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)效應

  有(you)一種(zhong)(zhong)(zhong)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)，當(dang)受到擠壓(ya)(ya)(ya)(ya)或者拉伸(shen)作(zuo)用(yong)力的(de)(de)(de)時候，產(chan)生(sheng)(sheng)形(xing)(xing)變，使得其中(zhong)的(de)(de)(de)帶電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)質點(dian)發(fa)生(sheng)(sheng)相對位(wei)移，因(yin)此(ci)大小(xiao)相等極性(xing)相反的(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)和負電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)會出(chu)現(xian)在(zai)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)表面，然(ran)后在(zai)兩端產(chan)生(sheng)(sheng)不同的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)，此(ci)時晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)將處于(yu)帶電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)狀(zhuang)態(tai)，并且由(you)作(zuo)用(yong)力產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)量與作(zuo)用(yong)力的(de)(de)(de)大小(xiao)成正(zheng)(zheng)(zheng)比；當(dang)作(zuo)用(yong)力撤(che)去(qu)之后，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)恢復(fu)到它的(de)(de)(de)中(zhong)性(xing)狀(zhuang)態(tai)，這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)現(xian)象(xiang)被稱(cheng)作(zuo)正(zheng)(zheng)(zheng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應。當(dang)此(ci)類晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)處于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)中(zhong)時，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)會沿一定的(de)(de)(de)方向產(chan)生(sheng)(sheng)機械形(xing)(xing)變；電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)撤(che)去(qu)之后形(xing)(xing)變消失，晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)恢復(fu)原狀(zhuang)，這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)現(xian)象(xiang)被稱(cheng)為逆(ni)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應或電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)致(zhi)伸(shen)縮效應。正(zheng)(zheng)(zheng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應與逆(ni)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應被統稱(cheng)為壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應，如圖3.1所示。這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)物理(li)現(xian)象(xiang)在(zai)1880年(nian)被居里兄弟發(fa)現(xian)，正(zheng)(zheng)(zheng)是由(you)于(yu)這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)現(xian)象(xiang)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)被廣泛應用(yong)于(yu)產(chan)生(sheng)(sheng)超聲波的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)振蕩器。

  壓(ya)(ya)電(dian)效應的(de)原(yuan)理(li)是(shi)，如果對(dui)壓(ya)(ya)電(dian)材料施加壓(ya)(ya)力，就會產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)位差(cha)（稱(cheng)為(wei)(wei)正壓(ya)(ya)電(dian)效應），反之施加電(dian)壓(ya)(ya)時，會產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)機(ji)(ji)(ji)械(xie)應力（稱(cheng)為(wei)(wei)逆壓(ya)(ya)電(dian)效應）。如果壓(ya)(ya)力是(shi)高(gao)頻(pin)振動，就會產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)高(gao)頻(pin)電(dian)流。當高(gao)頻(pin)電(dian)信(xin)號應用于壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷上時，會產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)高(gao)頻(pin)聲(sheng)(sheng)信(xin)號（機(ji)(ji)(ji)械(xie)振動），通常稱(cheng)為(wei)(wei)超聲(sheng)(sheng)信(xin)號。也就是(shi)說，壓(ya)(ya)電(dian)晶片可以(yi)因機(ji)(ji)(ji)械(xie)形變(bian)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)場，也可以(yi)因電(dian)場的(de)作(zuo)用產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)機(ji)(ji)(ji)械(xie)形變(bian)，實(shi)現(xian)機(ji)(ji)(ji)械(xie)能(neng)與(yu)電(dian)能(neng)之間的(de)轉(zhuan)換和逆轉(zhuan)換，這(zhe)種(zhong)內在的(de)機(ji)(ji)(ji)電(dian)耦合效應使得壓(ya)(ya)電(dian)晶體在工程中得到了(le)廣(guang)泛的(de)應用。

2. 壓(ya)電(dian)晶(jing)體

  在機械(xie)力的(de)作(zuo)用下，產(chan)生形變，使帶電(dian)(dian)(dian)粒子具(ju)有(you)相對位(wei)移，使晶(jing)體(ti)表面具(ju)有(you)正負束縛電(dian)(dian)(dian)荷，這(zhe)樣的(de)晶(jing)體(ti)叫作(zuo)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體(ti)。壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體(ti)極軸兩端產(chan)生的(de)電(dian)(dian)(dian)勢差的(de)性質稱為壓(ya)電(dian)(dian)(dian)特性。分為單晶(jing)體(ti)與多(duo)晶(jing)體(ti)，其(qi)(qi)中(zhong)多(duo)晶(jing)體(ti)材(cai)(cai)料又(you)稱作(zuo)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷。硫(liu)酸(suan)鋰(li)、鈮(ni)酸(suan)鋰(li)、石英等為常(chang)用的(de)單晶(jing)材(cai)(cai)料。常(chang)用的(de)多(duo)晶(jing)材(cai)(cai)料有(you)鈦酸(suan)鋇、鈦酸(suan)鉛等。多(duo)晶(jing)體(ti)材(cai)(cai)料又(you)稱為壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷。其(qi)(qi)中(zhong)單晶(jing)體(ti)材(cai)(cai)料對接(jie)收更靈敏，多(duo)晶(jing)材(cai)(cai)料的(de)發射靈敏度(du)較高。

