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(zhong)(zhong)(zhong)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)，當受到擠壓(ya)(ya)或(huo)者拉伸(shen)作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)(li)的(de)(de)(de)時候，產(chan)生(sheng)形(xing)(xing)變，使得其(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)帶電(dian)質點發生(sheng)相(xiang)對位移，因此大(da)小相(xiang)等極性相(xiang)反的(de)(de)(de)正(zheng)電(dian)荷(he)和負電(dian)荷(he)會(hui)出現(xian)在(zai)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)表面，然后在(zai)兩端產(chan)生(sheng)不(bu)同的(de)(de)(de)電(dian)荷(he)，此時晶(jing)(jing)體(ti)(ti)將(jiang)處于(yu)帶電(dian)狀(zhuang)態(tai)，并且由作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)(li)產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)電(dian)荷(he)量與(yu)作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)(li)的(de)(de)(de)大(da)小成正(zheng)比；當作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)(li)撤去(qu)之后，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)恢(hui)復到它(ta)的(de)(de)(de)中(zhong)性狀(zhuang)態(tai)，這(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)現(xian)象(xiang)(xiang)被(bei)稱作(zuo)(zuo)正(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)效(xiao)應。當此類晶(jing)(jing)體(ti)(ti)處于(yu)電(dian)場(chang)中(zhong)時，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)會(hui)沿一定(ding)的(de)(de)(de)方向(xiang)產(chan)生(sheng)機械形(xing)(xing)變；電(dian)場(chang)撤去(qu)之后形(xing)(xing)變消失，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)恢(hui)復原狀(zhuang)，這(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)現(xian)象(xiang)(xiang)被(bei)稱為逆壓(ya)(ya)電(dian)效(xiao)應或(huo)電(dian)致伸(shen)縮效(xiao)應。正(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)效(xiao)應與(yu)逆壓(ya)(ya)電(dian)效(xiao)應被(bei)統(tong)稱為壓(ya)(ya)電(dian)效(xiao)應，如圖3.1所示。這(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)物理現(xian)象(xiang)(xiang)在(zai)1880年被(bei)居里兄(xiong)弟發現(xian)，正(zheng)是由于(yu)這(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)現(xian)象(xiang)(xiang)，壓(ya)(ya)電(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)被(bei)廣(guang)泛應用(yong)于(yu)產(chan)生(sheng)超聲波的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)振蕩(dang)器。

  壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)的(de)原理是(shi)，如果(guo)(guo)對壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材(cai)料施加壓(ya)(ya)(ya)力(li)，就(jiu)會(hui)產(chan)生電(dian)(dian)位差(cha)（稱(cheng)為(wei)正壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)），反(fan)之施加電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)時，會(hui)產(chan)生機(ji)械(xie)(xie)應(ying)力(li)（稱(cheng)為(wei)逆(ni)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)）。如果(guo)(guo)壓(ya)(ya)(ya)力(li)是(shi)高頻(pin)振(zhen)動(dong)，就(jiu)會(hui)產(chan)生高頻(pin)電(dian)(dian)流。當高頻(pin)電(dian)(dian)信號(hao)應(ying)用于壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶瓷上(shang)時，會(hui)產(chan)生高頻(pin)聲信號(hao)（機(ji)械(xie)(xie)振(zhen)動(dong)），通常稱(cheng)為(wei)超聲信號(hao)。也(ye)就(jiu)是(shi)說，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)晶片可以因機(ji)械(xie)(xie)形變產(chan)生電(dian)(dian)場(chang)，也(ye)可以因電(dian)(dian)場(chang)的(de)作(zuo)用產(chan)生機(ji)械(xie)(xie)形變，實現機(ji)械(xie)(xie)能(neng)與電(dian)(dian)能(neng)之間的(de)轉換和(he)逆(ni)轉換，這種(zhong)內在的(de)機(ji)電(dian)(dian)耦(ou)合(he)效(xiao)應(ying)使得(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)晶體在工程中得(de)到了廣泛(fan)的(de)應(ying)用。

