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)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)，當(dang)受到擠(ji)壓(ya)或者拉伸(shen)作用(yong)力的(de)時(shi)候，產生(sheng)形(xing)變(bian)，使(shi)得(de)其(qi)中的(de)帶電(dian)(dian)質點發生(sheng)相(xiang)對位移，因此大小相(xiang)等極性相(xiang)反的(de)正電(dian)(dian)荷(he)(he)和負(fu)電(dian)(dian)荷(he)(he)會出(chu)現在(zai)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)表面，然后(hou)(hou)在(zai)兩端(duan)產生(sheng)不同(tong)的(de)電(dian)(dian)荷(he)(he)，此時(shi)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)將處(chu)于(yu)帶電(dian)(dian)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)，并且由作用(yong)力產生(sheng)的(de)電(dian)(dian)荷(he)(he)量(liang)與作用(yong)力的(de)大小成正比(bi)；當(dang)作用(yong)力撤去之后(hou)(hou)，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)恢復到它(ta)的(de)中性狀(zhuang)(zhuang)態(tai)，這種(zhong)現象(xiang)被(bei)(bei)稱作正壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)。當(dang)此類晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)處(chu)于(yu)電(dian)(dian)場中時(shi)，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)會沿一定的(de)方(fang)向產生(sheng)機(ji)械形(xing)變(bian)；電(dian)(dian)場撤去之后(hou)(hou)形(xing)變(bian)消失(shi)，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)恢復原狀(zhuang)(zhuang)，這種(zhong)現象(xiang)被(bei)(bei)稱為逆(ni)壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)或電(dian)(dian)致伸(shen)縮效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)。正壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)與逆(ni)壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)被(bei)(bei)統稱為壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)，如(ru)圖3.1所(suo)示。這種(zhong)物理現象(xiang)在(zai)1880年被(bei)(bei)居里(li)兄(xiong)弟發現，正是由于(yu)這種(zhong)現象(xiang)，壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)被(bei)(bei)廣泛應(ying)(ying)用(yong)于(yu)產生(sheng)超聲(sheng)波(bo)的(de)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)振(zhen)蕩器(qi)。

  壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)(ying)的(de)原理是(shi)，如(ru)果對(dui)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)材(cai)料施加壓(ya)(ya)力(li)，就會(hui)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)(dian)位差（稱為正壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)(ying)），反之施加電(dian)(dian)壓(ya)(ya)時，會(hui)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)機械應(ying)(ying)(ying)力(li)（稱為逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)(ying)）。如(ru)果壓(ya)(ya)力(li)是(shi)高頻(pin)振動，就會(hui)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)高頻(pin)電(dian)(dian)流(liu)。當高頻(pin)電(dian)(dian)信號(hao)應(ying)(ying)(ying)用(yong)于壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶瓷上(shang)時，會(hui)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)高頻(pin)聲信號(hao)（機械振動），通常稱為超(chao)聲信號(hao)。也就是(shi)說，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶片(pian)可(ke)以因機械形(xing)變(bian)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)(dian)場，也可(ke)以因電(dian)(dian)場的(de)作用(yong)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)機械形(xing)變(bian)，實現機械能與電(dian)(dian)能之間的(de)轉(zhuan)換和逆轉(zhuan)換，這(zhe)種(zhong)內在的(de)機電(dian)(dian)耦合效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)(ying)使得壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶體在工程中得到了廣泛的(de)應(ying)(ying)(ying)用(yong)。

2. 壓(ya)電(dian)晶體

  在(zai)機械力的作用下(xia)，產(chan)(chan)生形變，使(shi)帶電(dian)粒子具有(you)相對位移，使(shi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)表面具有(you)正負束縛電(dian)荷(he)，這樣的晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)叫作壓(ya)電(dian)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)。壓(ya)電(dian)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)極軸兩(liang)端產(chan)(chan)生的電(dian)勢差的性(xing)質稱為(wei)壓(ya)電(dian)特性(xing)。分為(wei)單晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)與多晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)，其中多晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)材(cai)(cai)(cai)(cai)料又(you)稱作壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)。硫酸(suan)鋰、鈮酸(suan)鋰、石英等為(wei)常用的單晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)(cai)(cai)(cai)料。常用的多晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)(cai)(cai)(cai)料有(you)鈦酸(suan)鋇、鈦酸(suan)鉛等。多晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)材(cai)(cai)(cai)(cai)料又(you)稱為(wei)壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)。其中單晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)材(cai)(cai)(cai)(cai)料對接收更靈敏(min)，多晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)(cai)(cai)(cai)料的發(fa)射靈敏(min)度較高。