  超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器中的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)晶(jing)片具有壓(ya)(ya)(ya)電(dian)效(xiao)應，可利(li)用超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器中壓(ya)(ya)(ya)電(dian)芯片的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)效(xiao)應實現超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)(de)(de)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)和接(jie)(jie)收。在壓(ya)(ya)(ya)電(dian)晶(jing)體(ti)兩側的(de)(de)(de)電(dian)極通交流電(dian)，通過逆壓(ya)(ya)(ya)電(dian)效(xiao)應可知，晶(jing)片會在厚度方(fang)向產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)伸縮(suo)的(de)(de)(de)機(ji)(ji)械振(zhen)(zhen)動，將電(dian)能(neng)(neng)轉換(huan)(huan)成(cheng)聲(sheng)(sheng)能(neng)(neng)（機(ji)(ji)械能(neng)(neng)），此時(shi)探(tan)頭便發(fa)射出(chu)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)，再通過合適的(de)(de)(de)耦合劑與(yu)待(dai)檢(jian)測工(gong)件(jian)連接(jie)(jie)，振(zhen)(zhen)動產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)便進(jin)入了工(gong)件(jian)。當壓(ya)(ya)(ya)電(dian)晶(jing)片接(jie)(jie)收到超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)時(shi)，受到聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)能(neng)(neng)量的(de)(de)(de)激(ji)發(fa)便會產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)振(zhen)(zhen)動發(fa)生(sheng)(sheng)機(ji)(ji)械形變(bian)從(cong)而使(shi)晶(jing)體(ti)兩個(ge)表(biao)面產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)大(da)小(xiao)相(xiang)同(tong)極性相(xiang)反(fan)的(de)(de)(de)電(dian)荷，形成(cheng)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)頻(pin)率的(de)(de)(de)高頻(pin)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)探(tan)傷儀的(de)(de)(de)接(jie)(jie)收電(dian)路正是(shi)通過對返回(hui)的(de)(de)(de)電(dian)信(xin)號(hao)進(jin)行一系(xi)列處理(li)從(cong)而判(pan)斷工(gong)件(jian)是(shi)否有傷。顯然(ran)，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器的(de)(de)(de)作用是(shi)實現聲(sheng)(sheng)能(neng)(neng)與(yu)電(dian)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)轉換(huan)(huan)。

 壓(ya)(ya)(ya)電晶體(ti)分為單(dan)壓(ya)(ya)(ya)電晶體(ti)與多(duo)晶壓(ya)(ya)(ya)電陶瓷。其(qi)中(zhong)，壓(ya)(ya)(ya)電陶瓷占有相當大的(de)比(bi)重，是市(shi)場上(shang)應用最為廣(guang)泛的(de)壓(ya)(ya)(ya)電材(cai)料。分述如下：

  a. 壓電(dian)(dian)單晶體:  石(shi)英、水溶(rong)性壓電(dian)(dian)晶體（酒石(shi)酸鉀鈉(na)、酒石(shi)酸乙烯二銨、酒石(shi)酸二鉀、硫酸鉀等）。

  b. 多晶體壓電(dian)(dian)陶(tao)瓷:   鈦酸(suan)鋇壓電(dian)(dian)陶(tao)瓷、鋯鈦酸(suan)鉛系壓電(dian)(dian)陶(tao)瓷、鈮(ni)酸(suan)鹽系壓電(dian)(dian)陶(tao)瓷和鈮(ni)鎂酸(suan)鉛壓電(dian)(dian)陶(tao)為代(dai)表性的壓電(dian)(dian)陶(tao)瓷。

3. 壓電單晶體

 石(shi)英(ying)(ying)晶體性能穩(wen)(wen)定，機械強度高(gao)，絕緣性能好(hao)，但價格昂貴(gui)，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)系(xi)數(shu)遠低(di)于壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷，所以一般僅用(yong)于標準儀(yi)器(qi)或要(yao)求較高(gao)的(de)(de)傳感器(qi)。石(shi)英(ying)(ying)晶體諧振(zhen)(zhen)器(qi)具有很高(gao)的(de)(de)品(pin)質因數(shu)和穩(wen)(wen)定性，可用(yong)于對講機、電(dian)(dian)(dian)子(zi)手(shou)表(biao)、電(dian)(dian)(dian)視機、電(dian)(dian)(dian)子(zi)儀(yi)器(qi)等產(chan)品(pin)的(de)(de)諧振(zhen)(zhen)腔(qiang)，如圖3.2所示為石(shi)英(ying)(ying)晶體的(de)(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)模型(xing)。

