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(yi)(yi)種晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)，當受到擠壓(ya)(ya)或(huo)者拉(la)伸作(zuo)(zuo)用力的(de)(de)時候，產生形變，使(shi)得其中(zhong)的(de)(de)帶(dai)電(dian)(dian)(dian)質點發生相對(dui)位移(yi)，因此大小(xiao)(xiao)相等極性(xing)相反(fan)的(de)(de)正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)荷和負電(dian)(dian)(dian)荷會出現在晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)表面，然后在兩端產生不(bu)同的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷，此時晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)將處于(yu)帶(dai)電(dian)(dian)(dian)狀態，并且(qie)由作(zuo)(zuo)用力產生的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷量與(yu)作(zuo)(zuo)用力的(de)(de)大小(xiao)(xiao)成正(zheng)(zheng)比；當作(zuo)(zuo)用力撤(che)(che)去(qu)之(zhi)后，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)恢(hui)復到它(ta)的(de)(de)中(zhong)性(xing)狀態，這種現象被(bei)(bei)(bei)稱(cheng)(cheng)作(zuo)(zuo)正(zheng)(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)。當此類(lei)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)處于(yu)電(dian)(dian)(dian)場中(zhong)時，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)會沿一(yi)(yi)定的(de)(de)方向產生機械形變；電(dian)(dian)(dian)場撤(che)(che)去(qu)之(zhi)后形變消失，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)恢(hui)復原狀，這種現象被(bei)(bei)(bei)稱(cheng)(cheng)為逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)或(huo)電(dian)(dian)(dian)致伸縮效(xiao)應(ying)。正(zheng)(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)與(yu)逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)被(bei)(bei)(bei)統(tong)稱(cheng)(cheng)為壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)，如圖3.1所示。這種物理現象在1880年(nian)被(bei)(bei)(bei)居里兄弟發現，正(zheng)(zheng)是由于(yu)這種現象，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)被(bei)(bei)(bei)廣泛應(ying)用于(yu)產生超(chao)聲波的(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)振蕩器。

  壓(ya)電(dian)效(xiao)應的(de)原理(li)是(shi)，如(ru)果對壓(ya)電(dian)材料施加壓(ya)力，就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)位差(cha)（稱(cheng)為正壓(ya)電(dian)效(xiao)應），反之(zhi)施加電(dian)壓(ya)時，會(hui)產(chan)生(sheng)(sheng)機(ji)(ji)械(xie)應力（稱(cheng)為逆(ni)壓(ya)電(dian)效(xiao)應）。如(ru)果壓(ya)力是(shi)高頻振動，就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)(sheng)高頻電(dian)流。當高頻電(dian)信(xin)(xin)號(hao)應用于(yu)壓(ya)電(dian)陶瓷上時，會(hui)產(chan)生(sheng)(sheng)高頻聲信(xin)(xin)號(hao)（機(ji)(ji)械(xie)振動），通(tong)常稱(cheng)為超聲信(xin)(xin)號(hao)。也就(jiu)是(shi)說(shuo)，壓(ya)電(dian)晶(jing)片可以因機(ji)(ji)械(xie)形(xing)變(bian)產(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)場，也可以因電(dian)場的(de)作用產(chan)生(sheng)(sheng)機(ji)(ji)械(xie)形(xing)變(bian)，實現機(ji)(ji)械(xie)能與電(dian)能之(zhi)間的(de)轉換和逆(ni)轉換，這種(zhong)內在(zai)的(de)機(ji)(ji)電(dian)耦合效(xiao)應使得(de)壓(ya)電(dian)晶(jing)體在(zai)工程中得(de)到(dao)了(le)廣泛的(de)應用。

2. 壓(ya)電晶體

  在(zai)機(ji)械力的(de)作(zuo)用(yong)下，產生形變(bian)，使(shi)帶電(dian)(dian)(dian)粒子具有(you)相對(dui)位移，使(shi)晶(jing)(jing)(jing)體表面具有(you)正負束縛(fu)電(dian)(dian)(dian)荷，這(zhe)樣的(de)晶(jing)(jing)(jing)體叫作(zuo)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體。壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體極軸(zhou)兩端產生的(de)電(dian)(dian)(dian)勢差(cha)的(de)性質稱(cheng)為(wei)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)特性。分為(wei)單(dan)晶(jing)(jing)(jing)體與多(duo)晶(jing)(jing)(jing)體，其中多(duo)晶(jing)(jing)(jing)體材(cai)料(liao)又稱(cheng)作(zuo)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)。硫酸(suan)(suan)鋰、鈮酸(suan)(suan)鋰、石英等為(wei)常(chang)用(yong)的(de)單(dan)晶(jing)(jing)(jing)材(cai)料(liao)。常(chang)用(yong)的(de)多(duo)晶(jing)(jing)(jing)材(cai)料(liao)有(you)鈦(tai)酸(suan)(suan)鋇、鈦(tai)酸(suan)(suan)鉛(qian)等。多(duo)晶(jing)(jing)(jing)體材(cai)料(liao)又稱(cheng)為(wei)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)。其中單(dan)晶(jing)(jing)(jing)體材(cai)料(liao)對(dui)接收更靈敏，多(duo)晶(jing)(jing)(jing)材(cai)料(liao)的(de)發射靈敏度(du)較高。

