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. 壓電效應

  有一種(zhong)(zhong)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)，當受到(dao)擠壓(ya)或(huo)者拉伸(shen)作用(yong)(yong)(yong)力(li)的(de)時(shi)候(hou)，產(chan)生(sheng)形變，使得其中(zhong)(zhong)的(de)帶電(dian)(dian)質(zhi)點發生(sheng)相對位(wei)移，因此(ci)(ci)大小(xiao)相等(deng)極性(xing)相反的(de)正電(dian)(dian)荷和負電(dian)(dian)荷會(hui)出(chu)現(xian)在(zai)(zai)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)表面(mian)，然后(hou)在(zai)(zai)兩端產(chan)生(sheng)不同的(de)電(dian)(dian)荷，此(ci)(ci)時(shi)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)將處于(yu)帶電(dian)(dian)狀(zhuang)態，并且由作用(yong)(yong)(yong)力(li)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)(dian)荷量與作用(yong)(yong)(yong)力(li)的(de)大小(xiao)成正比；當作用(yong)(yong)(yong)力(li)撤(che)去之后(hou)，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)恢(hui)復(fu)到(dao)它的(de)中(zhong)(zhong)性(xing)狀(zhuang)態，這(zhe)種(zhong)(zhong)現(xian)象被稱(cheng)(cheng)作正壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應。當此(ci)(ci)類晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)處于(yu)電(dian)(dian)場(chang)中(zhong)(zhong)時(shi)，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)會(hui)沿一定的(de)方向產(chan)生(sheng)機械形變；電(dian)(dian)場(chang)撤(che)去之后(hou)形變消失，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)恢(hui)復(fu)原狀(zhuang)，這(zhe)種(zhong)(zhong)現(xian)象被稱(cheng)(cheng)為逆壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應或(huo)電(dian)(dian)致伸(shen)縮效(xiao)(xiao)(xiao)應。正壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應與逆壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應被統稱(cheng)(cheng)為壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應，如圖3.1所(suo)示。這(zhe)種(zhong)(zhong)物(wu)理現(xian)象在(zai)(zai)1880年被居里兄弟發現(xian)，正是由于(yu)這(zhe)種(zhong)(zhong)現(xian)象，壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)被廣泛應用(yong)(yong)(yong)于(yu)產(chan)生(sheng)超(chao)聲波的(de)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)振蕩器(qi)。

  壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)的原(yuan)理是(shi)(shi)(shi)，如果對壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材料施(shi)加壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)，就會產生電(dian)(dian)位差（稱(cheng)為(wei)正壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)），反(fan)之施(shi)加電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)時，會產生機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)應(ying)(ying)力(li)(li)（稱(cheng)為(wei)逆(ni)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)）。如果壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)是(shi)(shi)(shi)高頻(pin)振動，就會產生高頻(pin)電(dian)(dian)流。當(dang)高頻(pin)電(dian)(dian)信號應(ying)(ying)用于壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶瓷上時，會產生高頻(pin)聲(sheng)信號（機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)振動），通常(chang)稱(cheng)為(wei)超聲(sheng)信號。也就是(shi)(shi)(shi)說，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)晶片可以(yi)因機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)形(xing)變產生電(dian)(dian)場(chang)，也可以(yi)因電(dian)(dian)場(chang)的作用產生機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)形(xing)變，實現機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)能(neng)與(yu)電(dian)(dian)能(neng)之間(jian)的轉換和逆(ni)轉換，這種內(nei)在的機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)耦(ou)合(he)效應(ying)(ying)使得壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)晶體在工(gong)程中得到了廣泛的應(ying)(ying)用。

2. 壓電晶體(ti)

  在機(ji)械力的(de)(de)作用(yong)下，產(chan)生(sheng)形變(bian)，使(shi)帶(dai)電(dian)(dian)(dian)粒子具有(you)(you)相對位移，使(shi)晶(jing)(jing)體(ti)表面具有(you)(you)正負(fu)束縛電(dian)(dian)(dian)荷，這樣(yang)的(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)叫作壓電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)。壓電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)極軸(zhou)兩端產(chan)生(sheng)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)勢差的(de)(de)性質稱為壓電(dian)(dian)(dian)特性。分為單晶(jing)(jing)體(ti)與多(duo)晶(jing)(jing)體(ti)，其中多(duo)晶(jing)(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)又(you)稱作壓電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)。硫酸鋰、鈮酸鋰、石英等為常用(yong)的(de)(de)單晶(jing)(jing)材(cai)料(liao)(liao)。常用(yong)的(de)(de)多(duo)晶(jing)(jing)材(cai)料(liao)(liao)有(you)(you)鈦(tai)酸鋇、鈦(tai)酸鉛等。多(duo)晶(jing)(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)又(you)稱為壓電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)。其中單晶(jing)(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)對接收更靈敏，多(duo)晶(jing)(jing)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)發射靈敏度較高。

