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

  有一種晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)，當(dang)受到擠壓(ya)(ya)或者拉(la)伸作(zuo)用(yong)力的(de)(de)時(shi)候(hou)，產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)形變，使(shi)得其中的(de)(de)帶電(dian)(dian)(dian)質點發生(sheng)(sheng)相對位移(yi)，因此大(da)小相等極性相反的(de)(de)正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)荷(he)和負電(dian)(dian)(dian)荷(he)會(hui)出(chu)現(xian)(xian)在晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)表面，然后在兩端產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)不同(tong)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷(he)，此時(shi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)將處于帶電(dian)(dian)(dian)狀態，并且由作(zuo)用(yong)力產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷(he)量與作(zuo)用(yong)力的(de)(de)大(da)小成(cheng)正(zheng)(zheng)比；當(dang)作(zuo)用(yong)力撤去之后，晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)恢復到它的(de)(de)中性狀態，這(zhe)(zhe)種現(xian)(xian)象(xiang)被稱(cheng)作(zuo)正(zheng)(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)。當(dang)此類晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)處于電(dian)(dian)(dian)場(chang)中時(shi)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)會(hui)沿一定的(de)(de)方向產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)機械形變；電(dian)(dian)(dian)場(chang)撤去之后形變消失，晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)恢復原狀，這(zhe)(zhe)種現(xian)(xian)象(xiang)被稱(cheng)為逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)或電(dian)(dian)(dian)致伸縮效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)。正(zheng)(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)與逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)被統(tong)稱(cheng)為壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)，如圖3.1所示(shi)。這(zhe)(zhe)種物理現(xian)(xian)象(xiang)在1880年被居里(li)兄(xiong)弟發現(xian)(xian)，正(zheng)(zheng)是由于這(zhe)(zhe)種現(xian)(xian)象(xiang)，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)被廣(guang)泛應(ying)(ying)用(yong)于產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)超聲波的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)振蕩器。

  壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)的原理是，如(ru)果對壓(ya)(ya)電(dian)(dian)材料施加壓(ya)(ya)力(li)，就會產(chan)(chan)生(sheng)電(dian)(dian)位差（稱(cheng)為(wei)正(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)），反(fan)之施加電(dian)(dian)壓(ya)(ya)時，會產(chan)(chan)生(sheng)機(ji)(ji)械(xie)應(ying)(ying)力(li)（稱(cheng)為(wei)逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)(ying)）。如(ru)果壓(ya)(ya)力(li)是高頻(pin)振動(dong)，就會產(chan)(chan)生(sheng)高頻(pin)電(dian)(dian)流。當(dang)高頻(pin)電(dian)(dian)信號(hao)應(ying)(ying)用于壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶瓷上時，會產(chan)(chan)生(sheng)高頻(pin)聲信號(hao)（機(ji)(ji)械(xie)振動(dong)），通常稱(cheng)為(wei)超聲信號(hao)。也就是說，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶片(pian)可以因機(ji)(ji)械(xie)形變(bian)(bian)產(chan)(chan)生(sheng)電(dian)(dian)場，也可以因電(dian)(dian)場的作用產(chan)(chan)生(sheng)機(ji)(ji)械(xie)形變(bian)(bian)，實現(xian)機(ji)(ji)械(xie)能(neng)與電(dian)(dian)能(neng)之間的轉換(huan)和逆轉換(huan)，這種內在的機(ji)(ji)電(dian)(dian)耦合(he)效應(ying)(ying)使得壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶體(ti)在工程中得到(dao)了廣泛的應(ying)(ying)用。

2. 壓電晶體

  在(zai)機械力的作用下，產(chan)生形變，使帶電(dian)粒子具有相對(dui)位(wei)移，使晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)表(biao)面具有正負束縛(fu)電(dian)荷，這樣(yang)的晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)叫作壓(ya)電(dian)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)。壓(ya)電(dian)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)極軸兩端產(chan)生的電(dian)勢差的性質稱為壓(ya)電(dian)特性。分為單晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)與多(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)，其中多(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)(liao)又稱作壓(ya)電(dian)陶瓷。硫酸(suan)鋰(li)、鈮(ni)酸(suan)鋰(li)、石英等(deng)為常(chang)用的單晶(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)。常(chang)用的多(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)有鈦(tai)酸(suan)鋇(bei)、鈦(tai)酸(suan)鉛(qian)等(deng)。多(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)(liao)又稱為壓(ya)電(dian)陶瓷。其中單晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)(liao)對(dui)接收更靈(ling)敏，多(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的發射靈(ling)敏度較(jiao)高。