  超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)換能(neng)(neng)(neng)器(qi)中(zhong)的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)片(pian)具(ju)有壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)，可利用超(chao)(chao)聲(sheng)換能(neng)(neng)(neng)器(qi)中(zhong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)芯(xin)片(pian)的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)實現超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)的(de)(de)產(chan)(chan)生和接(jie)(jie)收(shou)。在壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體兩側的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極通交(jiao)流電(dian)(dian)(dian)，通過(guo)逆壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)可知，晶(jing)片(pian)會在厚度方向產(chan)(chan)生伸縮的(de)(de)機械振(zhen)動，將電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)換成聲(sheng)能(neng)(neng)(neng)（機械能(neng)(neng)(neng)），此(ci)時(shi)探頭便(bian)(bian)發射(she)出超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)，再通過(guo)合適的(de)(de)耦合劑與待檢測工件連接(jie)(jie)，振(zhen)動產(chan)(chan)生的(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)便(bian)(bian)進入了工件。當壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)片(pian)接(jie)(jie)收(shou)到超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)時(shi)，受到聲(sheng)波(bo)(bo)能(neng)(neng)(neng)量的(de)(de)激發便(bian)(bian)會產(chan)(chan)生振(zhen)動發生機械形變從而(er)使晶(jing)體兩個表面(mian)產(chan)(chan)生大小(xiao)相(xiang)同極性相(xiang)反的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷，形成超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)頻(pin)率的(de)(de)高頻(pin)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)，超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)探傷(shang)儀(yi)的(de)(de)接(jie)(jie)收(shou)電(dian)(dian)(dian)路正是通過(guo)對(dui)返回的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)信(xin)號(hao)進行一系(xi)列處理從而(er)判(pan)斷(duan)工件是否有傷(shang)。顯然，超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)換能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)作用是實現聲(sheng)能(neng)(neng)(neng)與電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)相(xiang)互轉(zhuan)換。

 壓電(dian)晶(jing)體分(fen)為單壓電(dian)晶(jing)體與(yu)多晶(jing)壓電(dian)陶瓷。其中，壓電(dian)陶瓷占有(you)相當大的比重，是(shi)市(shi)場上(shang)應用最為廣泛的壓電(dian)材料。分(fen)述如下：

  a. 壓電單晶體:  石英、水溶(rong)性壓電晶體（酒(jiu)石酸(suan)鉀(jia)鈉、酒(jiu)石酸(suan)乙(yi)烯(xi)二(er)銨、酒(jiu)石酸(suan)二(er)鉀(jia)、硫(liu)酸(suan)鉀(jia)等）。

  b. 多晶體壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷:   鈦酸鋇壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷、鋯鈦酸鉛系(xi)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷、鈮酸鹽系(xi)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷和鈮鎂酸鉛壓(ya)電(dian)陶(tao)為(wei)代(dai)表性的壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷。

3. 壓電單晶(jing)體

 石(shi)英(ying)晶(jing)(jing)體(ti)性能穩定，機械強度高(gao)(gao)，絕(jue)緣性能好(hao)，但價格昂貴，壓(ya)電系(xi)數遠低于壓(ya)電陶(tao)瓷，所以一般僅用于標準儀(yi)器或要求較(jiao)高(gao)(gao)的傳感器。石(shi)英(ying)晶(jing)(jing)體(ti)諧(xie)振器具有很高(gao)(gao)的品質因數和(he)穩定性，可用于對講機、電子手表、電視機、電子儀(yi)器等產(chan)品的諧(xie)振腔，如圖(tu)3.2所示為石(shi)英(ying)晶(jing)(jing)體(ti)的壓(ya)電模型。

 此外，酒石酸(suan)(suan)(suan)鉀鈉、酒石酸(suan)(suan)(suan)乙烯二銨、酒石酸(suan)(suan)(suan)二鉀、硫酸(suan)(suan)(suan)鉀等水(shui)溶性(xing)壓(ya)(ya)電晶(jing)(jing)體是常見的單(dan)晶(jing)(jing)壓(ya)(ya)電材(cai)料(liao)。目前(qian)，通(tong)過單(dan)晶(jing)(jing)化(hua)來提高多晶(jing)(jing)壓(ya)(ya)電陶(tao)瓷（如鈦酸(suan)(suan)(suan)鉛）的壓(ya)(ya)電性(xing)能是壓(ya)(ya)電材(cai)料(liao)的研(yan)究熱(re)點(dian)之(zhi)一(yi)。