2. 壓電晶體

  在(zai)機械力的(de)(de)作(zuo)用下，產生(sheng)形(xing)變(bian)，使(shi)帶電(dian)(dian)粒(li)子具有相對位移，使(shi)晶(jing)(jing)體(ti)表面具有正(zheng)負束縛電(dian)(dian)荷，這樣的(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)叫(jiao)作(zuo)壓電(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)。壓電(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)極(ji)軸兩端產生(sheng)的(de)(de)電(dian)(dian)勢差的(de)(de)性(xing)質稱(cheng)為(wei)壓電(dian)(dian)特性(xing)。分為(wei)單晶(jing)(jing)體(ti)與多(duo)(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)體(ti)，其(qi)中多(duo)(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)(liao)又稱(cheng)作(zuo)壓電(dian)(dian)陶瓷(ci)。硫(liu)酸(suan)(suan)鋰、鈮酸(suan)(suan)鋰、石英等為(wei)常用的(de)(de)單晶(jing)(jing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)。常用的(de)(de)多(duo)(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)有鈦酸(suan)(suan)鋇、鈦酸(suan)(suan)鉛等。多(duo)(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)(liao)又稱(cheng)為(wei)壓電(dian)(dian)陶瓷(ci)。其(qi)中單晶(jing)(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)(liao)對接收更(geng)靈敏，多(duo)(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)發射靈敏度較高。

  超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)中的(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)片具有(you)(you)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)，可利用超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)中壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)芯片的(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)實(shi)現(xian)(xian)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)產生(sheng)和接(jie)收。在(zai)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體兩(liang)側的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極通(tong)(tong)交流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，通(tong)(tong)過(guo)(guo)逆壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)可知，晶(jing)(jing)片會(hui)在(zai)厚度方(fang)向產生(sheng)伸縮(suo)的(de)機(ji)械(xie)(xie)振動(dong)，將(jiang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)轉換(huan)成聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)能(neng)（機(ji)械(xie)(xie)能(neng)），此(ci)時(shi)探(tan)頭(tou)便發(fa)射出超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)，再通(tong)(tong)過(guo)(guo)合適的(de)耦合劑與(yu)待(dai)檢(jian)測工件(jian)連接(jie)，振動(dong)產生(sheng)的(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)便進入了工件(jian)。當(dang)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)片接(jie)收到(dao)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)時(shi)，受到(dao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)能(neng)量的(de)激發(fa)便會(hui)產生(sheng)振動(dong)發(fa)生(sheng)機(ji)械(xie)(xie)形變從而(er)使(shi)晶(jing)(jing)體兩(liang)個(ge)表面(mian)產生(sheng)大小相(xiang)同極性相(xiang)反的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷，形成超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)頻率的(de)高(gao)頻電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)探(tan)傷儀的(de)接(jie)收電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路正是通(tong)(tong)過(guo)(guo)對返(fan)回的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)信號進行一系列處理從而(er)判斷工件(jian)是否(fou)有(you)(you)傷。顯然，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)的(de)作用是實(shi)現(xian)(xian)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)能(neng)與(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)的(de)相(xiang)互轉換(huan)。

 壓電晶(jing)體(ti)分為單壓電晶(jing)體(ti)與(yu)多晶(jing)壓電陶瓷。其(qi)中(zhong)，壓電陶瓷占有相(xiang)當(dang)大的比重，是市場(chang)上應用最為廣泛的壓電材(cai)料。分述如(ru)下(xia)：

  a. 壓電單晶(jing)體:  石英(ying)、水溶性壓電晶(jing)體（酒(jiu)(jiu)石酸鉀(jia)鈉、酒(jiu)(jiu)石酸乙烯二銨、酒(jiu)(jiu)石酸二鉀(jia)、硫酸鉀(jia)等）。

  b. 多晶體(ti)壓(ya)電陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci):   鈦(tai)酸(suan)鋇壓(ya)電陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)、鋯鈦(tai)酸(suan)鉛系壓(ya)電陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)、鈮酸(suan)鹽系壓(ya)電陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)和鈮鎂酸(suan)鉛壓(ya)電陶(tao)為代(dai)表性(xing)的(de)壓(ya)電陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)。

3. 壓電單晶體(ti)

 石英晶體性能穩(wen)定，機械強(qiang)度(du)高，絕(jue)緣性能好，但價格昂貴，壓(ya)電系數(shu)遠低于壓(ya)電陶瓷，所以一般僅用于標(biao)準儀器(qi)(qi)(qi)(qi)或要求較高的傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)。石英晶體諧振器(qi)(qi)(qi)(qi)具有很高的品質因數(shu)和穩(wen)定性，可(ke)用于對(dui)講機、電子手表、電視機、電子儀器(qi)(qi)(qi)(qi)等(deng)產品的諧振腔，如圖3.2所示為石英晶體的壓(ya)電模型(xing)。

 此外，酒石酸(suan)(suan)鉀(jia)鈉(na)、酒石酸(suan)(suan)乙烯二銨、酒石酸(suan)(suan)二鉀(jia)、硫(liu)酸(suan)(suan)鉀(jia)等(deng)水溶性壓(ya)(ya)電(dian)晶(jing)體(ti)是常(chang)見的(de)單晶(jing)壓(ya)(ya)電(dian)材料。目前(qian)，通(tong)過(guo)單晶(jing)化來(lai)提高(gao)多(duo)晶(jing)壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷（如鈦(tai)酸(suan)(suan)鉛）的(de)壓(ya)(ya)電(dian)性能是壓(ya)(ya)電(dian)材料的(de)研(yan)究熱點之一(yi)。

