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. 壓電效(xiao)應(ying)

  有一種(zhong)(zhong)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)，當受到擠(ji)壓(ya)(ya)或者(zhe)拉(la)伸作用(yong)力的(de)(de)(de)(de)時候，產生(sheng)形變(bian)，使(shi)得其中的(de)(de)(de)(de)帶電(dian)(dian)質點發(fa)生(sheng)相(xiang)(xiang)對位移，因(yin)此(ci)(ci)大(da)小相(xiang)(xiang)等極性相(xiang)(xiang)反(fan)的(de)(de)(de)(de)正電(dian)(dian)荷(he)(he)和負電(dian)(dian)荷(he)(he)會出(chu)現(xian)在(zai)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)表面，然后在(zai)兩端(duan)產生(sheng)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)荷(he)(he)，此(ci)(ci)時晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)將(jiang)處于(yu)帶電(dian)(dian)狀(zhuang)態，并且(qie)由作用(yong)力產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)荷(he)(he)量與(yu)作用(yong)力的(de)(de)(de)(de)大(da)小成正比；當作用(yong)力撤去(qu)之(zhi)后，晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)恢復到它的(de)(de)(de)(de)中性狀(zhuang)態，這(zhe)種(zhong)(zhong)現(xian)象被(bei)稱作正壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)。當此(ci)(ci)類晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)處于(yu)電(dian)(dian)場中時，晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)會沿一定的(de)(de)(de)(de)方向產生(sheng)機械形變(bian)；電(dian)(dian)場撤去(qu)之(zhi)后形變(bian)消失(shi)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)恢復原狀(zhuang)，這(zhe)種(zhong)(zhong)現(xian)象被(bei)稱為逆(ni)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)或電(dian)(dian)致伸縮效應(ying)(ying)。正壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)與(yu)逆(ni)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)被(bei)統稱為壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)，如圖3.1所示。這(zhe)種(zhong)(zhong)物理現(xian)象在(zai)1880年被(bei)居(ju)里(li)兄弟(di)發(fa)現(xian)，正是由于(yu)這(zhe)種(zhong)(zhong)現(xian)象，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)被(bei)廣泛應(ying)(ying)用(yong)于(yu)產生(sheng)超聲(sheng)波的(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)振(zhen)蕩器。

  壓電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應的(de)(de)原理是，如果對壓電(dian)(dian)材(cai)料(liao)施加壓力，就(jiu)(jiu)會(hui)(hui)產生(sheng)電(dian)(dian)位差(cha)（稱(cheng)為正壓電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應），反之施加電(dian)(dian)壓時，會(hui)(hui)產生(sheng)機(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)應力（稱(cheng)為逆壓電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應）。如果壓力是高頻(pin)振動，就(jiu)(jiu)會(hui)(hui)產生(sheng)高頻(pin)電(dian)(dian)流。當(dang)高頻(pin)電(dian)(dian)信(xin)號(hao)應用于壓電(dian)(dian)陶瓷上(shang)時，會(hui)(hui)產生(sheng)高頻(pin)聲(sheng)信(xin)號(hao)（機(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)振動），通(tong)常稱(cheng)為超聲(sheng)信(xin)號(hao)。也就(jiu)(jiu)是說，壓電(dian)(dian)晶(jing)片(pian)可以因機(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)形(xing)變(bian)產生(sheng)電(dian)(dian)場(chang)(chang)，也可以因電(dian)(dian)場(chang)(chang)的(de)(de)作(zuo)用產生(sheng)機(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)形(xing)變(bian)，實(shi)現機(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)能與電(dian)(dian)能之間的(de)(de)轉(zhuan)換和(he)逆轉(zhuan)換，這種(zhong)內在的(de)(de)機(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)耦合效(xiao)(xiao)應使得壓電(dian)(dian)晶(jing)體在工程中得到(dao)了(le)廣泛的(de)(de)應用。

2. 壓電(dian)晶體

  在機械力的(de)(de)作用(yong)(yong)(yong)下(xia)，產生形變，使(shi)(shi)帶(dai)電(dian)粒子具有相對位移，使(shi)(shi)晶(jing)(jing)(jing)體表面具有正負束縛電(dian)荷，這樣的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)體叫作壓電(dian)晶(jing)(jing)(jing)體。壓電(dian)晶(jing)(jing)(jing)體極軸兩端產生的(de)(de)電(dian)勢差的(de)(de)性質稱為(wei)壓電(dian)特(te)性。分為(wei)單(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)體與(yu)多(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)體，其中多(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)體材料(liao)(liao)又(you)稱作壓電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)。硫(liu)酸鋰、鈮酸鋰、石英等為(wei)常用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)單(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)材料(liao)(liao)。常用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)多(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)材料(liao)(liao)有鈦酸鋇、鈦酸鉛等。多(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)體材料(liao)(liao)又(you)稱為(wei)壓電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)。其中單(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)體材料(liao)(liao)對接收(shou)更靈敏，多(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)材料(liao)(liao)的(de)(de)發射(she)靈敏度(du)較高(gao)。