4. 多(duo)晶(jing)體壓(ya)電陶瓷

  多(duo)(duo)晶(jing)體(ti)壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷是一種(zhong)具有壓(ya)電(dian)效應的(de)功能(neng)(neng)陶(tao)(tao)瓷材料(liao)，在(zai)高溫(wen)下將氧化物混合(he)燒(shao)結，可以實現機械能(neng)(neng)和電(dian)能(neng)(neng)的(de)轉換(huan)。目前市場上常見的(de)多(duo)(duo)晶(jing)體(ti)壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷為鋯鈦酸鉛（PZT)系(xi)壓(ya)電(dian)材料(liao)。壓(ya)電(dian)材料(liao)的(de)研(yan)究熱點(dian)主要(yao)有：①. 低溫(wen)燒(shao)結PZT陶(tao)(tao)瓷；②. 大功率高轉換(huan)效率的(de)PZT壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷；③. 壓(ya)電(dian)復合(he)材料(liao)；④. 無鉛壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷；⑤. 單(dan)晶(jing)化。如(ru)圖3.3所示為壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷的(de)發展歷史。

5. 壓電晶體(ti)的主要性(xing)能(neng)參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)電(dian)(dian)應變常數(shu)表示單位電(dian)(dian)壓(ya)作用于(yu)壓(ya)電(dian)(dian)晶體時所產生的應變大小，其表達(da)式為

  d₃₃ = Δt/U

  式中 Δt-晶片(pian)在厚度方向的(de)形變量，單位為(wei)m(米(mi)）；

         U--施加在壓電晶(jing)片兩面(mian)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

 壓電(dian)電(dian)壓常數表(biao)示施(shi)加在壓電(dian)晶片上的單(dan)位應力所產(chan)生的壓電(dian)梯度大小，其表(biao)達式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加(jia)在(zai)壓電晶片兩面的應力，單位為(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

介電(dian)常數(shu)是表示絕緣能力特性的一個系數(shu)，其表達式為

 ε=C t/A

 式中 C-電容器(qi)電容；

       t-電容器極(ji)板距離；

       A-電容器極(ji)板面(mian)積(ji)。

 由介電(dian)常數表達(da)式可知，當電(dian)容器(qi)極板距離和(he)面積一定時(shi)，介電(dian)常數ε越大，電(dian)容C越大，即電(dian)容器(qi)存儲電(dian)量越多。壓電(dian)晶(jing)體的(de)(de)ε應根據不同的(de)(de)用途來選取(qu)。超聲波檢測的(de)(de)壓電(dian)晶(jing)體，頻(pin)率要(yao)求高(gao)(gao)時(shi)，應小(xiao)一些(xie)。由于ε小(xiao)、C小(xiao)，電(dian)容器(qi)充放電(dian)時(shi)間(jian)短，頻(pin)率高(gao)(gao)。反之，應該大一些(xie)。

d. 機電耦合系數 K

 機(ji)電耦合系數K,表示壓電材料機(ji)械能(neng)(neng)(neng)（聲(sheng)能(neng)(neng)(neng)）與電能(neng)(neng)(neng)的(de)轉換效率，即

 K= 轉(zhuan)換的能量/輸入的能量

 對于(yu)正壓電效應，K=轉換(huan)的(de)(de)電能(neng)／輸入的(de)(de)機械能(neng)。對于(yu)負壓電效應，K=轉換(huan)的(de)(de)機械能(neng)／輸入的(de)(de)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(ya)電晶片在諧振(zhen)時儲(chu)存的機械(xie)能E與一個周期(qi)內損(sun)耗的能量E損(sun)之(zhi)比稱為機械(xie)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)駐波理論可知，壓電晶片在高(gao)頻電脈(mo)沖激勵下產(chan)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. 壓電晶體的選(xuan)用原則

 對于壓電(dian)超聲(sheng)換能器采用(yong)的(de)壓電(dian)晶(jing)片(pian)，其選(xuan)用(yong)原(yuan)則可(ke)參(can)考(kao)如下(xia)：

  a. 性(xing)能指標(biao)適當，以滿足具體使(shi)用要求為度量，不宜過分追求各(ge)項(xiang)性(xing)能的高指標(biao)；

  b. 工作性(xing)能要穩定、可靠；

  c. 價格低廉，加工方便。

超聲波換(huan)能器對晶片的(de)要求如下：

  a. 機電(dian)耦合系數K較大，以便獲得較高的轉(zhuan)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。