超聲探傷儀、超聲波探頭、測試塊和耦合劑等是超聲檢測系統的重要組成部分。超聲波檢測的主要設備是超聲波探傷儀，它可以快速、方便、無損傷地檢測、定位、評估和診斷工件中的各種缺陷。由于超聲波探頭可實現電聲轉換，所以超聲波探頭也叫超聲波換能器，其電聲轉換是可逆的，且轉換時間極短，可以忽略不計。根據超聲波的產生方式和電聲轉換的不同，超聲波換能器有很多種。這些電聲轉換方式有：利用某些金屬（鐵磁性材料）在交變磁場中的磁致伸縮，產生和接收超聲波；利用電磁感應原理產生電磁超聲以及利用機械振動、熱效應和靜電法等都能產生和接收超聲波，利用壓電效應原理制成的壓電材料是目前用得最多的超聲換能器。

1. 壓(ya)電效應

  有一(yi)種(zhong)(zhong)晶(jing)(jing)體，當(dang)受到擠壓(ya)(ya)(ya)(ya)或者拉伸作(zuo)用(yong)(yong)力的(de)時候，產生形變(bian)，使得(de)其(qi)中(zhong)(zhong)的(de)帶(dai)電(dian)(dian)(dian)質(zhi)點發生相(xiang)對位(wei)移(yi)，因此大(da)小相(xiang)等極性相(xiang)反的(de)正電(dian)(dian)(dian)荷和負電(dian)(dian)(dian)荷會(hui)出現在(zai)(zai)晶(jing)(jing)體表面，然(ran)后在(zai)(zai)兩端產生不同的(de)電(dian)(dian)(dian)荷，此時晶(jing)(jing)體將處(chu)(chu)于(yu)帶(dai)電(dian)(dian)(dian)狀態(tai)，并且(qie)由作(zuo)用(yong)(yong)力產生的(de)電(dian)(dian)(dian)荷量與作(zuo)用(yong)(yong)力的(de)大(da)小成正比；當(dang)作(zuo)用(yong)(yong)力撤去之后，晶(jing)(jing)體恢復(fu)到它的(de)中(zhong)(zhong)性狀態(tai)，這種(zhong)(zhong)現象(xiang)被稱(cheng)作(zuo)正壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)。當(dang)此類晶(jing)(jing)體處(chu)(chu)于(yu)電(dian)(dian)(dian)場(chang)中(zhong)(zhong)時，晶(jing)(jing)體會(hui)沿一(yi)定的(de)方向產生機(ji)械形變(bian)；電(dian)(dian)(dian)場(chang)撤去之后形變(bian)消(xiao)失，晶(jing)(jing)體恢復(fu)原狀，這種(zhong)(zhong)現象(xiang)被稱(cheng)為逆壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)或電(dian)(dian)(dian)致伸縮效應(ying)。正壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)與逆壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)被統稱(cheng)為壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)，如圖3.1所示。這種(zhong)(zhong)物理現象(xiang)在(zai)(zai)1880年被居里兄弟(di)發現，正是由于(yu)這種(zhong)(zhong)現象(xiang)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體被廣泛應(ying)用(yong)(yong)于(yu)產生超聲波的(de)晶(jing)(jing)體振蕩器(qi)。

  壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)應的(de)(de)原理是，如果對壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)材料施加壓(ya)力(li)，就會(hui)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)位差（稱(cheng)(cheng)為正壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)應），反(fan)之施加電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)時(shi)，會(hui)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)機(ji)械應力(li)（稱(cheng)(cheng)為逆壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)應）。如果壓(ya)力(li)是高(gao)頻(pin)振動(dong)，就會(hui)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)高(gao)頻(pin)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。當高(gao)頻(pin)電(dian)(dian)(dian)(dian)信號(hao)(hao)應用于(yu)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)上時(shi)，會(hui)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)高(gao)頻(pin)聲信號(hao)(hao)（機(ji)械振動(dong)），通常稱(cheng)(cheng)為超聲信號(hao)(hao)。也就是說，壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)片可(ke)以(yi)因機(ji)械形變產(chan)(chan)(chan)生(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)，也可(ke)以(yi)因電(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)的(de)(de)作(zuo)用產(chan)(chan)(chan)生(sheng)機(ji)械形變，實(shi)現機(ji)械能(neng)與電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)之間的(de)(de)轉換(huan)(huan)和逆轉換(huan)(huan)，這種內在的(de)(de)機(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)耦(ou)合效(xiao)應使得壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)體在工程(cheng)中得到了廣(guang)泛的(de)(de)應用。

