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(dian)效(xiao)應

  有一種晶體(ti)(ti)，當受(shou)到擠壓(ya)或者(zhe)拉伸作用(yong)(yong)力(li)的(de)(de)(de)時候(hou)，產(chan)生(sheng)形(xing)(xing)變，使得其中(zhong)的(de)(de)(de)帶(dai)(dai)電(dian)質點發(fa)生(sheng)相對位移(yi)，因(yin)此(ci)大(da)小(xiao)相等極(ji)性(xing)(xing)相反的(de)(de)(de)正(zheng)電(dian)荷(he)和負電(dian)荷(he)會出(chu)現在(zai)晶體(ti)(ti)表(biao)面，然后(hou)在(zai)兩(liang)端產(chan)生(sheng)不同的(de)(de)(de)電(dian)荷(he)，此(ci)時晶體(ti)(ti)將處于帶(dai)(dai)電(dian)狀態(tai)，并(bing)且由作用(yong)(yong)力(li)產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)電(dian)荷(he)量(liang)與(yu)作用(yong)(yong)力(li)的(de)(de)(de)大(da)小(xiao)成(cheng)正(zheng)比；當作用(yong)(yong)力(li)撤去之后(hou)，晶體(ti)(ti)恢復到它的(de)(de)(de)中(zhong)性(xing)(xing)狀態(tai)，這(zhe)(zhe)(zhe)種現象被稱(cheng)作正(zheng)壓(ya)電(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)。當此(ci)類晶體(ti)(ti)處于電(dian)場中(zhong)時，晶體(ti)(ti)會沿(yan)一定的(de)(de)(de)方向(xiang)產(chan)生(sheng)機械(xie)形(xing)(xing)變；電(dian)場撤去之后(hou)形(xing)(xing)變消失，晶體(ti)(ti)恢復原狀，這(zhe)(zhe)(zhe)種現象被稱(cheng)為(wei)逆壓(ya)電(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)或電(dian)致伸縮效(xiao)(xiao)應(ying)。正(zheng)壓(ya)電(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)與(yu)逆壓(ya)電(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)被統(tong)稱(cheng)為(wei)壓(ya)電(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)，如圖3.1所(suo)示。這(zhe)(zhe)(zhe)種物理現象在(zai)1880年被居里兄弟發(fa)現，正(zheng)是由于這(zhe)(zhe)(zhe)種現象，壓(ya)電(dian)晶體(ti)(ti)被廣泛(fan)應(ying)用(yong)(yong)于產(chan)生(sheng)超聲波的(de)(de)(de)晶體(ti)(ti)振蕩器。

  壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)(ying)的(de)原理(li)是(shi)(shi)，如(ru)果(guo)(guo)對壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)材料施加壓(ya)(ya)力(li)(li)，就會產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位差(cha)（稱為(wei)正壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)(ying)），反之(zhi)施加電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)時(shi)，會產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)機(ji)械(xie)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)（稱為(wei)逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)(ying)）。如(ru)果(guo)(guo)壓(ya)(ya)力(li)(li)是(shi)(shi)高頻(pin)振(zhen)動，就會產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)高頻(pin)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。當高頻(pin)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)信(xin)號應(ying)(ying)(ying)用于壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶瓷上時(shi)，會產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)高頻(pin)聲信(xin)號（機(ji)械(xie)振(zhen)動），通常稱為(wei)超聲信(xin)號。也(ye)就是(shi)(shi)說(shuo)，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶片可(ke)以(yi)因(yin)機(ji)械(xie)形變產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)，也(ye)可(ke)以(yi)因(yin)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)的(de)作用產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)機(ji)械(xie)形變，實(shi)現機(ji)械(xie)能與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能之(zhi)間的(de)轉(zhuan)換和逆轉(zhuan)換，這(zhe)種內在的(de)機(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)耦(ou)合效應(ying)(ying)(ying)使(shi)得(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶體在工程中得(de)到了廣(guang)泛的(de)應(ying)(ying)(ying)用。

2. 壓電晶體

  在機械力(li)的(de)(de)作用下，產(chan)生形變，使帶電(dian)粒子(zi)具(ju)(ju)有(you)相對(dui)位移，使晶體(ti)(ti)(ti)表面(mian)具(ju)(ju)有(you)正負束縛電(dian)荷，這樣的(de)(de)晶體(ti)(ti)(ti)叫作壓(ya)(ya)電(dian)晶體(ti)(ti)(ti)。壓(ya)(ya)電(dian)晶體(ti)(ti)(ti)極軸(zhou)兩端產(chan)生的(de)(de)電(dian)勢差的(de)(de)性質(zhi)稱(cheng)為(wei)壓(ya)(ya)電(dian)特性。分為(wei)單(dan)晶體(ti)(ti)(ti)與多晶體(ti)(ti)(ti)，其中多晶體(ti)(ti)(ti)材(cai)(cai)料(liao)又稱(cheng)作壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)。硫酸鋰、鈮(ni)酸鋰、石英等為(wei)常用的(de)(de)單(dan)晶材(cai)(cai)料(liao)。常用的(de)(de)多晶材(cai)(cai)料(liao)有(you)鈦(tai)酸鋇、鈦(tai)酸鉛等。多晶體(ti)(ti)(ti)材(cai)(cai)料(liao)又稱(cheng)為(wei)壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)。其中單(dan)晶體(ti)(ti)(ti)材(cai)(cai)料(liao)對(dui)接收更靈敏(min)，多晶材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)發射靈敏(min)度(du)較(jiao)高。

