3.doc

3.1.  ODDZIAŁYWANIE ULTRADŹWIĘKÓW NA TKANKI BIOLOGICZNE

    Intuicyjnie najprostszym oddziaływaniem pola ultradźwiękowego na tkanki jest oddziaływanie mechaniczne. Przez proste skojarzenie z potrząsaniem próbówki lub mieszaniem cieczy można wyobrażać sobie, że nieprzedawkowywane drgania mechaniczne powodują przyśpieszanie reakcji chemicznych w komórkach, procesów osmotycznych przez błony komórkowe, wzmożenie mikroprzepływów, cyrkulacji i agregacji cząstek [1]. Są to tzw. skutki bezpośrednie działania ultradźwięków, wykorzystywane jako dziedzina fizykoterapii [6].
    Drganiom mechanicznym tkanek towarzyszą tzw. efekty kawitacyjne. Kawitacja oznacza powstawanie pęcherzyków gazowych wskutek chwilowego obniżenia ciśnienia (np. w czasie trwania "ujemnej połówki" ciśnienia fali ultradźwiękowej. Powstałe pęcherzyki potrafią łączyć się i osiągać rozmiar powodujący rezonans mechaniczny z falą ultradźwiękową, co może prowadzić do nawet stukrotnego chwilowego wzrostu średnicy pęcherzyka w stosunku do jego rozmiaru w stanie równowagi. Gdy amplituda drgań staje się zbyt duża pęcherzyk zapada się, generując niszczącą falę uderzeniową z ekstremalnie wysoką lokalną temperaturą (104 K) i uwalnianiem aktywnych, szkodliwych rodników [4]. Niekontrolowana kawitacja jest więc bardzo groźnym efektem dla żywotności tkanek
    Absorpcja energii fali ultradźwiękowej w tkankach powoduje wytwarzanie w nich ciepła. Nietrudno skojarzyć, że wielkość efektów cieplnych zależy od miejscowej koncentracji mocy fali czyli natężenia akustycznego w danym obszarze tkanek,  czasu napromieniowywania, charakterystyk tłumienia tkanek i przewodności cieplnej otoczenia. Najgorsza sytuacja wystąpić może np. przy ciągłym, zogniskowanym napromieniowywaniu tego samego fragmentu silnie tłumiącej kości, otoczonej tkanką słabo przewodzącą ciepło i położonej blisko głowicy ultradźwiękowej. Mnogość czynników warunkujących ewentualny, niebezpieczny  wzrost temperatury tkanek jest poważnym problemem przy wyznaczaniu warunków bezpiecznego stosowania zwłaszcza długotrwałych badań i terapii ultradźwiękowej.
    Jako badania, w których zaleca się szczególną ostrożność ze wzglądu na efekty termiczne, wymieniane są stosunkowo długotrwałe badania dopplerowskie naczyń obwodowych oraz badania przepływu krwi w pępowinie i płodzie. Szerzej mechanizm termiczny omówiony jest np. w [1] i [4].

3.2.  BEZPIECZEŃSTWO BADAŃ

     Odpowiedzialność za bezpieczeństwo badań spada w zasadzie na lekarzy prowadzących diagnostykę. Trudno jednak pozostawić ich bez podstawowych przynajmniej informacji związanych z możliwościami energetycznymi (a zatem potencjalnymi zagrożeniami) przy wprowadzaniu poszczególnych nastaw używanej aparatury.
W wyniku długotrwałych badań i uzgodnień ustalono wykres przedstawiający bezpieczne natężenia ultradźwięków w funkcji czasu nadźwiękawiania [4]. Wynika z niego, że szkodliwe bioefekty nie występują  dla szczytowych natężeń uśrednionych w czasie (oznaczanych jako ISPTA) mniejszych od 100mW/cm2 oraz dla czasów nadźwiękawiania t, dla których iloczyn  ISPTA * t jest mniejszy od 50J/cm2. Ponieważ nie sposób obarczać lekarzy pilnowaniem tej normy, dopuszczono, by każdy z ultrasonografów dysponował możliwością wytwarzania natężenia ISPTA = 720 mW/cm2  , a informacje o bezpieczeństwie przekazywać użytkownikom aparatury w postaci  wyświetlanych na zobrazowaniach wskaźników.