  超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能器(qi)中的壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶片(pian)具有壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)，可利用超(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能器(qi)中壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)芯片(pian)的壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)實現超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)的產(chan)生(sheng)和接收。在壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶體兩側的電(dian)(dian)(dian)極通(tong)交流電(dian)(dian)(dian)，通(tong)過逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)可知，晶片(pian)會在厚度方向(xiang)產(chan)生(sheng)伸縮的機(ji)械振動(dong)，將電(dian)(dian)(dian)能轉換(huan)(huan)成聲(sheng)能（機(ji)械能），此時探頭便發射(she)出(chu)超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)，再通(tong)過合適的耦合劑與待檢(jian)測工件連接，振動(dong)產(chan)生(sheng)的超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)便進入(ru)了工件。當壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶片(pian)接收到超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)時，受(shou)到聲(sheng)波(bo)能量的激發便會產(chan)生(sheng)振動(dong)發生(sheng)機(ji)械形(xing)(xing)變從(cong)而(er)使晶體兩個(ge)表面(mian)產(chan)生(sheng)大小相(xiang)同極性相(xiang)反的電(dian)(dian)(dian)荷，形(xing)(xing)成超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)頻(pin)率(lv)的高頻(pin)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)探傷儀(yi)的接收電(dian)(dian)(dian)路正是(shi)通(tong)過對返(fan)回的電(dian)(dian)(dian)信號進行(xing)一系列(lie)處理從(cong)而(er)判斷工件是(shi)否有傷。顯然，超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能器(qi)的作用是(shi)實現聲(sheng)能與電(dian)(dian)(dian)能的相(xiang)互(hu)轉換(huan)(huan)。

 壓(ya)電(dian)晶(jing)體分為(wei)單壓(ya)電(dian)晶(jing)體與多晶(jing)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)。其中(zhong)，壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)占有相當大的比重，是市場上應用最為(wei)廣泛(fan)的壓(ya)電(dian)材料。分述如下：

  a. 壓(ya)電單晶體(ti):  石(shi)英(ying)、水溶(rong)性壓(ya)電晶體(ti)（酒石(shi)酸(suan)鉀(jia)(jia)鈉、酒石(shi)酸(suan)乙烯二銨、酒石(shi)酸(suan)二鉀(jia)(jia)、硫酸(suan)鉀(jia)(jia)等）。

  b. 多晶(jing)體(ti)壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci):   鈦酸(suan)鋇壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)、鋯鈦酸(suan)鉛系壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)、鈮酸(suan)鹽(yan)系壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)和鈮鎂酸(suan)鉛壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)為代(dai)表性的壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)。

3. 壓電單晶體

 石(shi)(shi)英(ying)晶體(ti)性能穩(wen)定，機械強度高(gao)，絕(jue)緣性能好，但價(jia)格昂(ang)貴(gui)，壓電(dian)(dian)系數遠低于壓電(dian)(dian)陶瓷，所(suo)以一般僅用于標準儀器或要求(qiu)較高(gao)的(de)(de)傳(chuan)感器。石(shi)(shi)英(ying)晶體(ti)諧振(zhen)器具有很高(gao)的(de)(de)品質(zhi)因(yin)數和穩(wen)定性，可(ke)用于對(dui)講機、電(dian)(dian)子手表、電(dian)(dian)視機、電(dian)(dian)子儀器等(deng)產品的(de)(de)諧振(zhen)腔，如圖3.2所(suo)示為(wei)石(shi)(shi)英(ying)晶體(ti)的(de)(de)壓電(dian)(dian)模(mo)型。

 此外，酒石酸(suan)鉀鈉、酒石酸(suan)乙烯二銨、酒石酸(suan)二鉀、硫酸(suan)鉀等(deng)水溶性壓電晶(jing)體是常見的(de)單晶(jing)壓電材(cai)料(liao)。目前，通過單晶(jing)化來提高多(duo)晶(jing)壓電陶瓷（如鈦酸(suan)鉛）的(de)壓電性能是壓電材(cai)料(liao)的(de)研究熱點(dian)之(zhi)一。

