水聽器：響應(yīng)水中的信號，產(chǎn)生電信號的換能器

醫(yī)用超聲測量所用的水聽器一般有陶瓷針狀水聽器，PVDF針狀水聽器，PVDF薄膜水聽器，光纖水聽器幾種。

陶瓷針狀水聽器

陶瓷針狀水聽器通常由裝配在針狀或筆狀支撐架上的小圓形壓電陶瓷構(gòu)成，水聽器敏感單元采用聲吸收材料作為背襯，其尺寸接近支撐架直徑，直徑通常在0.5mm至1.5mm，信號電纜不可避免地回通過超聲場，這將引起靜電效應(yīng)的問題。

對1mm直徑敏感單元的陶瓷針狀水聽器，這些裝置的電纜末端開路靈敏度典型為0.7uV/Pa,在仔細(xì)設(shè)計(jì)后，起相對平坦的頻率響應(yīng)可達(dá)到6MHz。然而，一般而言徑向共振模式和背襯材料的回響通常導(dǎo)致0.5MHz至15MHz范圍內(nèi)，其頻率響應(yīng)的波動(dòng)為±10 。另外，大多數(shù)陶瓷針狀水聽器可達(dá)到的指向性響應(yīng)通常是無法預(yù)期的，可能與理論預(yù)期存在明顯差異。

PVDF針狀水聽器

PVDF:聚偏氟乙稀

PVDF針狀水聽器的外部結(jié)構(gòu)類似于陶瓷針狀水聽器，然而，敏感單元式聚合體PVDF。對1mm直徑敏感單元的PVDF針狀水聽器，其電纜末端（1m）開路靈敏度典型為0.12uV/Pa，共振頻率在25MHz以上。仔細(xì)設(shè)計(jì)的PVDF針狀水聽器具有平滑的頻率特性（±1.5 ）和可預(yù)期的指向性響應(yīng)，這些水聽器的有效直徑非常接近敏感單元的物理直徑。

PVDF薄膜水聽器

PVDF薄膜水聽器由繃緊在圓環(huán)框架上的PVDF薄膜制成，電極蒸鍍在兩個(gè)表面上，在極化之后其重疊的區(qū)域形成敏感單元，采用各種不同的設(shè)計(jì)，可對敏感單元提供不同的電屏蔽程度?；谏袭?dāng)薄膜的直徑足夠大，能夠確保超聲聲束穿越時(shí)，薄膜傳遞了絕大部分超聲。采用這種水聽器的設(shè)計(jì)，消除了在兆赫茲頻率范圍內(nèi)的徑向工振模式，展示了光滑的頻率響應(yīng)。典型而言，對1mm直徑的敏感單元，薄膜水聽器電纜末端開路靈敏度約為0.10uV/Pa，對0.025mm厚的PVDF薄膜其共振頻率約為40MHz,所有頻率點(diǎn)，包括低兆赫茲范圍內(nèi)中指向性響應(yīng)有大旁瓣的情況下，指向性響應(yīng)都是可預(yù)測的，，這類水聽器的有效直徑不同于敏感單元的物理直徑，并取決于接收信號的頻率。

光纖水聽器

在醫(yī)用超聲場的測量中已經(jīng)研發(fā)了光纖水聽器，與壓電針狀水聽器單元的情況一樣，調(diào)整光纖使其末端面垂直于聲傳播的方向。在這種配置下利用光纖非固有的而不是固有的傳感作用，此時(shí)其基本作用是在換能過程起始的尖端簡單地傳送連貫的光信號。研制了三種基本的設(shè)計(jì)，在反射的光信號和聲場之間建立聯(lián)系，在最簡單的處理中，劈開一根裸光纖形成正圓柱體。在另外兩種設(shè)計(jì)中，通過處理光纖的尖端，改進(jìn)后的靈敏度能夠達(dá)到壓電聚合體水聽器的水平，但其犧牲了設(shè)計(jì)簡單替換容易的優(yōu)點(diǎn)。在選則光纖水聽器時(shí)要考慮下列因素：

1：折射指數(shù)改變型的水聽器：例如光纖尖端，在最簡單的處理中，源于激光二極管的光線在裸露的末端面上耦合到多模式光纖，為了更好地近似，光的反射計(jì)算根據(jù)菲涅耳光強(qiáng)反射系數(shù)：

nc 纖芯的反射率。

nw水的反射率。

聲波中聲壓的波動(dòng)引起密度的變化，依次改變了折射率，結(jié)果表現(xiàn)為反射光強(qiáng)度的改變。能達(dá)到的最小可檢測聲壓是0.5MPa，但通過采用高強(qiáng)度光源或非常敏感的光電探測器可以檢測到更低的聲壓。光纖有高損壞閾值，但會被空化損壞，重新切割光纖不會影響靈敏度。另外一種折射指數(shù)改變型的水聽器，采用厚的玻璃塊而不是光纖尖端。

2：雙光束干涉計(jì)：為了增加測量靈敏度，光纖尖端使之鏡面，并與雙光束干涉計(jì)的測量臂一體化，尖端運(yùn)動(dòng)信號導(dǎo)致的光學(xué)相位改變正比于聲的位移，或在采用外差法時(shí)，與質(zhì)點(diǎn)振速成正比，這兩種方式都能夠計(jì)算出聲壓。

3：法布里—珀羅干涉計(jì)：作為替代光學(xué)上更加復(fù)雜的雙光束干涉計(jì)法，其靈敏度仍然優(yōu)于裸光纖法，在光纖末端附加一個(gè)FP腔就能夠構(gòu)成法布里—珀羅（FP）干涉計(jì)。當(dāng)光線向下發(fā)送到光纖，在光纖和腔體，腔體和負(fù)載（水）之間的界面發(fā)生光反射，光反射系數(shù)對無涂層的腔體表面，根據(jù)菲涅耳公式計(jì)算，或根據(jù)這些端面上金屬涂層的類型和厚度確定。目前在光纖水聽器中存在幾種失真源，需要對其進(jìn)行分析補(bǔ)償。另外在光纖方式中，已研制成了有感光底層的法布里—珀羅干涉計(jì)，這種傳感器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以使用陣列傳感器，從頻率響應(yīng)中排除了光纖本體的聲共振效應(yīng)。

一般根據(jù)特定的任務(wù)選擇特定的水聽器類型來進(jìn)行測量。一般選擇時(shí)應(yīng)該關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1：薄膜水聽器的頻率響應(yīng)比針狀水聽器的更加平坦。

2：陶瓷敏感單元的水聽器靈敏度通常高于相同直徑PVDF敏感單元的水聽器。

3：在薄膜水聽器情況下，在超聲場中薄膜形成了一個(gè)具有有限反射率的大的平面障礙物，超聲波反射的部分可能以連續(xù)的方式回到超聲換能器，以聲干涉的形式相互作用，在超聲換能器連續(xù)波激勵(lì)時(shí)尤其重要，盡管該效應(yīng)對測量的影響通常能夠忽略，但仍應(yīng)牢記該誤差源。所有類型的針狀水聽器，反射效應(yīng)均存在但其程度更低。