  超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波換能(neng)器(qi)中的(de)壓電(dian)晶片具(ju)有壓電(dian)效(xiao)應，可利用超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換能(neng)器(qi)中壓電(dian)芯片的(de)壓電(dian)效(xiao)應實(shi)現超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波的(de)產生(sheng)和接(jie)收。在(zai)壓電(dian)晶體兩側(ce)的(de)電(dian)極通(tong)交流電(dian)，通(tong)過(guo)逆壓電(dian)效(xiao)應可知(zhi)，晶片會在(zai)厚度方向產生(sheng)伸縮的(de)機械振動(dong)，將電(dian)能(neng)轉換成(cheng)聲(sheng)能(neng)（機械能(neng)），此時探頭便發射出超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波，再(zai)通(tong)過(guo)合適(shi)的(de)耦合劑與待(dai)檢(jian)測工件(jian)(jian)連接(jie)，振動(dong)產生(sheng)的(de)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波便進入了工件(jian)(jian)。當壓電(dian)晶片接(jie)收到超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波時，受到聲(sheng)波能(neng)量的(de)激發便會產生(sheng)振動(dong)發生(sheng)機械形變從而(er)使(shi)晶體兩個表面產生(sheng)大小相同(tong)極性相反(fan)的(de)電(dian)荷，形成(cheng)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波頻率的(de)高頻電(dian)壓，超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波探傷儀的(de)接(jie)收電(dian)路(lu)正是通(tong)過(guo)對(dui)返回的(de)電(dian)信(xin)號進行一系列處(chu)理從而(er)判(pan)斷工件(jian)(jian)是否(fou)有傷。顯(xian)然，超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波換能(neng)器(qi)的(de)作用是實(shi)現聲(sheng)能(neng)與電(dian)能(neng)的(de)相互轉換。

 壓(ya)(ya)電晶體(ti)分為單壓(ya)(ya)電晶體(ti)與多晶壓(ya)(ya)電陶(tao)瓷(ci)。其中(zhong)，壓(ya)(ya)電陶(tao)瓷(ci)占有相當(dang)大(da)的比重，是市(shi)場上應用最(zui)為廣泛的壓(ya)(ya)電材料。分述(shu)如下：

  a. 壓電(dian)單晶(jing)體:  石(shi)(shi)英、水溶(rong)性壓電(dian)晶(jing)體（酒石(shi)(shi)酸(suan)(suan)鉀(jia)鈉、酒石(shi)(shi)酸(suan)(suan)乙烯二(er)(er)銨、酒石(shi)(shi)酸(suan)(suan)二(er)(er)鉀(jia)、硫酸(suan)(suan)鉀(jia)等）。

  b. 多(duo)晶體壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷:   鈦酸(suan)(suan)鋇壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷、鋯鈦酸(suan)(suan)鉛系壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷、鈮酸(suan)(suan)鹽系壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷和鈮鎂酸(suan)(suan)鉛壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)為代(dai)表(biao)性的壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷。

3. 壓電單晶體(ti)

 石英(ying)(ying)晶體性能穩定(ding)，機(ji)械強度(du)高，絕緣性能好，但價格昂貴，壓電(dian)(dian)系數遠低于壓電(dian)(dian)陶瓷，所以一般僅用于標準(zhun)儀器(qi)或要求較高的(de)傳感器(qi)。石英(ying)(ying)晶體諧振器(qi)具有(you)很高的(de)品(pin)質因數和穩定(ding)性，可用于對(dui)講(jiang)機(ji)、電(dian)(dian)子(zi)手表、電(dian)(dian)視機(ji)、電(dian)(dian)子(zi)儀器(qi)等產(chan)品(pin)的(de)諧振腔，如圖3.2所示(shi)為(wei)石英(ying)(ying)晶體的(de)壓電(dian)(dian)模型。

 此外，酒(jiu)石酸(suan)(suan)鉀(jia)鈉、酒(jiu)石酸(suan)(suan)乙烯二銨、酒(jiu)石酸(suan)(suan)二鉀(jia)、硫(liu)酸(suan)(suan)鉀(jia)等水溶性壓電晶體是常見的單晶壓電材(cai)料。目(mu)前，通過單晶化來提(ti)高多(duo)晶壓電陶瓷（如鈦酸(suan)(suan)鉛）的壓電性能是壓電材(cai)料的研究熱點之一。