I tak, w celu oszacowania możliwych negatywnych efektów mechanicznych zdefiniowano tzw. wskaźnik mechaniczny (Mechanical Index) [4]:

,

gdzie: CMI=1 MPa MHz-1/2, Pr,a=Pr 10-0,015fz, f jest częstotliwością fali w MHz, z odległością od przetwornika, Pr maksimum przeliczonej wartości szczytowej ujemnej amplitudy ciśnienia w MPa.
    Wskaźnik ten informuje o możliwości wystąpienie mechanicznych bioefektów, zwłaszcza kawitacji. W okulistyce nie może przekraczać 0,23, zaś w pozostałych badaniach 1,9. Obliczana wartość wskaźnika jest pewnym kompromisem między zawiłością modelu tkankowego, a użytecznością (nie wymaga wprowadzania rodzaju tkanki). Jego poprawne obliczenie jest zmartwieniem producentów, a jego wartość zależy od aktualnie nastawionych parametrów aparatury. Wyświetlanie wskaźnika jest konieczne, gdy aparatura daje możliwość uzyskania wartości  powyżej 1, a w  aparatach okulistycznych - zawsze.

Dla oszacowania potencjalnego wzrostu temperatury w poszczególnych punktach tkanki zdefiniowano natomiast tzw. wskaźnik termiczny TI (Thermal Index) [4]:

 ,

gdzie: P0 jest akustyczną mocą wyjściową dla wybranych warunków badania, Pdeg jest szacunkową mocą potrzebną dla podwyższenia temperatury tkanki o 10, obliczoną na podstawie modeli termicznych dla różnych tkanek [4], w związku z czym istnieją oddzielne wskaźniki dla kości TIB (Bone TI), kości czaszki TIC (Cranial-bone TI), okulistyki TIO (Ophthalmic TI), tkanek miękkich TIS (Softtissue TI). Wyświetlanie wartości tych wskaźników jest konieczne, gdy przy niektórych nastawach wartości te mogą przekroczyć 1.
Należy podkreślić, że wskaźniki TI i MI zostały tak zdefiniowane, że prócz natężenia pola ultradźwiękowego uwzględniają całkowitą energię wyjściową, mody i kształt wiązki, pozycję ogniska, częstotliwość środkową sygnału sondującego, kształt fali, częstotliwość powtarzania transmisji, a więc oprócz czasu badania praktycznie wszystkie czynniki mające wpływ na powstawanie ewentualnych zagrożeń [4].

Dla użytkownika aparatury pozostaje zatem zalecenie, by wszystkie badania rozpoczynać od nastaw aparatury dających minimalną wartość wskaźników, np. 0,4 (prócz ultrasonografów okulistycznych) i, w razie konieczności, podwyższać nastawy do poziomu dającego zadowalające zobrazowania. Należy też ograniczać czas badań do niezbędnego minimum.
Rozdziały dotyczące bezpieczeństwa badań są zamieszczane w każdej z książek traktujących o ultrasonografii, przy czym z punktu widzenia inżynierskiego najobszerniej, łącznie z dyskusją sposobów pomiaru i znaczenia różnie definiowanych wartości natężeń pola (ISPTA, ISATA, ISPPA), problemy te są przedstawione w [4].