2. 壓電晶體

  在機械力的(de)(de)(de)(de)作用下，產生形變(bian)，使(shi)帶電(dian)(dian)粒子具有相對(dui)位(wei)移(yi)，使(shi)晶體(ti)(ti)表(biao)面具有正負束縛電(dian)(dian)荷(he)，這樣(yang)的(de)(de)(de)(de)晶體(ti)(ti)叫作壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)晶體(ti)(ti)。壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)晶體(ti)(ti)極(ji)軸(zhou)兩端產生的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)勢差的(de)(de)(de)(de)性(xing)質稱為壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)特性(xing)。分為單晶體(ti)(ti)與(yu)多晶體(ti)(ti)，其(qi)(qi)中(zhong)多晶體(ti)(ti)材(cai)(cai)料(liao)(liao)又稱作壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷。硫酸鋰、鈮酸鋰、石英(ying)等(deng)為常(chang)用的(de)(de)(de)(de)單晶材(cai)(cai)料(liao)(liao)。常(chang)用的(de)(de)(de)(de)多晶材(cai)(cai)料(liao)(liao)有鈦酸鋇、鈦酸鉛等(deng)。多晶體(ti)(ti)材(cai)(cai)料(liao)(liao)又稱為壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷。其(qi)(qi)中(zhong)單晶體(ti)(ti)材(cai)(cai)料(liao)(liao)對(dui)接收更靈(ling)敏，多晶材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)發射靈(ling)敏度(du)較高(gao)。

  超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)換(huan)能(neng)器(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)壓電(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)片(pian)具有壓電(dian)(dian)(dian)(dian)效應，可(ke)利用超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)器(qi)中(zhong)壓電(dian)(dian)(dian)(dian)芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)(de)壓電(dian)(dian)(dian)(dian)效應實現超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)和接(jie)收(shou)(shou)。在(zai)壓電(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體兩(liang)側的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)極通(tong)(tong)交(jiao)流電(dian)(dian)(dian)(dian)，通(tong)(tong)過逆壓電(dian)(dian)(dian)(dian)效應可(ke)知(zhi)，晶(jing)(jing)片(pian)會(hui)在(zai)厚(hou)度方向產(chan)(chan)(chan)生(sheng)伸縮(suo)的(de)(de)(de)(de)機械(xie)振(zhen)(zhen)動，將電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)轉(zhuan)換(huan)成聲(sheng)(sheng)(sheng)能(neng)（機械(xie)能(neng)），此(ci)時探(tan)頭(tou)便(bian)發射出超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)，再通(tong)(tong)過合(he)適的(de)(de)(de)(de)耦(ou)合(he)劑與(yu)待檢(jian)測(ce)工件(jian)連接(jie)，振(zhen)(zhen)動產(chan)(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)便(bian)進入(ru)了工件(jian)。當壓電(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)片(pian)接(jie)收(shou)(shou)到(dao)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)時，受到(dao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)激(ji)發便(bian)會(hui)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)振(zhen)(zhen)動發生(sheng)機械(xie)形變從而使晶(jing)(jing)體兩(liang)個表面產(chan)(chan)(chan)生(sheng)大小(xiao)相(xiang)同(tong)極性相(xiang)反的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)，形成超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)頻率的(de)(de)(de)(de)高頻電(dian)(dian)(dian)(dian)壓，超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)探(tan)傷儀(yi)的(de)(de)(de)(de)接(jie)收(shou)(shou)電(dian)(dian)(dian)(dian)路正是(shi)通(tong)(tong)過對(dui)返回的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)信號(hao)進行(xing)一系列(lie)處理從而判斷工件(jian)是(shi)否有傷。顯然，超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)換(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)作用是(shi)實現聲(sheng)(sheng)(sheng)能(neng)與(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)轉(zhuan)換(huan)。