  超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)換能(neng)(neng)(neng)器(qi)中的(de)(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)片具有壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)，可(ke)利用超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)換能(neng)(neng)(neng)器(qi)中壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)芯(xin)片的(de)(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)實(shi)現超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)(de)產(chan)生和接(jie)收(shou)。在壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)體兩(liang)側的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)通交(jiao)流電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，通過逆壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)可(ke)知，晶(jing)片會在厚度方向產(chan)生伸(shen)縮的(de)(de)(de)機(ji)械振(zhen)動(dong)，將電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)轉換成(cheng)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)能(neng)(neng)(neng)（機(ji)械能(neng)(neng)(neng)），此時探頭(tou)便(bian)發(fa)射出超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)，再通過合適的(de)(de)(de)耦合劑與待(dai)檢測工件連接(jie)，振(zhen)動(dong)產(chan)生的(de)(de)(de)超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)便(bian)進(jin)入(ru)了工件。當壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)片接(jie)收(shou)到超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)時，受(shou)到聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)能(neng)(neng)(neng)量的(de)(de)(de)激發(fa)便(bian)會產(chan)生振(zhen)動(dong)發(fa)生機(ji)械形變從而使晶(jing)體兩(liang)個表(biao)面(mian)產(chan)生大(da)小相同極(ji)性相反的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷，形成(cheng)超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)頻(pin)率(lv)的(de)(de)(de)高頻(pin)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)，超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)探傷儀的(de)(de)(de)接(jie)收(shou)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路正是(shi)(shi)通過對返回的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)信號進(jin)行一(yi)系列處理從而判斷工件是(shi)(shi)否有傷。顯然，超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)換能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)作用是(shi)(shi)實(shi)現聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)能(neng)(neng)(neng)與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)相互轉換。

 壓(ya)(ya)電(dian)晶體(ti)分為單壓(ya)(ya)電(dian)晶體(ti)與多晶壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷。其中，壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷占有相當大的(de)比重，是(shi)市場(chang)上應(ying)用最為廣泛(fan)的(de)壓(ya)(ya)電(dian)材料。分述如下：

  a. 壓電單(dan)晶體:  石英、水溶性壓電晶體（酒(jiu)石酸鉀(jia)鈉、酒(jiu)石酸乙烯二銨(an)、酒(jiu)石酸二鉀(jia)、硫(liu)酸鉀(jia)等）。

  b. 多(duo)晶(jing)體壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci):   鈦(tai)酸鋇壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)、鋯(gao)鈦(tai)酸鉛系(xi)壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)、鈮酸鹽系(xi)壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)和鈮鎂(mei)酸鉛壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)為(wei)代(dai)表性的(de)壓(ya)(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)。

3. 壓電單晶體

 石(shi)英晶體(ti)性能穩定，機械強(qiang)度(du)高(gao)，絕(jue)緣性能好，但價(jia)格昂貴，壓(ya)電(dian)(dian)系數(shu)遠低于壓(ya)電(dian)(dian)陶瓷，所以一般(ban)僅用于標準儀(yi)器或(huo)要求較高(gao)的(de)(de)傳(chuan)感器。石(shi)英晶體(ti)諧振器具(ju)有很高(gao)的(de)(de)品質因(yin)數(shu)和穩定性，可用于對講機、電(dian)(dian)子手表(biao)、電(dian)(dian)視機、電(dian)(dian)子儀(yi)器等(deng)產(chan)品的(de)(de)諧振腔(qiang)，如圖3.2所示(shi)為石(shi)英晶體(ti)的(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)模(mo)型。

 此外，酒(jiu)石酸鉀鈉、酒(jiu)石酸乙烯(xi)二(er)銨、酒(jiu)石酸二(er)鉀、硫酸鉀等水溶(rong)性壓(ya)電晶體(ti)是常見的單(dan)晶壓(ya)電材(cai)料。目(mu)前，通過單(dan)晶化來提(ti)高多(duo)晶壓(ya)電陶瓷(ci)（如(ru)鈦酸鉛）的壓(ya)電性能是壓(ya)電材(cai)料的研(yan)究(jiu)熱點之(zhi)一(yi)。

4. 多晶體壓(ya)電陶瓷(ci)