 此外，酒石酸鉀(jia)鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀(jia)、硫酸鉀(jia)等水溶(rong)性壓電(dian)晶(jing)(jing)體是常見的(de)單晶(jing)(jing)壓電(dian)材(cai)料。目(mu)前，通過(guo)單晶(jing)(jing)化來提高多晶(jing)(jing)壓電(dian)陶瓷（如鈦(tai)酸鉛）的(de)壓電(dian)性能是壓電(dian)材(cai)料的(de)研究熱點之一。

4. 多晶體壓(ya)電陶瓷

  多晶(jing)體(ti)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)是(shi)一種具有壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)應的(de)(de)功能陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)，在(zai)高溫下(xia)將(jiang)氧化(hua)(hua)物混合燒結，可以實(shi)現機械(xie)能和電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能的(de)(de)轉換(huan)。目前市場上常見(jian)的(de)(de)多晶(jing)體(ti)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)為鋯鈦酸鉛（PZT)系壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)材(cai)料(liao)。壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)材(cai)料(liao)的(de)(de)研究熱點主要有：①. 低(di)溫燒結PZT陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；②. 大功率高轉換(huan)效(xiao)率的(de)(de)PZT壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；③. 壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)復合材(cai)料(liao)；④. 無鉛壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；⑤. 單晶(jing)化(hua)(hua)。如圖(tu)3.3所示為壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)的(de)(de)發展歷史。

5. 壓電晶體的主要(yao)性能參(can)數(shu)

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓電(dian)應變常數表(biao)示(shi)單位電(dian)壓作用于壓電(dian)晶體時所產生的應變大小，其表(biao)達式為

  d₃₃ = Δt/U

  式(shi)中(zhong) Δt-晶片(pian)在(zai)厚度方向的形變量，單位為m(米）；

         U--施(shi)加在壓電晶片兩(liang)面的(de)應力，單位為V(伏(fu)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)壓常數表示施(shi)加在壓電(dian)晶(jing)片上(shang)的(de)(de)單位應力所產生的(de)(de)壓電(dian)梯度大(da)小(xiao)，其(qi)表達式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加在(zai)壓電晶片兩面的應力，單(dan)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(dian)常數 ε

介電常(chang)數是表(biao)(biao)示絕緣能力特性(xing)的一個系數，其表(biao)(biao)達式為

 ε=C t/A

 式中 C-電(dian)容(rong)(rong)器(qi)電(dian)容(rong)(rong)；

       t-電容器極板距離；

       A-電容器極板面積。

 由介(jie)電(dian)(dian)常數表達式可知，當電(dian)(dian)容器極板距離和面積(ji)一定時，介(jie)電(dian)(dian)常數ε越大(da)，電(dian)(dian)容C越大(da)，即電(dian)(dian)容器存儲電(dian)(dian)量越多(duo)。壓電(dian)(dian)晶(jing)體(ti)的(de)ε應根據(ju)不同的(de)用途來(lai)選取。超聲波檢測的(de)壓電(dian)(dian)晶(jing)體(ti)，頻率要求高時，應小一些。由于(yu)ε小、C小，電(dian)(dian)容器充放(fang)電(dian)(dian)時間短，頻率高。反之，應該(gai)大(da)一些。

d. 機電耦合系數 K

 機(ji)(ji)電(dian)耦合系數K,表示(shi)壓電(dian)材料機(ji)(ji)械能(neng)（聲能(neng)）與電(dian)能(neng)的轉換效率(lv)，即(ji)

 K= 轉換的能量/輸入(ru)的能量

 對于(yu)正壓(ya)電效應(ying)，K=轉換的電能(neng)／輸入的機械能(neng)。對于(yu)負壓(ya)電效應(ying)，K=轉換的機械能(neng)／輸入的電能(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(cun)的(de)機(ji)械能(neng)E與一個周期內(nei)損耗的(de)能(neng)量E損之比稱為機(ji)械品(pin)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(zhu)波理論可知(zhi)，壓電晶片在高頻電脈沖激勵下(xia)產生共振(zhen)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(yong)原則

 對于壓(ya)電超(chao)聲換(huan)能器(qi)采用的壓(ya)電晶片(pian)，其選用原(yuan)則可參考(kao)如(ru)下(xia)：

  a. 性能指標適當，以滿足具(ju)體使用要求為度(du)量，不宜(yi)過分追求各項性能的高指標；

  b. 工作(zuo)性能要穩定、可(ke)靠；

  c. 價格低廉，加工方便(bian)。

超聲波換能器對晶片的要求(qiu)如(ru)下：

  a. 機電耦合(he)系數K較大(da)，以便獲得較高的(de)轉換效率(lv)；

  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。