  超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波換(huan)能(neng)(neng)器中(zhong)的(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)晶片具有壓(ya)電(dian)(dian)效應(ying)，可利用超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)(neng)器中(zhong)壓(ya)電(dian)(dian)芯片的(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)效應(ying)實(shi)現(xian)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波的(de)(de)產(chan)生(sheng)和接(jie)收(shou)。在壓(ya)電(dian)(dian)晶體兩(liang)側的(de)(de)電(dian)(dian)極通(tong)(tong)交流電(dian)(dian)，通(tong)(tong)過(guo)(guo)逆壓(ya)電(dian)(dian)效應(ying)可知，晶片會在厚度方向(xiang)產(chan)生(sheng)伸縮的(de)(de)機(ji)械振動(dong)，將電(dian)(dian)能(neng)(neng)轉(zhuan)換(huan)成聲(sheng)(sheng)(sheng)能(neng)(neng)（機(ji)械能(neng)(neng)），此時探頭(tou)便(bian)發(fa)射出超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波，再通(tong)(tong)過(guo)(guo)合適(shi)的(de)(de)耦合劑與(yu)待檢測(ce)工件連接(jie)，振動(dong)產(chan)生(sheng)的(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波便(bian)進入了工件。當壓(ya)電(dian)(dian)晶片接(jie)收(shou)到超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波時，受到聲(sheng)(sheng)(sheng)波能(neng)(neng)量的(de)(de)激發(fa)便(bian)會產(chan)生(sheng)振動(dong)發(fa)生(sheng)機(ji)械形變從(cong)(cong)而(er)使晶體兩(liang)個表面產(chan)生(sheng)大(da)小相(xiang)(xiang)同(tong)極性(xing)相(xiang)(xiang)反的(de)(de)電(dian)(dian)荷，形成超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波頻率的(de)(de)高(gao)頻電(dian)(dian)壓(ya)，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波探傷(shang)(shang)儀的(de)(de)接(jie)收(shou)電(dian)(dian)路正是通(tong)(tong)過(guo)(guo)對返(fan)回的(de)(de)電(dian)(dian)信(xin)號進行一系(xi)列處理從(cong)(cong)而(er)判斷(duan)工件是否有傷(shang)(shang)。顯然，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波換(huan)能(neng)(neng)器的(de)(de)作用是實(shi)現(xian)聲(sheng)(sheng)(sheng)能(neng)(neng)與(yu)電(dian)(dian)能(neng)(neng)的(de)(de)相(xiang)(xiang)互轉(zhuan)換(huan)。

 壓電(dian)晶(jing)體分為單壓電(dian)晶(jing)體與(yu)多晶(jing)壓電(dian)陶瓷。其中，壓電(dian)陶瓷占有相(xiang)當大的(de)比(bi)重(zhong)，是(shi)市場上應(ying)用最(zui)為廣泛的(de)壓電(dian)材料(liao)。分述如下：

  a. 壓電單晶體:  石(shi)(shi)英、水(shui)溶性壓電晶體（酒(jiu)(jiu)石(shi)(shi)酸(suan)鉀鈉、酒(jiu)(jiu)石(shi)(shi)酸(suan)乙烯(xi)二(er)銨、酒(jiu)(jiu)石(shi)(shi)酸(suan)二(er)鉀、硫酸(suan)鉀等）。

  b. 多晶體壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci):   鈦(tai)酸(suan)鋇壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)、鋯鈦(tai)酸(suan)鉛系壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)、鈮酸(suan)鹽(yan)系壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)和鈮鎂(mei)酸(suan)鉛壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)為代表性的壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)。

3. 壓(ya)電單晶體

 石英晶(jing)體性能(neng)穩定，機械強度高，絕(jue)緣性能(neng)好，但(dan)價格(ge)昂貴，壓(ya)(ya)電系數遠(yuan)低于(yu)壓(ya)(ya)電陶瓷，所以一(yi)般僅用(yong)于(yu)標(biao)準(zhun)儀器(qi)或要求較高的(de)(de)傳感器(qi)。石英晶(jing)體諧振器(qi)具有很高的(de)(de)品(pin)質因數和穩定性，可用(yong)于(yu)對講機、電子手表、電視機、電子儀器(qi)等產品(pin)的(de)(de)諧振腔，如圖(tu)3.2所示為石英晶(jing)體的(de)(de)壓(ya)(ya)電模型(xing)。

