113年:醫物幅安(2)

超音波換能器工作頻率為2 MHz時,下列何種組合最為正確?

A壓電元件厚度為3.0 mm,其元件傳遞速度為6 mm /μs
B壓電元件厚度為1.5 mm,其元件傳遞速度為6 mm /μs
C壓電元件厚度為2.0 mm,其元件傳遞速度為2 mm /μs
D壓電元件厚度為1.0 mm,其元件傳遞速度為0.5 mm /μs

詳細解析

本題觀念:

超音波探頭(換能器)產生超音波的原理基於壓電效應(Piezoelectric effect)。當給予壓電元件(如鋯鈦酸鉛 PZT 晶體)交流電壓時,晶體會發生形變並產生機械性震動,進而發出超音波。

壓電元件的「工作頻率(Operating frequency)」即為其「共振頻率(Resonant frequency)」。要產生最佳的共振效果,壓電元件的厚度(Thickness, tt)必須剛好等於該材質內超音波波長(Wavelength, λ\lambda)的一半。

公式推導如下:

  1. 晶體厚度為半波長:t=λ2t = \frac{\lambda}{2},即 λ=2t\lambda = 2t
  2. 聲波基本公式:頻率 f=cλf = \frac{c}{\lambda}(其中 cc 為聲波在該壓電材料中的傳遞速度)
  3. 兩者結合可得工作頻率公式:f=c2tf = \frac{c}{2t}

在此公式中:

  • ff 為工作頻率,單位常以 MHz(百萬赫茲,即 10610^6 Hz)表示。
  • cc 為元件傳遞速度,若單位標示為 mm/μs,其數值等同於 km/s 或 10610^6 mm/s。
  • tt 為壓電元件厚度,單位為 mm。 因為 1 mm/μs 剛好對應 10610^6 Hz \cdot mm,因此直接代入數值即可算出以 MHz 為單位的頻率。

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