  超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器中的(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)片具有壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應，可(ke)利用超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器中壓(ya)電(dian)(dian)(dian)芯片的(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應實(shi)現超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波的(de)(de)產生(sheng)和接(jie)收。在壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體兩側的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極通交流電(dian)(dian)(dian)，通過逆壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應可(ke)知(zhi)，晶(jing)(jing)片會在厚度方向產生(sheng)伸縮(suo)的(de)(de)機械(xie)(xie)振動，將電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)轉(zhuan)換(huan)(huan)成聲(sheng)能(neng)(neng)（機械(xie)(xie)能(neng)(neng)），此時(shi)探(tan)頭(tou)便(bian)發(fa)射出超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波，再(zai)通過合適(shi)的(de)(de)耦合劑與(yu)待(dai)檢測工(gong)件(jian)連(lian)接(jie)，振動產生(sheng)的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波便(bian)進入(ru)了工(gong)件(jian)。當壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)片接(jie)收到超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波時(shi)，受到聲(sheng)波能(neng)(neng)量的(de)(de)激發(fa)便(bian)會產生(sheng)振動發(fa)生(sheng)機械(xie)(xie)形變從(cong)而(er)使(shi)晶(jing)(jing)體兩個表面(mian)產生(sheng)大小相(xiang)同極性相(xiang)反的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷(he)，形成超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波頻(pin)率的(de)(de)高頻(pin)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波探(tan)傷(shang)儀的(de)(de)接(jie)收電(dian)(dian)(dian)路正是(shi)通過對(dui)返回的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)信(xin)號進行一系列(lie)處理從(cong)而(er)判(pan)斷工(gong)件(jian)是(shi)否有傷(shang)。顯然，超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器的(de)(de)作用是(shi)實(shi)現聲(sheng)能(neng)(neng)與(yu)電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)的(de)(de)相(xiang)互轉(zhuan)換(huan)(huan)。

 壓電晶(jing)(jing)體分(fen)為單壓電晶(jing)(jing)體與多(duo)晶(jing)(jing)壓電陶瓷。其中，壓電陶瓷占有(you)相(xiang)當大的比重，是市場(chang)上應用最為廣泛(fan)的壓電材料。分(fen)述(shu)如下：

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

  b. 多晶體壓(ya)(ya)電陶瓷(ci):   鈦酸鋇壓(ya)(ya)電陶瓷(ci)、鋯鈦酸鉛系(xi)壓(ya)(ya)電陶瓷(ci)、鈮酸鹽系(xi)壓(ya)(ya)電陶瓷(ci)和鈮鎂酸鉛壓(ya)(ya)電陶為(wei)代表性(xing)的壓(ya)(ya)電陶瓷(ci)。

3. 壓電單(dan)晶體

 石英(ying)(ying)晶(jing)體性能(neng)(neng)穩定，機(ji)械強度高(gao)，絕緣性能(neng)(neng)好，但價格(ge)昂貴，壓(ya)電(dian)(dian)(dian)系數遠低于(yu)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷，所以一(yi)般僅(jin)用于(yu)標準(zhun)儀器或要求較高(gao)的傳感器。石英(ying)(ying)晶(jing)體諧(xie)振器具(ju)有很高(gao)的品質因(yin)數和穩定性，可(ke)用于(yu)對講機(ji)、電(dian)(dian)(dian)子手表、電(dian)(dian)(dian)視機(ji)、電(dian)(dian)(dian)子儀器等產品的諧(xie)振腔，如圖(tu)3.2所示(shi)為石英(ying)(ying)晶(jing)體的壓(ya)電(dian)(dian)(dian)模型。

 此外，酒石酸(suan)(suan)鉀(jia)鈉、酒石酸(suan)(suan)乙烯二(er)銨、酒石酸(suan)(suan)二(er)鉀(jia)、硫酸(suan)(suan)鉀(jia)等(deng)水(shui)溶性壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體是(shi)常見的單(dan)晶(jing)(jing)(jing)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)材料。目前，通過單(dan)晶(jing)(jing)(jing)化來提高多(duo)晶(jing)(jing)(jing)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)（如鈦酸(suan)(suan)鉛）的壓(ya)電(dian)(dian)(dian)性能(neng)是(shi)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)材料的研(yan)究熱點之一(yi)。