 此外，酒(jiu)(jiu)石酸(suan)鉀鈉、酒(jiu)(jiu)石酸(suan)乙(yi)烯二銨、酒(jiu)(jiu)石酸(suan)二鉀、硫酸(suan)鉀等水溶性(xing)壓電(dian)(dian)晶體是(shi)常(chang)見的(de)單晶壓電(dian)(dian)材(cai)(cai)料(liao)。目(mu)前，通過單晶化(hua)來提高多晶壓電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)（如鈦酸(suan)鉛）的(de)壓電(dian)(dian)性(xing)能(neng)是(shi)壓電(dian)(dian)材(cai)(cai)料(liao)的(de)研(yan)究熱點(dian)之一。

4. 多晶體壓電(dian)陶瓷

  多晶體(ti)壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷(ci)是(shi)一種具有壓(ya)電效應的功能(neng)陶(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)，在高溫下將氧化物(wu)混合(he)燒結(jie)，可(ke)以實(shi)現機械能(neng)和電能(neng)的轉(zhuan)換。目前市場(chang)上常見的多晶體(ti)壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷(ci)為鋯鈦酸鉛(qian)（PZT)系壓(ya)電材(cai)料(liao)。壓(ya)電材(cai)料(liao)的研究熱點主要有：①. 低溫燒結(jie)PZT陶(tao)(tao)瓷(ci)；②. 大(da)功率(lv)高轉(zhuan)換效率(lv)的PZT壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷(ci)；③. 壓(ya)電復合(he)材(cai)料(liao)；④. 無鉛(qian)壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷(ci)；⑤. 單(dan)晶化。如圖3.3所(suo)示(shi)為壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷(ci)的發展歷史。

5. 壓電晶體(ti)的主要性能參(can)數(shu)

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)電應變常數表示(shi)單位電壓(ya)作用于壓(ya)電晶體時所(suo)產生的應變大小，其(qi)表達式(shi)為(wei)

  d₃₃ = Δt/U

  式中 Δt-晶片在厚度方向的形變(bian)量，單位(wei)為m(米）；

         U--施加(jia)在壓電(dian)晶(jing)片兩面的應力，單(dan)位(wei)為V(伏特(te)）。

 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(chang)數表示施加(jia)在(zai)壓(ya)電晶片上的單位應力所產生(sheng)的壓(ya)電梯度大小，其表達(da)式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加在(zai)壓電晶(jing)片兩面的應(ying)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(dian)常數 ε

介電常數是(shi)表示(shi)絕緣能(neng)力特性的一個系(xi)數，其(qi)表達式為

 ε=C t/A

 式中 C-電(dian)(dian)容器電(dian)(dian)容；

       t-電容器極(ji)板距離；

       A-電容器(qi)極板面積。

 由介(jie)電常數表達式可(ke)知，當(dang)電容器(qi)極板距離和(he)面積一定時，介(jie)電常數ε越大，電容C越大，即電容器(qi)存儲電量(liang)越多。壓電晶體的ε應根據不(bu)同的用途來選取。超聲波檢(jian)測(ce)的壓電晶體，頻率要(yao)求高(gao)時，應小一些(xie)。由于ε小、C小，電容器(qi)充放電時間短，頻率高(gao)。反之，應該(gai)大一些(xie)。

d. 機電耦(ou)合(he)系數 K

 機(ji)電(dian)耦合(he)系數(shu)K,表示壓電(dian)材(cai)料機(ji)械能（聲能）與電(dian)能的轉換效(xiao)率，即

 K= 轉換(huan)的能(neng)量/輸入的能(neng)量

 對于正壓電效應(ying)，K=轉換的(de)電能(neng)(neng)(neng)／輸入(ru)的(de)機械(xie)能(neng)(neng)(neng)。對于負壓電效應(ying)，K=轉換的(de)機械(xie)能(neng)(neng)(neng)／輸入(ru)的(de)電能(neng)(neng)(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(ya)電晶(jing)片在(zai)諧(xie)振時(shi)儲(chu)存的機械(xie)能E與(yu)一個周期內損(sun)(sun)耗的能量(liang)E損(sun)(sun)之比稱為機械(xie)品質因子(zi)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

 由駐波理論可(ke)知，壓電(dian)晶片在高(gao)頻(pin)電(dian)脈沖(chong)激勵下產生共振(zhen)的(de)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(jing)體的選(xuan)用原則

 對于(yu)壓電(dian)超聲換能器采用的壓電(dian)晶片，其選用原則可參考如下(xia)：

  a. 性能指標(biao)適當，以滿足具體使(shi)用要(yao)求(qiu)為度量，不宜過分追求(qiu)各項性能的高(gao)指標(biao)；

  b. 工作性能要穩定、可靠；

  c. 價格低廉，加工(gong)方便。

超聲波換能器對晶片的要求如下：

  a. 機電耦合系數K較大，以便獲得較高(gao)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。