 壓電(dian)晶(jing)體(ti)分為單壓電(dian)晶(jing)體(ti)與多晶(jing)壓電(dian)陶瓷。其(qi)中，壓電(dian)陶瓷占(zhan)有相當大的比重，是市場上應用(yong)最為廣泛(fan)的壓電(dian)材料(liao)。分述如下：

  a. 壓電單(dan)晶(jing)體:  石(shi)(shi)英、水溶性(xing)壓電晶(jing)體（酒(jiu)石(shi)(shi)酸(suan)鉀(jia)鈉(na)、酒(jiu)石(shi)(shi)酸(suan)乙烯二銨、酒(jiu)石(shi)(shi)酸(suan)二鉀(jia)、硫酸(suan)鉀(jia)等）。

  b. 多晶(jing)體壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci):   鈦酸鋇壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)、鋯(gao)鈦酸鉛(qian)系壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)、鈮酸鹽系壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)和鈮鎂酸鉛(qian)壓電(dian)陶(tao)為代表性(xing)的壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)。

3. 壓電單晶(jing)體(ti)

 石英(ying)(ying)晶(jing)(jing)體(ti)性能(neng)穩定(ding)，機(ji)械強度高，絕(jue)緣(yuan)性能(neng)好，但價格昂貴(gui)，壓(ya)電系(xi)數遠低于(yu)(yu)壓(ya)電陶瓷，所(suo)以一般僅用于(yu)(yu)標準儀器或要求較高的(de)傳(chuan)感器。石英(ying)(ying)晶(jing)(jing)體(ti)諧振器具有(you)很高的(de)品(pin)質因(yin)數和穩定(ding)性，可用于(yu)(yu)對講機(ji)、電子(zi)(zi)手表(biao)、電視機(ji)、電子(zi)(zi)儀器等(deng)產品(pin)的(de)諧振腔，如圖(tu)3.2所(suo)示為石英(ying)(ying)晶(jing)(jing)體(ti)的(de)壓(ya)電模型(xing)。

 此外，酒(jiu)石酸鉀鈉、酒(jiu)石酸乙烯二銨(an)、酒(jiu)石酸二鉀、硫(liu)酸鉀等水溶性壓(ya)(ya)電晶體是(shi)常見的(de)單晶壓(ya)(ya)電材料。目前(qian)，通過單晶化來(lai)提(ti)高多晶壓(ya)(ya)電陶瓷（如鈦酸鉛(qian)）的(de)壓(ya)(ya)電性能是(shi)壓(ya)(ya)電材料的(de)研究(jiu)熱點之一(yi)。

4. 多晶體壓(ya)電陶瓷(ci)

  多晶體壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)是一種具有(you)(you)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應的(de)(de)功(gong)能(neng)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材料(liao)(liao)(liao)，在高(gao)溫下將氧化物混(hun)合燒結，可以實現機械能(neng)和電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)轉換。目前市場上常見(jian)的(de)(de)多晶體壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)為(wei)鋯鈦(tai)酸鉛(qian)（PZT)系壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)材料(liao)(liao)(liao)。壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)材料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)研究熱(re)點(dian)主要有(you)(you)：①. 低溫燒結PZT陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；②. 大(da)功(gong)率高(gao)轉換效(xiao)(xiao)率的(de)(de)PZT壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；③. 壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)復(fu)合材料(liao)(liao)(liao)；④. 無(wu)鉛(qian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；⑤. 單晶化。如(ru)圖3.3所示為(wei)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)的(de)(de)發展歷史(shi)。

5. 壓(ya)電(dian)晶體的(de)主要性能參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)電應(ying)變常數表示單位電壓(ya)作用(yong)于壓(ya)電晶體(ti)時(shi)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)應(ying)變大小，其表達式為(wei)

  d₃₃ = Δt/U

  式中 Δt-晶片在厚度方(fang)向的(de)形變量，單位為(wei)m(米）；

         U--施加在(zai)壓電晶(jing)片兩(liang)面的應力，單位為(wei)V(伏特）。

 壓電應變常數d₃₃是測量壓電晶體材料發射靈敏度的重要參數。d₃₃值越大，發射性能越差，發射靈敏度越高。

b. 壓電電壓常數 g₃₃

 壓(ya)電電壓(ya)常數表示(shi)施加(jia)在壓(ya)電晶(jing)片上的單位(wei)應力所產生的壓(ya)電梯度大(da)小，其表達式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加(jia)在壓電晶(jing)片兩面的應力(li)，單位(wei)為(wei)N(牛）；