4. 多晶體(ti)壓電(dian)陶瓷

  多(duo)晶體(ti)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)是(shi)一種具有(you)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應的功(gong)(gong)能(neng)陶(tao)瓷(ci)材料(liao)(liao)，在高(gao)溫下(xia)將氧化(hua)物混合(he)燒結(jie)，可以(yi)實(shi)現(xian)機械能(neng)和電(dian)(dian)能(neng)的轉(zhuan)換。目前(qian)市場上常見的多(duo)晶體(ti)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)為(wei)鋯鈦酸鉛（PZT)系(xi)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)材料(liao)(liao)。壓(ya)(ya)電(dian)(dian)材料(liao)(liao)的研究熱點主要有(you)：①. 低溫燒結(jie)PZT陶(tao)瓷(ci)；②. 大功(gong)(gong)率高(gao)轉(zhuan)換效率的PZT壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)；③. 壓(ya)(ya)電(dian)(dian)復合(he)材料(liao)(liao)；④. 無鉛壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)；⑤. 單晶化(hua)。如(ru)圖3.3所示為(wei)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)的發展歷(li)史。

5. 壓(ya)電晶(jing)體(ti)的主要性(xing)能參數(shu)

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)電應(ying)變(bian)常數(shu)表(biao)示單(dan)位電壓(ya)作用于壓(ya)電晶體時所產生(sheng)的應(ying)變(bian)大(da)小，其表(biao)達式(shi)為(wei)

  d₃₃ = Δt/U

  式中 Δt-晶片在厚度方向的形變量，單位為m(米）；

         U--施(shi)加(jia)在(zai)壓電晶片兩面的(de)應力，單(dan)位為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)(ya)電電壓(ya)(ya)常數表(biao)示施加在壓(ya)(ya)電晶(jing)片上的單位應力所產生的壓(ya)(ya)電梯度大小，其表(biao)達式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加在(zai)壓電(dian)晶片兩面的(de)應力，單位(wei)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

介電常數是表示絕緣能(neng)力特性(xing)的一個系數，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(ban)距(ju)離；

       A-電容器極板面積(ji)。

 由介電(dian)(dian)常數表(biao)達式可知(zhi)，當電(dian)(dian)容(rong)器(qi)極板距(ju)離(li)和面積一(yi)(yi)定時(shi)，介電(dian)(dian)常數ε越(yue)大(da)，電(dian)(dian)容(rong)C越(yue)大(da)，即電(dian)(dian)容(rong)器(qi)存儲電(dian)(dian)量越(yue)多。壓(ya)電(dian)(dian)晶體(ti)的ε應(ying)根據不同的用途來選取。超聲波(bo)檢測的壓(ya)電(dian)(dian)晶體(ti)，頻(pin)率要求高時(shi)，應(ying)小一(yi)(yi)些。由于(yu)ε小、C小，電(dian)(dian)容(rong)器(qi)充(chong)放電(dian)(dian)時(shi)間(jian)短，頻(pin)率高。反之，應(ying)該大(da)一(yi)(yi)些。

d. 機電耦合系數 K

 機(ji)(ji)電耦(ou)合(he)系數K,表示壓(ya)電材料機(ji)(ji)械(xie)能（聲能）與電能的轉換效率，即

 K= 轉換(huan)的能量(liang)/輸(shu)入(ru)的能量(liang)

 對于正壓電效(xiao)應(ying)，K=轉換(huan)的電能(neng)／輸(shu)入的機(ji)械能(neng)。對于負壓電效(xiao)應(ying)，K=轉換(huan)的機(ji)械能(neng)／輸(shu)入的電能(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

 壓電晶片在諧振時儲存的機(ji)(ji)械(xie)能E與一個(ge)周(zhou)期內損(sun)耗(hao)的能量E損(sun)之(zhi)比稱(cheng)為機(ji)(ji)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，壓電晶片在高(gao)頻電脈沖激勵下產生共振的條(tiao)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. 壓電晶(jing)體的(de)選用原則

 對于壓電(dian)超(chao)聲換(huan)能器采用(yong)的壓電(dian)晶片，其選用(yong)原則可參考如下：

  a. 性(xing)能指標適當，以(yi)滿足具(ju)體使(shi)用要求(qiu)為度量，不宜過(guo)分追求(qiu)各(ge)項性(xing)能的高(gao)指標；

  b. 工(gong)作性能要(yao)穩定、可靠；

  c. 價格(ge)低廉，加工方便。

超聲波(bo)換(huan)能器對晶片的(de)要求(qiu)如(ru)下：

  a. 機電耦合(he)系(xi)數K較大，以便(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。