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(you)一(yi)種晶(jing)(jing)(jing)體(ti)，當受(shou)到擠壓(ya)(ya)(ya)或者拉(la)伸作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)的(de)(de)時候(hou)，產(chan)生形(xing)變，使得其中(zhong)的(de)(de)帶電(dian)(dian)質(zhi)點(dian)發(fa)生相對(dui)位移(yi)，因此(ci)大小(xiao)相等極性相反(fan)的(de)(de)正電(dian)(dian)荷和負電(dian)(dian)荷會出現(xian)在(zai)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)表面，然后(hou)在(zai)兩(liang)端(duan)產(chan)生不同的(de)(de)電(dian)(dian)荷，此(ci)時晶(jing)(jing)(jing)體(ti)將處(chu)于(yu)帶電(dian)(dian)狀態，并且由作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)產(chan)生的(de)(de)電(dian)(dian)荷量與作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)的(de)(de)大小(xiao)成(cheng)正比；當作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)撤(che)去(qu)之后(hou)，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)恢復(fu)到它的(de)(de)中(zhong)性狀態，這(zhe)種現(xian)象被稱(cheng)作(zuo)(zuo)正壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)。當此(ci)類晶(jing)(jing)(jing)體(ti)處(chu)于(yu)電(dian)(dian)場(chang)中(zhong)時，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)會沿一(yi)定的(de)(de)方向產(chan)生機械(xie)形(xing)變；電(dian)(dian)場(chang)撤(che)去(qu)之后(hou)形(xing)變消失，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)恢復(fu)原狀，這(zhe)種現(xian)象被稱(cheng)為逆壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)或電(dian)(dian)致伸縮效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)。正壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)與逆壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)被統稱(cheng)為壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)，如圖(tu)3.1所示。這(zhe)種物理現(xian)象在(zai)1880年(nian)被居里兄弟發(fa)現(xian)，正是由于(yu)這(zhe)種現(xian)象，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)被廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)于(yu)產(chan)生超聲(sheng)波的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)振蕩(dang)器(qi)。

  壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)(ying)的原(yuan)理是，如果對壓(ya)(ya)電(dian)(dian)材料施(shi)加(jia)壓(ya)(ya)力，就會(hui)產生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)位差(cha)（稱(cheng)為正壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)(ying)），反之(zhi)施(shi)加(jia)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)時，會(hui)產生(sheng)(sheng)機械(xie)(xie)應(ying)(ying)(ying)力（稱(cheng)為逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)(ying)）。如果壓(ya)(ya)力是高頻(pin)振(zhen)動(dong)，就會(hui)產生(sheng)(sheng)高頻(pin)電(dian)(dian)流。當高頻(pin)電(dian)(dian)信號應(ying)(ying)(ying)用于壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)上時，會(hui)產生(sheng)(sheng)高頻(pin)聲信號（機械(xie)(xie)振(zhen)動(dong)），通(tong)常稱(cheng)為超聲信號。也(ye)就是說，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)片可(ke)以因(yin)(yin)機械(xie)(xie)形變產生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)場，也(ye)可(ke)以因(yin)(yin)電(dian)(dian)場的作用產生(sheng)(sheng)機械(xie)(xie)形變，實(shi)現機械(xie)(xie)能與電(dian)(dian)能之(zhi)間的轉換和逆轉換，這種內在的機電(dian)(dian)耦合效應(ying)(ying)(ying)使得(de)(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)體(ti)在工程(cheng)中得(de)(de)到了廣泛的應(ying)(ying)(ying)用。

2. 壓(ya)電晶體

  在機械力的(de)作用(yong)下，產生(sheng)形變，使帶電粒子具有相(xiang)對位移，使晶(jing)(jing)體(ti)(ti)表(biao)面具有正負束縛(fu)電荷，這樣的(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)叫作壓(ya)電晶(jing)(jing)體(ti)(ti)。壓(ya)電晶(jing)(jing)體(ti)(ti)極軸兩(liang)端(duan)產生(sheng)的(de)電勢差的(de)性質稱(cheng)為壓(ya)電特性。分為單晶(jing)(jing)體(ti)(ti)與多(duo)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)，其(qi)中多(duo)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)(cai)料又稱(cheng)作壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷。硫酸鋰(li)、鈮酸鋰(li)、石(shi)英等(deng)為常用(yong)的(de)單晶(jing)(jing)材(cai)(cai)料。常用(yong)的(de)多(duo)晶(jing)(jing)材(cai)(cai)料有鈦酸鋇、鈦酸鉛(qian)等(deng)。多(duo)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)(cai)料又稱(cheng)為壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷。其(qi)中單晶(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)(cai)料對接收更靈敏，多(duo)晶(jing)(jing)材(cai)(cai)料的(de)發射(she)靈敏度較(jiao)高。