  多(duo)晶(jing)體(ti)壓電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)是一種具有(you)壓電(dian)效應的(de)(de)(de)功能陶(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，在高溫(wen)下將氧(yang)化(hua)物(wu)混(hun)合(he)(he)燒(shao)結(jie)，可以實現機械能和電(dian)能的(de)(de)(de)轉(zhuan)換(huan)。目前(qian)市場(chang)上常(chang)見的(de)(de)(de)多(duo)晶(jing)體(ti)壓電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)為鋯鈦酸鉛（PZT)系壓電(dian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)。壓電(dian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)研究熱點主(zhu)要(yao)有(you)：①. 低溫(wen)燒(shao)結(jie)PZT陶(tao)(tao)瓷(ci)；②. 大(da)功率(lv)高轉(zhuan)換(huan)效率(lv)的(de)(de)(de)PZT壓電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)；③. 壓電(dian)復(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)；④. 無鉛壓電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)；⑤. 單(dan)晶(jing)化(hua)。如圖3.3所示為壓電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)的(de)(de)(de)發展歷史。

5. 壓(ya)電(dian)晶體的(de)主要性能(neng)參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)(ya)電應變(bian)(bian)常數表(biao)示(shi)單位電壓(ya)(ya)作用于壓(ya)(ya)電晶(jing)體(ti)時所產生的應變(bian)(bian)大小，其表(biao)達式為

  d₃₃ = Δt/U

  式中 Δt-晶片在厚度方向的形變(bian)量，單位為m(米）；

         U--施加在(zai)壓電晶片兩面的(de)應(ying)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)電電壓(ya)常數表示(shi)施加在壓(ya)電晶片上(shang)的(de)單(dan)位應力(li)所產(chan)生的(de)壓(ya)電梯度大小，其(qi)表達(da)式為

  g₃₃ = U_p/P

 式(shi)中 P-施加在壓電(dian)晶片兩面(mian)的(de)應(ying)力(li)，單(dan)位為(wei)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(jie)電常數是表示(shi)絕緣能力(li)特性(xing)的一個系數，其表達式為

 ε=C t/A

 式中 C-電(dian)(dian)容器電(dian)(dian)容；

       t-電容(rong)器(qi)極板距離；

       A-電容器極板面積。

 由(you)介電(dian)(dian)(dian)常數(shu)(shu)表達式(shi)可知，當電(dian)(dian)(dian)容(rong)器極板距離和面積一(yi)定時，介電(dian)(dian)(dian)常數(shu)(shu)ε越大(da)，電(dian)(dian)(dian)容(rong)C越大(da)，即電(dian)(dian)(dian)容(rong)器存儲電(dian)(dian)(dian)量越多(duo)。壓電(dian)(dian)(dian)晶體(ti)的(de)ε應根據不同的(de)用(yong)途來選取。超聲波(bo)檢測的(de)壓電(dian)(dian)(dian)晶體(ti)，頻率要求(qiu)高時，應小(xiao)一(yi)些。由(you)于ε小(xiao)、C小(xiao)，電(dian)(dian)(dian)容(rong)器充放電(dian)(dian)(dian)時間(jian)短，頻率高。反(fan)之，應該(gai)大(da)一(yi)些。

d. 機(ji)電(dian)耦合(he)系(xi)數(shu) K

 機(ji)電(dian)耦(ou)合系數(shu)K,表示壓(ya)電(dian)材料(liao)機(ji)械能(neng)（聲能(neng)）與電(dian)能(neng)的轉換效率，即

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

 對于(yu)正壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)，K=轉換(huan)的電(dian)(dian)(dian)能(neng)／輸(shu)入的機(ji)械(xie)能(neng)。對于(yu)負壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)，K=轉換(huan)的機(ji)械(xie)能(neng)／輸(shu)入的電(dian)(dian)(dian)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(xie)振時儲存的機械能E與(yu)一個(ge)周期內(nei)損耗的能量E損之比稱為(wei)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

 由駐波(bo)理論(lun)可知，壓電(dian)晶片在高頻電(dian)脈沖激(ji)勵下(xia)產生共振的條件(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. 壓電晶體的選用原則

 對于(yu)壓電(dian)(dian)超聲(sheng)換(huan)能器采用的(de)壓電(dian)(dian)晶片，其選用原(yuan)則可參考(kao)如下：

  a. 性能指(zhi)標(biao)適當，以滿(man)足具體(ti)使用要求為度(du)量，不宜過分追求各項(xiang)性能的高(gao)指(zhi)標(biao)；

  b. 工(gong)作性能要穩定、可靠；

  c. 價格低廉，加(jia)工方便。

超聲波換能器對(dui)晶片(pian)的要求如下：

  a. 機電(dian)耦合系數K較大，以便獲得較高的轉換效(xiao)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。