4.  PRZETWORNIKI I GŁOWICE ULTRADŹWIĘKOWE

    Przetworniki ultradźwiękowe są najbardziej specyficznym (i podobno najdroższym) elementem aparatury ultradźwiękowej we wszystkich jej zastosowaniach. W szczególności, w ultrasonografii, terapii ultradźwiękowej i zastosowaniach pomocniczych, o których była mowa we wstępie, wykorzystywane są chyba wszystkie istniejące konstrukcje i technologie przetworników oraz ich zespołów, zwanych w ultrasonografii głowicami. Ich specyfika, jako elementów elektromechanicznych, nie jest znana ogółowi elektroników (i w ogóle mało popularna), dlatego różne jej aspekty należy dość szeroko przybliżyć.
    Rozpocząć wypada od fenomenologii efektów strykcyjnych, stanowiących podstawę działania przetworników, a tłumaczonych teorią domen magnetycznych i elektrycznych (np. [8] lub podręczniki fizyki). Otóż niektóre materiały posiadają tę właściwość, że pod wpływem pola magnetycznego lub elektrycznego zmieniają swe wymiary. Na pole magnetyczne reagują magnetostryktory, (żelazo, nikiel, kobalt), zaś na pole elektryczne elektrostryktory, np. kwarc ale też niektóre sole - tytanian baru (techniczna nazwa BAT), cyrkonian ołowiu (PZT) - z których można tworzyć ceramiczne kształtki, a prócz tego siarczki kadmu i cynku, tlenek cynku, azotek glinu - materiały nadające się do wykonywania przetworników bardzo wysokoczęstotliwościowych metodami cienkowarstwowymi oraz monokryształy - niobian i tantalan litu, z których wykonuje się również przetworniki na bardzo wysokie częstotliwości (rzędu 50 MHz np. dla ultrasonografii skóry [4]). Efekt elektrostrykcji wykazują  także niektóre polimery, np. poliviliden fluoru (PVDF) o niskiej impedancji akustycznej, zapewniającej dobre dopasowanie np. do tkanek, lecz charakteryzujący się, niestety, niską sprawnością przemiany elektromechanicznej.
    Na co dzień najczęściej z efektem strykcyjnym, a dokładniej ze zjawiskiem magnetostrykcji, spotykamy się obok "mruczących" stacji transformatorowych. Mimo bowiem wysiłków w celu wprowadzenia maksymalnego, statystycznego "bałaganu" wśród domen magnetycznych w blachach transformatorowych (przez wyżarzanie tych blach) szczątkowe uporządkowanie pozostaje i jest przyczyną mechanicznych drgań rdzeni transformatorów.
Naturalnie istniejący efekt strykcyjny jest nieliniowy: powstające w materiale naprężenia (i, zgodnie z prawem Hooke'a, wychylenia) są proporcjonalne do kwadratu natężenia pola. Jeśli jednak do materiału wprowadzić odpowiednio duże pole zewnętrzne lub wstępne naprężenie zjawisko staje się liniowe i dla takiej sytuacji zarezerwowana jest nazwa efekt piezo -magnetyczny lub -elektryczny.
    Rzadko spotyka się fizyczną interpretację różnic między efektem strykcyjnym i piezo, jesteśmy bowiem przyzwyczajeni do znanych z kursów fizyki liniowych postaci (odpowiednich dla efektu piezo) wektorowych wyrażeń na siły występujące przy przepływie prądu lub oddziałujących na ładunek elektryczny:

Fm = il x B (prawo Ampera),  Fe = qE (definicja natężenia pola elektrycznego).

W wyrażeniach tych z góry występuje jednak zewnętrzne pole magnetyczne B lub elektryczne E. Jeśli jednak nie ma zewnętrznego pola, a siły powstają wskutek istnienia efektów samoindukcji (np. dla pobudzanej cewki na rdzeniu ze stali miękkiej - bez pozostałości magnetycznej,  lub dla przyciągających się okładek kondensatora) w miejsce wektorów pola zewnętrznego należy wstawić:      lub      ,   (A - powierzchnia okładki) i wówczas:

Fm ~ i2           i       Fe ~ q2,

co jest charakterystyczne dla efektu strykcyjnego.
    Te wyjaśnienia fenomenologiczne i nomenklaturowe porządkują pewne niejednoznaczności istniejące w nazewnictwie materiałów, choć nie do końca, bo np. dla ceramiki używana jest często "ferroelektryk" przez analogię do wcześniej opanowanych technologicznie, a wykazujących efekt strykcyjny ferromagnetyków mimo, że w składzie chemicznym ceramiki BAT lub PZT nie ma śladu żelaza.
    Obecnie materiały piezoceramiczne wyparły prawie całkowicie piezomagnetyki, głównie chyba dlatego, że w przetwornikach wykonywanych z metali indukują się prądy wirowe ograniczające częstotliwościowy zakres ich stosowania do ok. 50kHz. Co ciekawe, przetworniki piezomagnetyczne zniknęły z urządzeń przemysłowych i hydroakustycznych, działających poniżej tej częstotliwości, i to mimo istotnych przewag (związanych z prostotą budowy i sposobu pobudzania takich przetworników) nad piezoceramiką. Dalsze rozważania zostaną ograniczone zatem do "zwycięskiej" grupy materiałowej. Szerokie uzupełnienie tych rozważań można znaleźć w książce nestora polskiej akustyki, nieżyjącego już niestety, profesora Zenona Jagodzińskiego "Przetworniki ultradźwiękowe" [8], zawierającej wiele cennych informacji dotyczących technologii, zasad działania i szczegółowych metod pomiarowych przetworników.
    Nietypowe rozwiązania głowic ultradźwiękowych bywają stosowane w litotrypach, bowiem używa się tu, np. elektromagnetycznych generatorów akustycznej fali uderzeniowej. Wytwarzanie fali polega tu na rozładowaniu przez cewkę wielkiego ładunku elektrycznego (ze źródła kilkunastokilowoltowego).  W otaczającej cewkę cylindrycznej, metalowej membranie wskutek zaindukowanych prądów wirowych tworzą się naprężenia, wywołujące drgania radialne cylindra. Drgania te są ogniskowane przez półparaboidalną, metalową czaszę (reflektor) otaczającą cylinder [11]. Istnieją jednakże również bardziej typowe głowice, w których wiele kształtek piezoceramicznych jest rozłożonych na powierzchni półparaboidy.

4.1.   TECHNOLOGIA WYKONYWANIA PRZETWORNIKÓW (KSZTAŁTEK) PIEZOCERAMICZNYCH
 

    Kształtki piezoceramiczne są najpowszechniej stosowanymi elementami głowic aparatury ultradźwiękowej. "Popularność" ta bierze się z możliwości ich wykonywania w różnych rozmiarach i kształtach, oczywiście  z pewnymi ograniczeniami, wynikającymi z technologii wytwarzania. Nazwa "ceramika" sugeruje podobieństwo tej technologii do produkcji np. porcelany, i jest tak w istocie.