  超(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)能器(qi)(qi)中(zhong)的(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶片具有壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)應，可利用超(chao)聲(sheng)換(huan)能器(qi)(qi)中(zhong)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)芯片的(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)應實現超(chao)聲(sheng)波(bo)的(de)產(chan)(chan)(chan)生和接收。在壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶體兩(liang)側的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)極通交流電(dian)(dian)(dian)(dian)，通過逆壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)應可知，晶片會在厚度方向產(chan)(chan)(chan)生伸縮(suo)的(de)機械(xie)振(zhen)動(dong)，將電(dian)(dian)(dian)(dian)能轉換(huan)成(cheng)聲(sheng)能（機械(xie)能），此時(shi)探(tan)頭便發(fa)射出(chu)超(chao)聲(sheng)波(bo)，再通過合適的(de)耦合劑與(yu)待檢(jian)測工(gong)件連接，振(zhen)動(dong)產(chan)(chan)(chan)生的(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)便進入了工(gong)件。當壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶片接收到超(chao)聲(sheng)波(bo)時(shi)，受到聲(sheng)波(bo)能量的(de)激發(fa)便會產(chan)(chan)(chan)生振(zhen)動(dong)發(fa)生機械(xie)形變從而使晶體兩(liang)個(ge)表面產(chan)(chan)(chan)生大(da)小相(xiang)同極性相(xiang)反的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)荷，形成(cheng)超(chao)聲(sheng)波(bo)頻率的(de)高頻電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)，超(chao)聲(sheng)波(bo)探(tan)傷(shang)(shang)儀的(de)接收電(dian)(dian)(dian)(dian)路正(zheng)是(shi)通過對(dui)返回(hui)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)信(xin)號(hao)進行(xing)一系列處理從而判斷工(gong)件是(shi)否有傷(shang)(shang)。顯然(ran)，超(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)能器(qi)(qi)的(de)作用是(shi)實現聲(sheng)能與(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)能的(de)相(xiang)互轉換(huan)。

 壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)體分為單(dan)壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)體與多晶(jing)(jing)壓(ya)電(dian)(dian)陶瓷(ci)。其中，壓(ya)電(dian)(dian)陶瓷(ci)占(zhan)有(you)相當大的比重，是市場(chang)上應用最為廣泛的壓(ya)電(dian)(dian)材(cai)料。分述如下：

  a. 壓電(dian)單晶(jing)體(ti):  石(shi)(shi)英(ying)、水溶性壓電(dian)晶(jing)體(ti)（酒(jiu)石(shi)(shi)酸鉀(jia)鈉(na)、酒(jiu)石(shi)(shi)酸乙烯(xi)二銨、酒(jiu)石(shi)(shi)酸二鉀(jia)、硫酸鉀(jia)等）。

  b. 多晶體壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷:   鈦酸鋇壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷、鋯鈦酸鉛(qian)系壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷、鈮酸鹽(yan)系壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷和(he)鈮鎂酸鉛(qian)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)為代(dai)表性的壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷。

3. 壓電(dian)單(dan)晶(jing)體

 石英(ying)晶體(ti)性(xing)能(neng)穩(wen)(wen)定(ding)，機(ji)械(xie)強度高(gao)，絕緣性(xing)能(neng)好，但價格昂貴，壓電(dian)系數遠低于(yu)壓電(dian)陶瓷，所以一般(ban)僅用于(yu)標準儀(yi)器(qi)或要求(qiu)較(jiao)高(gao)的(de)傳感器(qi)。石英(ying)晶體(ti)諧(xie)振器(qi)具有很(hen)高(gao)的(de)品(pin)質因數和穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)，可用于(yu)對講機(ji)、電(dian)子手表(biao)、電(dian)視機(ji)、電(dian)子儀(yi)器(qi)等產品(pin)的(de)諧(xie)振腔，如(ru)圖(tu)3.2所示為(wei)石英(ying)晶體(ti)的(de)壓電(dian)模型。

 此外，酒(jiu)石(shi)酸鉀鈉、酒(jiu)石(shi)酸乙烯二銨、酒(jiu)石(shi)酸二鉀、硫酸鉀等水溶性壓(ya)電(dian)晶(jing)體是常見的(de)單(dan)(dan)晶(jing)壓(ya)電(dian)材料(liao)。目前，通過單(dan)(dan)晶(jing)化(hua)來提高多(duo)晶(jing)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷（如(ru)鈦酸鉛）的(de)壓(ya)電(dian)性能是壓(ya)電(dian)材料(liao)的(de)研(yan)究(jiu)熱點之一。