      U_p-晶片表面產生的電壓梯度，U_p = U/t，單位為V/m(伏特／米）。

c. 介電常數(shu) ε

介電常數(shu)是表示絕(jue)緣(yuan)能力特(te)性(xing)的一個系數(shu)，其表達(da)式為

 ε=C t/A

 式中 C-電容器電容；

       t-電容器極板(ban)距(ju)離(li)；

       A-電容器極板面積。

 由介電(dian)常(chang)數(shu)表(biao)達式(shi)可知，當(dang)電(dian)容器極板距(ju)離和面積一(yi)定時，介電(dian)常(chang)數(shu)ε越大，電(dian)容C越大，即電(dian)容器存儲電(dian)量越多。壓(ya)電(dian)晶體(ti)(ti)的ε應根據不同的用途來選取。超聲波檢測的壓(ya)電(dian)晶體(ti)(ti)，頻率要求高時，應小一(yi)些。由于ε小、C小，電(dian)容器充放電(dian)時間(jian)短，頻率高。反之，應該大一(yi)些。

d. 機電耦合系數(shu) K

 機電(dian)耦合(he)系數K,表示壓電(dian)材料機械能(neng)（聲(sheng)能(neng)）與電(dian)能(neng)的轉換(huan)效率，即

 K= 轉換(huan)的能量(liang)/輸入的能量(liang)

 對于正壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應，K=轉換(huan)(huan)的電(dian)(dian)能(neng)／輸入(ru)的機械(xie)能(neng)。對于負壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應，K=轉換(huan)(huan)的機械(xie)能(neng)／輸入(ru)的電(dian)(dian)能(neng)。

 探頭晶片振動時，會產生厚度和徑向兩個方向的伸縮變形，因此機電耦合系數分為厚度方向K_t和徑向K_p。K_t大，探測靈敏度高；K_p大，低頻諧振波增多，發射脈沖變寬，導致分辨力降低，盲區增大。

e. 機械品質因子 θ_m

 壓電(dian)晶片(pian)在諧振時(shi)儲存的機械(xie)能E與一個周期內損耗(hao)的能量E損之比稱為機械(xie)品質(zhi)因子θm.

 壓電晶片振動損耗的能量主要是內摩擦引起的。θ_m值對分辨率有較大的影響：θ_m值越大，表示損耗越小，晶片持續震動時間長，脈沖寬度大，分辨率低。反之，θ_m值越小，表示損耗越大，脈沖寬度小，分辨率就高。

f. 頻率常數N_i

 由(you)駐波理論(lun)可知，壓電(dian)晶片在高頻(pin)電(dian)脈沖(chong)激勵下產生共(gong)振的條件是

 這意味著壓電晶片厚度與固有頻率的乘積是一個常數，稱為頻率常數，用N_i表示。厚度一定，頻率常數大的晶片材料，其固有頻率高。晶片材料一定，頻率越高，厚度越小。

g. 居里溫度T_c

 與磁性材料一樣，壓電材料的壓電效應與溫度有關。它只能在一定的溫度范圍內產生，超過這個溫度范圍，壓電效應就消失了。壓電材料的壓電效應消失的溫度稱為壓電材料的居里溫度，用T_c表示。例如，石英T_c=570℃,鐵酸鋇T_c=115℃.常見壓電材料性能參數見表3.1。

6. 壓電(dian)晶體的選用原則

 對(dui)于壓電超聲換能器采用的壓電晶(jing)片，其選用原則可參考(kao)如下(xia)：

  a. 性能(neng)(neng)指(zhi)標適當，以滿足具體使用(yong)要求(qiu)為度量，不(bu)宜過分追求(qiu)各項性能(neng)(neng)的高指(zhi)標；

  b. 工作(zuo)性能(neng)要穩定、可靠；

  c. 價(jia)格低廉，加工方(fang)便。

超(chao)聲(sheng)波換能(neng)器對(dui)晶片的要(yao)求如(ru)下：

  a. 機電耦合(he)系(xi)數K較大，以(yi)便獲得較高(gao)的(de)轉換效率；

  b. 機械品質因子θ_m較大，以便獲得較高的轉換效率；

  c. 壓電應變常數d₃₃和壓電電壓常數g₃₃較大，以便獲得較高的發射和接收靈敏度；

  d. 頻率常數N_i較大，介電常數ε較小，以便獲得較高的頻率；

  f. 居里溫度T_c較高，聲阻抗 Z 適當。