W pewnym uproszczeniu można bowiem powiedzieć, że proces produkcyjny kształtek rozpoczyna się od dokładnego wymieszania (np. w młynach kulowych) we właściwych proporcjach jak najdrobniej zmielonych kryształków PZT i/lub BAT ze sproszkowanym lepiszczem. Wymieszane proszki trafiają do stalowej formy o odpowiednim kształcie i są ściskane w prasie hydraulicznej. Z formy wyjmuje się dość trwałą mechanicznie kształtkę. Kształtki trafiają do pieca indukcyjnego, gdzie są wypalane w temperaturze rzędu 1400oC i potem powoli studzone. Rozgrzane do temperatury wyższej niż punkt Curie dla danej ceramiki (rzędu 300oC) muszą być odpowiednio (ortogonalnie do przewidywanej płaszczyzny drgań) usytuowane w komorze, w której wytworzone jest silne pole elektryczne porządkujące domeny. Po ostygnięciu poniżej temperatury Curie uporządkowanie domen zostaje "zatrzaśnięte" i ceramika staje się piezoceramiką. Po ostatecznym ostygnięciu kształtki są poddawane wstępnym pomiarom, mogą ewentualnie zostać oszlifowane i można na ich powierzchnie napylić elektrody (o ile zamiast elektrod metalizowanych nie przewiduje się stosowania klejów przewodzących).
    Głównym ograniczeniem w tej technologii jest to, że przynajmniej jeden wymiar kształtki nie może być większy niż kilka milimetrów. Wynika to z konieczności zapewnienia odpowiednich warunków w miarę równomiernego procesu stygnięcia kształtki tak, by nie powstawały zbyt wielkie, nierównomierne i niekontrolowane naprężenia wewnętrzne w kształtce, wprowadzające szkodliwe mody drgań kształtki i zmniejszające jej wytrzymałość wewnętrzną. Sprytni wytwórcy porcelany rozwiązali ten problem wmówiwszy klientom, że porcelana jest tym wartościowsza, im cieńsza. W przypadku przetworników dla licznych, niskoczęstotliwościowych zastosowań chciałoby się, by kształtki były grube, duże i jednorodne, jednakże powyższego ograniczenia nie daje się pokonać bezpośrednio i trzeba je pracowicie zwalczać innymi sposobami, przedstawionymi dalej.
    Innym zmartwieniem technologicznym jest powtarzalność parametrów kształtek, wymagana np. w przypadku zamiaru ich zastosowania w głowicy wieloelementowej. Powtarzalność ta może być psuta właściwie w każdym momencie procesu technologicznego - od mielenia kryształków, przez mieszanie, ściskanie, reżimy temperaturowe przy wypalaniu i studzeniu (w tym np. umiejscowienie kształtki na "gąsienicy" przejeżdżającej przez piec), aż po warunki porządkowania domen. W praktyce w wielu wypadkach nie sposób utrzymać wymaganą powtarzalność i pozostaje selekcja kształtek gwałtownie (nieraz kilkunastokrotnie) wpływająca na ich cenę lub, jeśli to możliwe, jeszcze droższe, uciążliwe doszlifowywanie twardej ceramiki.
    Bardzo wysokoczęstotliwościowe przetworniki, stosowane na częstotliwościach rzędu 100MHz wykonywane są w innych technologiach - z piezoelektrycznych monokryształów, polimerowych folii piezoelektrycznych, a pracujące jeszcze wyżej - w technologiach cienkowarstwowych [7].
 

