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, )必須剛好等於該材質內超音波波長(Wavelength, )的一半。
公式推導如下:
- 晶體厚度為半波長:,即
- 聲波基本公式:頻率 (其中 為聲波在該壓電材料中的傳遞速度)
- 兩者結合可得工作頻率公式:
在此公式中:
- 為工作頻率,單位常以 MHz(百萬赫茲,即 Hz)表示。
- 為元件傳遞速度,若單位標示為 mm/μs,其數值等同於 km/s 或 mm/s。
- 為壓電元件厚度,單位為 mm。 因為 1 mm/μs 剛好對應 Hz 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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