Методи розрахунку передавальних функцій широкосмугових пластинчатих п'єзоперетворювачів з перехідними шарами

В роботі розглядаються широкосмугові ультразвукові п'єзоелектричні перетворювачі для медичних діагностичних ехоскопів, ультразвукових терапевтичних апаратів, які широко використовуються для діагностики і лікування різних захворювань в медицині. Такі п'єзоперетворювачі забезпечують смугу частот, яка охоплює майже увесь робочий діапазон одночастотних електроакустичних перетворювачів, а саме, від 1,4 до 18 МГц для діагностичних приладів і від 1 до 3 МГц для терапевтичних приладів. Використання широкосмугових п'єзоперетворювачів значно розширює можливості ультразвукових приладів. Так, за допомогою сканера із смугою 4,5-18 МГц стає можливим отримання зображення каналу хребта, можливість чого до цього навіть не обговорювалася. А терапевтичні апарати стають більш ефективними, і при цьому, підвищується їх безпечність за рахунок виключення можливості утворення стоячих хвиль у широкосмуговому режимі. В роботі вибраний метод розширення смуги п'єзоперетворювача за допомогою акустичних шарів і електричних ланцюгів, та враховані особливості їх медичного застосування: навантаження п'єзоперетворювачів на середовище з малим хвилевим опором і великим загасанням – біологічну тканину і робота в ехо-режимі. В усіх згаданих вище застосуваннях широкосмугових п'єзоперетворювачів важливе значення набуває такий параметр, як їх передавальна функція, тобто відношення вхідного впливу до вихідного. Метою роботи є отримання виразів для передавальних функцій широкосмугових п'єзоперетворювачів різних конструкцій з одним або двома перехідними шарами. Розрахунок передавальних функцій п'єзоперетворювача виконано двома методами: методом хвильового рівняння, характерним для якого є необхідність розв'язання системи, що складається з значної кількості рівнянь навіть при невеликому числі перехідних шарів, і на основі А-матриць відрізку регулярної лінії. Показано, що два методи дають однакові розрахункові співвідношення, але другий є більш зручним для розрахунків.The work considers broadband ultrasonic piezoelectric transducers for medical diagnostic echoscopes, ultrasonic therapeutic devices, which are widely used for the diagnosis and treatment of various diseases in medicine. Such piezoelectric transducers provide a bandwidth that covers almost the entire operating range of single-frequency electroacoustic transducers, specifically 1.4 to 18 MHz for diagnostic devices and 1 to 3 MHz for therapeutic devices. The use of broadband piezoelectric transducers significantly expands the capabilities of ultrasound devices. With the help of a 4.5-18 MHz band scanner, it becomes possible to obtain an image of the spinal canal, the possibility of which has not even been discussed before. Therapeutic devices become more effective, and at the same time, their safety increases by eliminating the possibility of the formation of standing waves in the broadband mode. In this work, a method was chosen for expanding the band of a piezoelectric transducer using acoustic layers and electrical circuits, and the features of their medical application were taken into account: the load of piezoelectric transducers on a medium with low impedance and high attenuation – biological tissue – and operation in the echo mode. In all of the above applications of broadband piezoelectric transducers, the transfer function parameter becomes important, that is, the ratio of the input action to the output one. The purpose of the work is to obtain expressions for the transfer functions of wideband piezoelectric transducers of various designs with one or two transition layers. The calculation of the piezoelectric transducer transfer functions was carried out by two methods: the wave equation method, which is characterized by the need to solve a system consisting of a large number of equations even with a small number of transition layers, and on the basis of A-matrices of the regular line segment. It is shown that these two methods give the same calculated ratios, but the second method is more convenient for calculations

Методи експериментального дослідження широкосмугових п’єзоелектричних випромінювачів для медицини

У статті розглядаються методи експериментального дослідження широкосмугових ультразвукових терапевтичних п’єзоперетворювачів, і пристрої, які забезпечують ці методи. Широкосмуговий п’єзоперетворювач, який досліджується, має смугу частот від 1 МГц до 3 МГц, і складається з пластинчатого п’єзоелементу з великою механічною добротністю і коефіцієнтом електромеханічного зв'язку з одним перехідним шаром із дюралюмінію, і двома коригуючими електричними ланками. Метод контролю акустичного контакту з тілом пацієнта, який застосовується у вузькосмугових п’єзоперетворювачах, для широкосмугових не підходить, тому було розроблено високочастотний ватметр, який, разом із радіометром, призначений для контролю ефективності терапевтичної процедури в ультразвукових терапевтичних приладах нового покоління для контролю контакту і одночасного вимірювання споживаної електричної і випромінюваної акустичної потужності. В основу роботи високочастотного ватметра покладена спрощена схема множення через квадрування, яка не потребує додаткових джерел живлення. Радіометр для вимірювання випромінюваної акустичної потужності реалізований у вигляді вільного поплавка, що забезпечує високу чутливість радіометра та портативність конструкції. Наведені схема і співвідношення важливого, саме для широкосмугових перетворювачів, методу вимірювання і аналізу їх амплітудно-частотних характеристик. В процесі виготовлення або експлуатації п’єзопретворювачів можуть виникнути відхилення їх параметрів від розрахованих. В такому випадку необхідно провести вимірювання основних електричних параметрів. Для цього був розроблений метод двох вольтметрів та фазометра, який базується на отриманні та обробці ампітудно-частотної характеристики активної та реактивної компонент електричного імпедансу п’єзоперетворювача, який теж детально описаний в статі. Крім того, наводяться результати експериментального дослідження широкосмугового терапевтичного випромінювача за допомогою зазначених пристроїв, і на основі запропонованих методів.The article discusses methods of experimental research of broadband ultrasonic therapeutic piezo transducers, and devices that provide these methods. The broadband piezo transducer under investigation has a frequency band from 1 MHz to 3 MHz, and consists of a plate piezo element with a large mechanical quality factor and electromechanical coupling factor with one transition layer of duralumin, and two correcting electrical links. The method of monitoring acoustic contact with the patient's body, which is used in narrow-band piezo transducers, is not suitable for wide-band ones, so a high-frequency wattmeter was developed, which, together with the radiometer, is designed to control the effectiveness of the therapeutic procedure in ultrasonic therapeutic devices of the new generation for contact control and simultaneous measurement of consumed electrical and emitted acoustic power. The operation of the high-frequency wattmeter is based on a simplified quadrature multiplication scheme, which does not require additional power sources. The radiometer for measuring the radiated acoustic power is implemented in the form of a free float, which ensures the high sensitivity of the radiometer and the portability of the design. The scheme and ratio of the method of measurement and analysis of their amplitude-frequency characteristics, which are important for broadband converters, are given. In the process of manufacturing or operation of piezo transducers, deviations of their parameters from the calculated ones may occur. In this case, it is necessary to measure the main electrical parameters. For this, a method of two voltmeters and a phase meter was developed, which is based on obtaining and processing the amplitude-frequency characteristic of the active and reactive components of the electrical impedance of the piezo transducer, which is also described in detail in the article. In addition, the results of an experimental study of a broadband therapeutic emitter using the specified devices and based on the proposed methods are presented