4.2. REZONANS MECHANICZNY KSZTAŁTEK

    Każda w zasadzie regularna bryła wykonana ze sprężystego materiału posiada rezonanse mechaniczne i, co ciekawe, w mechanice, przy pewnych staraniach, można uzyskać dobroci nieosiągalne w "czystych" obwodach elektronicznych. Stąd biorą się powszechne zastosowania w elektronice filtrów ceramicznych czy kwarcowych (o dobroci rzędu 105).
    Ze względu na sprężystość postaciową ciał stałych bryły drgają całą swą objętością.  Stosując specjalne kształty brył, a przede wszystkim odpowiednio ukierunkowaną wstępną polaryzację kształtki można jednak osiągać preferencję drgań na wybranych kierunkach. Najczęściej stosowanymi, zwłaszcza w ultrasonografii przetwornikami są okrągłe lub prostokątne płytki piezoceramiczne (rzadziej czasze), drgające w kierunku prostopadłym do powierzchni naniesionych elektrod. Takie drgania dla płaskich kształtek zwane są w skrócie  drganiami tłokowymi. Zakłada się bowiem równomierny rozkład wychyleń na całych powierzchniach płytek, a sprawdzenie stopnia zgodności tego założenia z praktyką najłatwiej sprawdzić mierząc charakterystykę kierunkową w polu dalekim kształtki, o czym była mowa w punkcie 2.4.
    Kształtki piezoelektryczne drgają przy pobudzeniach zmiennym polem elektrycznym (zmianami ładunków na elektrodach), przy czym amplituda drgań staje się  maksymalna, gdy częstotliwość pobudzeń pokrywa się z częstotliwością rezonansu mechanicznego kształtki. Kształtka pobudzona impulsem (najlepiej ostrym uskokiem napięcia potem łagodnie opadającego) drga również na częstotliwości rezonansowej, a obwiednia drgań rośnie i opada z prędkością zależną od dobroci mechanicznej samej kształtki, obudowy i od obciążenia mechanicznego drgającego układu.
    Miarą sprawności przemiany pobudzającej energii elektrycznej na mechaniczną jest tzw. współczynnik sprzężenia elektromechanicznego kt wyrażany zwykle w procentach, a definiowany jako stosunek energii przetworzonej do dostarczonej ([4], a obszernie [8]). Współczynnik ten osiąga oczywiście maksymalną wartość, gdy przetwornik pracuje w rezonansie.
    Warunki drgań rezonansowych istnieją wtedy, gdy na powierzchni kształtki mogą wystąpić strzałki wychyleń, tzn. gdy  w którymś przekroju kształtki "odkłada się" dokładnie połowa fali wywołanej pobudzeniem harmonicznym. Jest to tzw. rezonans podstawowy, bowiem kształtki, głównie gdyby nie straty wewnątrz materiału, mogłyby w zasadzie równie dobrze drgać na częstotliwościach harmonicznych. Np. w ceramice PZT dla 5MHz długość fali wynosi 0,87mm, a więc grubość kształtki dla rezonansu podstawowego wynosi ok. 0,45mm [4]. Dla 250kHz grubość ta wynosi zatem ok. 9mm i jest to, ze wspomnianych wyżej względów technologicznych, prawie maksymalna grubość przetwornika w kształcie płytki. Z kolei dla częstotliwości wysokich, rzędu 25MHz, kształtki stają się bardzo cienkie - poniżej 0,1mm, a więc delikatne i w związku z tym trudne technologicznie.
     Należy uważać, by wymiary kształtek prostopadłościennych nie były wzajemnie całkowitymi wielokrotnościami, bowiem w przeciwnym wypadku mogą wystąpić dwa lub trzy rezonanse naraz (np. jeden podstawowy i dwa na częstotliwościach harmonicznych, związane z dwoma innymi wymiarami kształtki), co spowoduje, że drgania kształtki nie będą tłokowymi, a przyjmą zawiłą postać modalną.
    Aby uzyskać niższe częstotliwości rezonansowe kształtek należy je wykonywać w formie cienkich słupków, które niestety mają spore tendencje do drgań modalnych. Można też wykorzystywać tzw. rezonans radialny w kształtkach cienkościennych cylindrów (przetworników rurkowych), gdzie pół długości fali w rezonansie równe jest średniemu obwodowi kształtki, lub wykonywać tzw. przetworniki warstwowe (ang. sandwich). Bryła drgająca takiego przetwornika warstwowego (wcale przy tym nie cienkowarstwowego) składa się z okrągłej na ogół płytki piezoceramicznej z przymocowanymi do niej po obu stronach metalowymi cylindrami, w sposób zapewniający współdrganie całego układu. Wówczas połowa długości fali w rezonansie związana jest z wymiarem całego układu kształtki i cylindrów, z uwzględnieniem różnych prędkości propagacji fali w ceramice i metalach. Do niedawna jedynym sposobem łączenia elementów "sandwicha" było skręcenie śrubą przechodzącą przez otwory w osi elementów. Śruba musiała być na tyle potężna, by wytrzymała wstępne naprężenie układu gwarantujące statyczne ugięcie