4. 多晶(jing)體壓電(dian)陶(tao)瓷

  多晶(jing)體壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)是一種(zhong)具有壓(ya)(ya)電(dian)效(xiao)(xiao)應的功能(neng)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)材(cai)料，在高(gao)溫下(xia)將氧化物混合燒(shao)(shao)結(jie)，可以實現機械(xie)能(neng)和電(dian)能(neng)的轉換。目前市場(chang)上(shang)常見(jian)的多晶(jing)體壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)為鋯鈦酸鉛（PZT)系壓(ya)(ya)電(dian)材(cai)料。壓(ya)(ya)電(dian)材(cai)料的研(yan)究(jiu)熱點主要有：①. 低溫燒(shao)(shao)結(jie)PZT陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)；②. 大功率高(gao)轉換效(xiao)(xiao)率的PZT壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)；③. 壓(ya)(ya)電(dian)復合材(cai)料；④. 無鉛壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)；⑤. 單(dan)晶(jing)化。如(ru)圖3.3所示為壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)的發(fa)展歷(li)史。

5. 壓電晶體的主要性能參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)電(dian)應(ying)變(bian)常數表示單位電(dian)壓(ya)作用于壓(ya)電(dian)晶(jing)體時所產(chan)生的應(ying)變(bian)大(da)小，其表達式為

  d₃₃ = Δt/U

  式中 Δt-晶片在(zai)厚(hou)度(du)方向的形變量，單(dan)位(wei)為m(米）；

         U--施(shi)加在壓電(dian)晶片兩(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(dian)電(dian)壓(ya)常數表示(shi)施加(jia)在壓(ya)電(dian)晶片(pian)上(shang)的單位應力(li)所產(chan)生的壓(ya)電(dian)梯度大小，其表達(da)式為

  g₃₃ = U_p/P

 式(shi)中 P-施加在(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(chang)數 ε

介電常數是表示絕緣(yuan)能力特(te)性(xing)的(de)一個系數，其表達式為(wei)

 ε=C t/A

 式中 C-電(dian)容器電(dian)容；

       t-電容器極(ji)板距離；

       A-電容(rong)器極板面積。

 由介(jie)電(dian)常數表達(da)式(shi)可知，當電(dian)容(rong)器(qi)極(ji)板(ban)距離(li)和面積一定時，介(jie)電(dian)常數ε越(yue)(yue)大，電(dian)容(rong)C越(yue)(yue)大，即電(dian)容(rong)器(qi)存儲電(dian)量越(yue)(yue)多。壓(ya)電(dian)晶體的ε應(ying)根據不(bu)同(tong)的用途來選取。超聲波檢測的壓(ya)電(dian)晶體，頻率要求(qiu)高時，應(ying)小(xiao)一些。由于ε小(xiao)、C小(xiao)，電(dian)容(rong)器(qi)充放電(dian)時間短，頻率高。反之，應(ying)該大一些。

d. 機電耦(ou)合系(xi)數 K

 機電(dian)耦合(he)系數K,表(biao)示壓電(dian)材料機械能（聲能）與電(dian)能的轉(zhuan)換效率，即

 K= 轉換的(de)能量/輸入的(de)能量

 對于正壓(ya)電效應，K=轉(zhuan)換的(de)電能／輸入的(de)機械(xie)能。對于負(fu)壓(ya)電效應，K=轉(zhuan)換的(de)機械(xie)能／輸入的(de)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

 壓電晶片在諧(xie)振時儲存(cun)的(de)(de)機械能E與(yu)一個周期內損耗的(de)(de)能量(liang)E損之比稱為機械品質因子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(you)駐波(bo)理(li)論可知，壓電晶片在高頻電脈沖激勵(li)下產生(sheng)共振的條件(jian)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(ya)電晶(jing)體(ti)的選(xuan)用原則

 對于壓(ya)電超聲換能器采用(yong)的(de)壓(ya)電晶(jing)片，其選用(yong)原則可參考如(ru)下：

  a. 性能指標適當，以滿足具(ju)體使(shi)用要求為(wei)度量，不宜過分(fen)追求各(ge)項性能的高指標；

  b. 工作性能要(yao)穩定、可靠；

  c. 價(jia)格(ge)低(di)廉，加工方便。

超(chao)聲波換能(neng)器(qi)對(dui)晶片的(de)要求如下：

  a. 機電耦合系數K較大，以便獲(huo)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。