4. 多(duo)晶體壓電陶瓷(ci)

  多(duo)晶(jing)體(ti)壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷是(shi)一種具(ju)有壓(ya)電效應(ying)的(de)(de)功(gong)能陶(tao)(tao)瓷材料(liao)(liao)，在高溫(wen)下將氧化物混合(he)燒(shao)結，可以實現(xian)機械能和電能的(de)(de)轉換(huan)。目前市場(chang)上常見的(de)(de)多(duo)晶(jing)體(ti)壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷為鋯(gao)鈦酸鉛（PZT)系壓(ya)電材料(liao)(liao)。壓(ya)電材料(liao)(liao)的(de)(de)研究熱點主要有：①. 低溫(wen)燒(shao)結PZT陶(tao)(tao)瓷；②. 大功(gong)率高轉換(huan)效率的(de)(de)PZT壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷；③. 壓(ya)電復合(he)材料(liao)(liao)；④. 無(wu)鉛壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷；⑤. 單晶(jing)化。如(ru)圖3.3所(suo)示為壓(ya)電陶(tao)(tao)瓷的(de)(de)發展歷史。

5. 壓電晶體的主要(yao)性能參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓電應變常數表示(shi)單位電壓作用(yong)于壓電晶體時(shi)所產生的應變大小，其表達式為

  d₃₃ = Δt/U

  式中(zhong) Δt-晶(jing)片在厚(hou)度方向的(de)形變量，單位為(wei)m(米）；

         U--施加在(zai)壓電晶片兩面的應力，單位為(wei)V(伏(fu)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(dian)電(dian)壓(ya)常(chang)數表示施加在壓(ya)電(dian)晶片(pian)上的單位應力所產生(sheng)的壓(ya)電(dian)梯度(du)大小，其表達式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施(shi)加在壓電(dian)晶片兩面的(de)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. 介電常數 ε

介電常數(shu)是表示絕(jue)緣(yuan)能力特性(xing)的一(yi)個系數(shu)，其表達式為

 ε=C t/A

 式(shi)中 C-電容器(qi)電容；

       t-電容器(qi)極板距離；

       A-電容(rong)器極板面積。

 由介電常數(shu)(shu)表達(da)式可知，當電容器(qi)極板(ban)距離和面積一(yi)定時(shi)，介電常數(shu)(shu)ε越大(da)，電容C越大(da)，即電容器(qi)存儲電量(liang)越多。壓電晶體的ε應(ying)根據不同的用(yong)途來選取。超聲(sheng)波檢測的壓電晶體，頻(pin)(pin)率(lv)要求高時(shi)，應(ying)小一(yi)些(xie)(xie)。由于(yu)ε小、C小，電容器(qi)充放(fang)電時(shi)間(jian)短，頻(pin)(pin)率(lv)高。反之，應(ying)該大(da)一(yi)些(xie)(xie)。

d. 機電耦(ou)合(he)系數 K

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

 K= 轉換(huan)的能(neng)(neng)量/輸入的能(neng)(neng)量

 對(dui)于正(zheng)壓電(dian)效(xiao)應(ying)，K=轉換的電(dian)能／輸(shu)入(ru)的機械(xie)能。對(dui)于負壓電(dian)效(xiao)應(ying)，K=轉換的機械(xie)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(ya)電晶片在(zai)諧振(zhen)時儲存的機(ji)械能E與一個周期內損耗的能量E損之(zhi)比稱為機(ji)械品質(zhi)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

 由駐波理論(lun)可知(zhi)，壓電晶片(pian)在高頻(pin)電脈沖(chong)激勵下產生共振的條件是

 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(ya)電晶體的選(xuan)用原則

 對于壓(ya)電超聲換能器采用(yong)的壓(ya)電晶片，其選用(yong)原(yuan)則(ze)可參考如(ru)下(xia)：

  a. 性能指標(biao)適當，以滿足具體使用要(yao)求為(wei)度量，不宜(yi)過分追求各項性能的高指標(biao)；

  b. 工作(zuo)性(xing)能要穩定(ding)、可靠；

  c. 價格(ge)低(di)廉，加(jia)工方便(bian)。

超(chao)聲波換(huan)能器對晶片的要求如(ru)下：

  a. 機電耦合(he)系(xi)數(shu)K較大，以(yi)便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。