параллельными поверхностями (либо плоской, либо сферической или другой подобной формы).

Для использования в диагностике в качестве приемников выбираются пластины, вырезанные таким образом, чтобы они могли работать на основном толщинном резонансе. Они же практически могут использоваться и в качестве излучателей или «прожекторов» в эхо-импульсных системах. Современный диагностический

преобразователь часто состоит из большого числа элементов, образующих одно- или двумерную решетку. Обычно используется согласованное по фазам соединение достаточного числа элементов таким образом, чтобы сформировать эффективную апертуру, равную по крайней мере 30 длинам волн в облучаемой среде, что является минимальным требованием для достижения удовлетворительной направленности (см. гл. 1). Элементы диагностического преобразователя обычно монтируются, например, с помощью эпоксидного компаунда, на акустически согласованной поглощающей звук подложке (тыльной нагрузке), чтобы сгладить резонансы, которые в противном случае возникнут под действием принимаемого акустического сигнала и вызовут потери в разрешающей способности. На практике внешнюю поверхность преобразователя часто покрывают одним или несколькими четвертьволновыми согласующими слоями (см. разд. 1.7.4) по аналогии с «просветлением» оптических поверхностей. Однако эта процедура несколько снижает положительный эффект тыльной нагрузки, так как вызывает неоднородности в частотной характеристике и накладывает ограничения на ширину полосы пропускания.

Не стоит рассчитывать, что преобразователь, изготовленный таким способом, будет иметь однородную чувствительность по своей апертуре. Реальная чувствительность даже одноэлементных преобразователей имеет существенные неоднородности с возможными провалами на периферии и нередкими аномалиями, связанными с непредсказуемыми дефектами в сцеплении согласующих и поглощающих слоев. Такие отклонения от «идеального» поведения изменяют диаграмму направленности приемника. В гл. 8 мы вернемся к обсуждению работы пьезоэлектрических приемников в диагностической аппаратуре.

Согласованность фаз на большой апертуре, необходимая для обеспечения высокого пространственного разрешения при получении изображения, становится главным недостатком при использовании преобразователя для количественной оценки принимаемой энергии независимо от направления ее прихода (например, при измерении коэффициентов затухания).

Такая проблема возникает при использовании фазочувствительного приемника для количественных измерений параметров распространения, например коэффициентов затухания, в таких средах, как ткани человека, в которых неоднородности коэффициента преломления могут заметно искажать падающий волновой фронт. В этой ситуации компоненты волны, падающие на различные точки преобразователя, могут взаимно компенсировать электрический отклик

преобразователя и тем самым недопустимым образом исказить измерение полной акустической мощности [6]. Это иллюстрация того, что к приемникам, предназначенным для получения изображений и для количественных измерений, могут предъявляться различные требования. В то же самое время это призыв к проявлению большой осторожности при количественной интерпретации акустических изображений.

Конструкторские требования к приемникам, предназначенным для использования в дозиметрии и измерениях свойств материалов, будут значительно отличаться от требований к приемникам, предназначенным для диагностического применения, особенно в отношении чрезвычайно высоких требований к чувствительности. В диагностике всегда выдвигается требование получения максимальной информации при заданной экспозиции, которой подвергается пациент. Для измерений свойств материалов или растворов в узкой полосе частот или некотором наборе частот хорошим приемником является кварц, несмотря на его относительно низкий коэффициент электромеханической связи. В то же время для таких измерений, которые требует дозиметрия (см. разд. 3.8), когда наиболее важны малые физические размеры и однородность частотной характеристики, удобно использовать пьезокерамические или пьезополимерные (из поливинилиденфторида) приемники в нерезонансных условиях.

Желаемые характеристики и методы калибровки миниатюрных пьезоэлектрических подводных приемников (гидрофонов), предназначенных для количественных измерений акустических полей в частотном диапазоне были предметом официального международного обсуждения и отражены в согласованных рекомендациях [17]. Хотя измерения сильно неоднородных полей в идеале требуют приемников с линейными размерами, много меньшими длины волны в исследуемой среде (например, для в воде), пока еще невозможно удовлетворить этому требованию без неприемлемых потерь в чувствительности. Вполне удовлетворительным компромиссом почти для любой реальной ситуации является чувствительный приемник диаметром около Разработано большое число таких приемников; некоторые из них выпускаются серийно: например, выполненные на основе пьезополимерных пленок [20] или пьезокерамических пластинок с толщинным резонансом около 30 МГц [21]. Они весьма полезны для изучения пространственной структуры полей, хотя последняя конструкция и имеет неоднородную частотную характеристику, частично из-за

Рис. 3.1а — Образцы акустических гидрофонов из растянутых пленок поливинил-иденфторида. Во всех образцах пленка растянута на жестком кольце с внутренним диаметром около 120 мм. Представлены три образца одноэлементных гидрофонов, зона чувствительности которых площадью находится в центре мембраны и создана областью перекрытия двух золотых электродов, напыленных в вакууме на обе стороны пленки.

радиальной моды колебаний пьезокерамического диска диаметром 1 мм, частота которой около 2 МГц. Поэтому более удовлетворительной кажется конструкция в виде натянутой поливинилиденфторидной пленки диаметром около 10 см, на которой чувствительная зона диаметром 1 мм создана напылением в вакууме пары электродов, расположенных напротив друг друга [35]. Образцы такого типа гидрофонов показаны на рис. 3.1. Важно знать направленность таких приемников; полезное введение в данную проблему приведено

Рис. 3.16 — Антенная решетка из 21 элемента, изготовленная по той же технологии. (С разрешения д-ра Р. С. Престона и Королевской национальной физической лаборатории.)

в работе [33]. Изучение акустического поля можно провести, прибегнув к механическому сканированию заданной области чувствительным элементом такого приемника или изготовив его в виде многоэлементной решетки, и, таким образом, сформировать очень практичную и точную измерительную систему.

Калибровка такого гидрофона производится в известных акустических полях, выбранных так, чтобы перекрыть интересующий диапазон частот, при этом амплитуды самих калибровочных полей должны быть выражены через основные физические величины, например массу, длину и время. Как показано в последующих

разделах этой главы, имеется несколько вариантов этой процедуры, но действующая рекомендация Международной электротехнической комиссии [17] основана на использовании для пьезоэлектрических преобразователей принципа взаимности. Существует также намерение Международной электротехнической комиссии в конце концов рекомендовать альтернативную процедуру, основанную на измерении радиационного давления (см. разд. 3.4), хотя пока еще нет уверенности, что подобные методы измерения в достаточной мере обоснованы и изучены, чтобы использовать их в официальных рекомендациях.