4. 多晶體壓電陶瓷

  多晶體(ti)壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)是一種具有壓(ya)電(dian)效應的(de)功能(neng)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材料，在高溫下將氧(yang)化(hua)物混合燒結(jie)(jie)，可以實現機械能(neng)和電(dian)能(neng)的(de)轉換(huan)。目前市(shi)場上(shang)常見的(de)多晶體(ti)壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)為(wei)鋯(gao)鈦酸鉛（PZT)系壓(ya)電(dian)材料。壓(ya)電(dian)材料的(de)研究(jiu)熱點(dian)主要有：①. 低溫燒結(jie)(jie)PZT陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；②. 大功率(lv)高轉換(huan)效率(lv)的(de)PZT壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；③. 壓(ya)電(dian)復合材料；④. 無(wu)鉛壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；⑤. 單晶化(hua)。如圖3.3所示為(wei)壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)的(de)發展歷史。

5. 壓電晶體的主(zhu)要性能(neng)參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)電(dian)應(ying)變常數表示單位電(dian)壓(ya)作(zuo)用(yong)于(yu)壓(ya)電(dian)晶(jing)體時(shi)所產生(sheng)的應(ying)變大小，其表達式為

  d₃₃ = Δt/U

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

         U--施加在壓電(dian)晶片(pian)兩(liang)面的應力，單位為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(shi)加在壓(ya)電(dian)晶片上(shang)的單(dan)位應力所產生的壓(ya)電(dian)梯度(du)大小，其表達(da)式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加在壓(ya)電(dian)晶片兩面的應(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. 介電常數 ε

介電常數是(shi)表示絕緣能力特性(xing)的一個系數，其表達(da)式為

 ε=C t/A

 式中 C-電容器電容；

       t-電容(rong)器極板距離；

       A-電容(rong)器極板面(mian)積。

 由介(jie)電(dian)(dian)常(chang)數表達(da)式可知(zhi)，當電(dian)(dian)容(rong)器極板距離和面積一定時，介(jie)電(dian)(dian)常(chang)數ε越(yue)大，電(dian)(dian)容(rong)C越(yue)大，即(ji)電(dian)(dian)容(rong)器存儲電(dian)(dian)量(liang)越(yue)多(duo)。壓電(dian)(dian)晶體(ti)的ε應(ying)根據不同(tong)的用途來(lai)選取。超聲波檢測(ce)的壓電(dian)(dian)晶體(ti)，頻率(lv)要求高時，應(ying)小(xiao)一些。由于ε小(xiao)、C小(xiao)，電(dian)(dian)容(rong)器充放(fang)電(dian)(dian)時間短，頻率(lv)高。反之，應(ying)該大一些。

d. 機電耦合系數 K

 機電耦合系(xi)數K,表示壓電材(cai)料機械能(neng)（聲能(neng)）與電能(neng)的轉換效率(lv)，即(ji)

 K= 轉(zhuan)換(huan)的能量/輸入的能量

 對(dui)于正壓(ya)電(dian)效應(ying)，K=轉換的電(dian)能／輸(shu)入(ru)的機(ji)(ji)械能。對(dui)于負壓(ya)電(dian)效應(ying)，K=轉換的機(ji)(ji)械能／輸(shu)入(ru)的電(dian)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(pian)在(zai)諧振時儲存的機(ji)械能E與(yu)一個周期內損耗的能量E損之比稱(cheng)為機(ji)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

 由駐波(bo)理論可知，壓電晶片(pian)在高(gao)頻電脈沖激勵下(xia)產生(sheng)共振的(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. 壓電晶體的選用原則(ze)

 對于(yu)壓(ya)電(dian)(dian)超聲換能(neng)器(qi)采用的壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)片，其選用原則可(ke)參考如下：

  a. 性(xing)能(neng)指標(biao)適當，以滿足(zu)具體使用要求(qiu)為度量，不宜過分追求(qiu)各項性(xing)能(neng)的高指標(biao)；

  b. 工作性能要穩定、可(ke)靠(kao)；

  c. 價格低廉，加工方(fang)便(bian)。

超聲(sheng)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(de)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。