4. 多晶體壓電(dian)陶瓷

  多晶(jing)體壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)是一種具(ju)有(you)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應的(de)功能(neng)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料，在(zai)高(gao)溫下將氧化(hua)物混合燒(shao)結，可(ke)以實現機械能(neng)和電(dian)(dian)能(neng)的(de)轉(zhuan)換(huan)(huan)。目(mu)前市場上(shang)常見的(de)多晶(jing)體壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)為鋯(gao)鈦酸鉛(qian)（PZT)系壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材(cai)料。壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材(cai)料的(de)研究(jiu)熱點主要有(you)：①. 低溫燒(shao)結PZT陶(tao)瓷(ci)；②. 大功率高(gao)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率的(de)PZT壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)；③. 壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)復合材(cai)料；④. 無鉛(qian)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)；⑤. 單晶(jing)化(hua)。如圖3.3所示為壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)的(de)發展(zhan)歷史。

5. 壓電晶體的主要性能參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)電應變常數表示單(dan)位電壓(ya)作用(yong)于壓(ya)電晶體時所產生(sheng)的應變大小，其表達式為

  d₃₃ = Δt/U

  式(shi)中 Δt-晶片在(zai)厚(hou)度方向的形(xing)變(bian)量，單位為m(米）；

         U--施(shi)加在壓電(dian)晶片兩面的應力，單位為V(伏(fu)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(biao)示施加在(zai)壓(ya)電晶片上的(de)單位(wei)應力所(suo)產(chan)生的(de)壓(ya)電梯度大(da)小，其(qi)表(biao)達式(shi)為(wei)

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加(jia)在(zai)壓電晶(jing)片兩面的應力，單位為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 ε

介電常數是表(biao)(biao)示(shi)絕緣能(neng)力特性的(de)一個(ge)系數，其表(biao)(biao)達式為

 ε=C t/A

 式中(zhong) C-電容器電容；

       t-電容器極(ji)板距離；

       A-電(dian)容器極(ji)板面積。

 由介電(dian)(dian)(dian)(dian)常數(shu)表達式可(ke)知，當電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)極板距離和面(mian)積一(yi)定時(shi)，介電(dian)(dian)(dian)(dian)常數(shu)ε越大(da)，電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)C越大(da)，即電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)存(cun)儲電(dian)(dian)(dian)(dian)量越多(duo)。壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)體的ε應(ying)根(gen)據不同的用途來(lai)選取(qu)。超聲波檢測的壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)體，頻率(lv)要求(qiu)高時(shi)，應(ying)小一(yi)些。由于ε小、C小，電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)充(chong)放電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)間(jian)短，頻率(lv)高。反之，應(ying)該大(da)一(yi)些。

d. 機(ji)電耦(ou)合系數 K

 機(ji)(ji)電(dian)耦合系數(shu)K,表示壓電(dian)材料機(ji)(ji)械能(neng)（聲能(neng)）與電(dian)能(neng)的(de)轉換效率(lv)，即

 K= 轉換的能量/輸入的能量

 對于正壓電效應(ying)，K=轉換(huan)的電能／輸入的機械能。對于負壓電效應(ying)，K=轉換(huan)的機械能／輸入的電能。

 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(ya)電(dian)晶(jing)片在諧振時(shi)儲存的機械(xie)能E與(yu)一個周期內損耗的能量E損之(zhi)比稱(cheng)為(wei)機械(xie)品(pin)質因子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

 由駐波(bo)理論可知，壓電(dian)晶片在(zai)高頻電(dian)脈沖激勵下產生共振(zhen)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. 壓電晶體(ti)的選用(yong)原則

 對于壓電超聲換能器采(cai)用(yong)的壓電晶片，其選(xuan)用(yong)原則(ze)可參(can)考如下(xia)：

  a. 性能指標(biao)適當(dang)，以滿足(zu)具體使用要(yao)求為度量，不(bu)宜過(guo)分(fen)追求各(ge)項(xiang)性能的高指標(biao)；

  b. 工作性能要穩定、可靠；

  c. 價格(ge)低廉，加工方(fang)便。

超聲波(bo)換能器(qi)對晶(jing)片的要(yao)求(qiu)如下：

  a. 機電耦合(he)系數K較大，以(yi)便(bian)獲得較高的轉換效率；

  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。