kształtki ceramicznej przynajmniej do spodziewanej amplitudy drgań. To wstępne naprężenie gwarantowało chęć nadążania powierzchni cylindrów za skurczami kształtki podczas wymuszanych elektrycznie drgań. W czasie wymuszanych rozkurczów śruba musiała też wytrzymywać dodatkowe naprężenia. Można sobie wyobrazić, że warunkiem technologicznym wykonania udanego "sandwicza" stawała się w pierwszym rzędzie równoległość oraz gładkość stykających się powierzchni kształtki i cylindrów, oraz że drgania powierzchni takiego układu niekoniecznie były czysto tłokowe. Zmartwienia te odpadły od czasu opracowania dostatecznie wytrzymałych przewodzących klejów łączących elementy "sandwiczy", co zaowocowało spadkiem ceny ich wykonywania a więc i rozpowszechnieniem. Obecnie przetworniki takie wykonuje się z dwiema przeciwnie spolaryzowanymi, sklejonymi kształtkami piezoceramicznymi wprowadzając połączenie "gorącego" przewodu pobudzającego między kształtki - izolatory, a przewodem masowym łącząc cylindry. W ten sposób uzyskuje się pewne bezpieczeństwo zasilania "sandwicza", pobudzanego niekiedy kilowoltowymi impulsami lub ciągłymi przebiegami.
Poświęcenie przetwornikom warstwowym powyższego, obszernego akapitu jest uzasadnione tym, że są one elementami powszechnie stosowanymi w niskoczęstotliwościowych, zwłaszcza wysokoenergetycznych urządzeniach także stosowanych w medycynie, np. narzędziach (wraz z koncentratorami), płuczkach do czyszczenia i dezynfekcji narzędzi, aparatach do wytwarzania aerozoli (wraz z lustrem akustycznym lub soczewką, by w ognisku efektywniej wytwarzać "fontannę ultradźwiękową").
    Warto też wspomnieć o kształtkach piezoceramicznych drgających na częstotliwościach akustycznych (buzerach) wykorzystywanych w systemach alarmowych jako bardzo efektywne źródła dźwięku. Ponieważ są to kształtki bardzo cienkie więc wydawałoby się na pozór, że nie mogą posiadać rezonansu na częstotliwościach akustycznych i sprawnie przetwarzać elektryczną  energię pobudzeń na wysokie poziomy natężenia dźwięku. Jest to jednak możliwe, bowiem kształtki takie drgają giętnie, z dużymi amplitudami wychyleń, podobnie jak blaszki w harmonijkach ustnych lub harmoniach czy akordeonach. Duże amplitudy drgań takich ustrojów akustycznych, mimo "przepaści impedancyjnej" między materiałem kształtek a powietrzem, wymuszają efektywną przemianę elektroakustyczną.
    Prócz częstotliwości rezonansowej istotnym parametrem jest dobroć przetwornika, od niej bowiem zależy sprawność przemiany energii, kształt obwiedni promieniowanych sygnałów ale, może przede wszystkim, zdolność do generacji i odbioru szeroko stosowanych w ultrasonografii sygnałów szerokopasmowych, niosących siłą rzeczy więcej informacji niż sygnały wąskopasmowe. Dobroć po stronie widmowej definiowana jest dla przetworników, podobnie jak dla filtrów elektrycznych, na kilka sposobów - na przykład jako stosunek szerokości pasma, gdzie ciśnienie wytwarzanej fali akustycznej spada o 6dB w stosunku do maksymalnego (w rezonansie), do częstotliwości rezonansowej. Dla nieobciążonych kształtek piezoceramicznych (np. w powietrzu) dobroć ta jest trudnomierzalna, bo wynosi kilkaset lub kilka tysięcy. Kształtki mierzone w wodzie miewają dobroć rzędu kilkunastu, jednak, jeśli trzeba, można ja zmniejszać stosując tłumiące obciążenie po stronie, gdzie nie chcemy promieniowania (tył kształtki) a z przodu stosując ćwierćfalową warstwę dopasowującą impedancyjnie ceramikę kształtki do ośrodka (np. do tkanek, czyli - z punktu widzenia impedancyjnego - wody) lub kilka takich warstw. Wykonuje się je z materiałów o impedancjach akustycznych pośrednich, np. z pleksi, żywic epoksydowych, poliuretanu, zaś jako warstwy tłumiące (absorbery), które również muszą być dopasowane impedancyjnie lecz silnie stratne, stosuje się m. in. mieszaniny żywic epoksydowych z opiłkami metali, np. wolframu, aluminium. Dopasowanie impedancyjne przetwornika z przodu i obciążenie stratne z tyłu sprzyja oddawaniu znacznej części energii drgań z kształtki co oznacza spadek dobroci. Wiele rozważań dotyczących akustycznego dopasowania przetwornika do obciążenia można znaleźć w [5].

Obszerne opisy fenomenologii drgań brył oraz zagadnień dotyczących sprawności przemiany energii i szerokości pasma przetworników można znaleźć w [8].

4.3. SCHEMAT ZASTĘPCZY PRZETWORNIKA - ANALOGIE ELEKTROMECHANO - AKUSTYCZNE

    Przetwornik ultradź...