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(ya)電效應

  有一(yi)種(zhong)(zhong)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)，當(dang)受(shou)到(dao)擠壓(ya)(ya)(ya)或者拉(la)伸(shen)(shen)作用(yong)力(li)的(de)(de)時候(hou)，產(chan)生(sheng)形變(bian)，使得其中(zhong)的(de)(de)帶電(dian)(dian)(dian)質點發(fa)生(sheng)相對位移，因此大(da)小相等極性(xing)相反的(de)(de)正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)荷(he)和負電(dian)(dian)(dian)荷(he)會(hui)出現在晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)表面(mian)，然后在兩端(duan)產(chan)生(sheng)不同(tong)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷(he)，此時晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)將處于(yu)帶電(dian)(dian)(dian)狀態，并且由(you)作用(yong)力(li)產(chan)生(sheng)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷(he)量與作用(yong)力(li)的(de)(de)大(da)小成正(zheng)(zheng)比；當(dang)作用(yong)力(li)撤去之(zhi)后，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)恢(hui)復(fu)到(dao)它的(de)(de)中(zhong)性(xing)狀態，這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)現象(xiang)被(bei)稱作正(zheng)(zheng)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)(ying)。當(dang)此類晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)處于(yu)電(dian)(dian)(dian)場(chang)中(zhong)時，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)會(hui)沿一(yi)定(ding)的(de)(de)方向產(chan)生(sheng)機械形變(bian)；電(dian)(dian)(dian)場(chang)撤去之(zhi)后形變(bian)消失，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)恢(hui)復(fu)原狀，這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)現象(xiang)被(bei)稱為逆(ni)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)(ying)或電(dian)(dian)(dian)致伸(shen)(shen)縮效(xiao)應(ying)(ying)。正(zheng)(zheng)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)(ying)與逆(ni)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)(ying)被(bei)統(tong)稱為壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)(ying)，如圖3.1所示(shi)。這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)物(wu)理(li)現象(xiang)在1880年被(bei)居里兄弟發(fa)現，正(zheng)(zheng)是由(you)于(yu)這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)現象(xiang)，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)被(bei)廣泛應(ying)(ying)用(yong)于(yu)產(chan)生(sheng)超聲波的(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)振(zhen)蕩器(qi)。

  壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)(ying)(ying)的(de)(de)原理是(shi)(shi)，如果(guo)對壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)材料施(shi)加(jia)壓(ya)(ya)(ya)力，就(jiu)會(hui)(hui)產(chan)(chan)生電(dian)(dian)(dian)(dian)位差（稱(cheng)(cheng)為(wei)正壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)(ying)(ying)），反(fan)之施(shi)加(jia)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)時(shi)，會(hui)(hui)產(chan)(chan)生機(ji)械(xie)(xie)應(ying)(ying)(ying)(ying)力（稱(cheng)(cheng)為(wei)逆壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)(ying)(ying)）。如果(guo)壓(ya)(ya)(ya)力是(shi)(shi)高(gao)頻振動(dong)，就(jiu)會(hui)(hui)產(chan)(chan)生高(gao)頻電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。當(dang)高(gao)頻電(dian)(dian)(dian)(dian)信號(hao)應(ying)(ying)(ying)(ying)用(yong)于壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)陶瓷上時(shi)，會(hui)(hui)產(chan)(chan)生高(gao)頻聲(sheng)信號(hao)（機(ji)械(xie)(xie)振動(dong)），通常稱(cheng)(cheng)為(wei)超聲(sheng)信號(hao)。也就(jiu)是(shi)(shi)說(shuo)，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)片(pian)可以因機(ji)械(xie)(xie)形變產(chan)(chan)生電(dian)(dian)(dian)(dian)場，也可以因電(dian)(dian)(dian)(dian)場的(de)(de)作用(yong)產(chan)(chan)生機(ji)械(xie)(xie)形變，實(shi)現(xian)機(ji)械(xie)(xie)能與電(dian)(dian)(dian)(dian)能之間的(de)(de)轉換和逆轉換，這種內在的(de)(de)機(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)耦合效應(ying)(ying)(ying)(ying)使得壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)體在工程中得到了廣泛的(de)(de)應(ying)(ying)(ying)(ying)用(yong)。

2. 壓電晶體

  在(zai)機(ji)械(xie)力的(de)(de)作(zuo)用下，產生形變，使帶(dai)電(dian)(dian)(dian)粒(li)子具有(you)相對位(wei)移，使晶(jing)體(ti)(ti)表面具有(you)正負束縛電(dian)(dian)(dian)荷，這(zhe)樣的(de)(de)晶(jing)體(ti)(ti)叫作(zuo)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體(ti)(ti)。壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體(ti)(ti)極軸兩端產生的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)勢差的(de)(de)性(xing)(xing)質(zhi)稱為(wei)(wei)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)特性(xing)(xing)。分為(wei)(wei)單(dan)晶(jing)體(ti)(ti)與多(duo)晶(jing)體(ti)(ti)，其(qi)中多(duo)晶(jing)體(ti)(ti)材(cai)料又(you)稱作(zuo)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷。硫酸(suan)鋰、鈮酸(suan)鋰、石英等(deng)為(wei)(wei)常(chang)用的(de)(de)單(dan)晶(jing)材(cai)料。常(chang)用的(de)(de)多(duo)晶(jing)材(cai)料有(you)鈦酸(suan)鋇、鈦酸(suan)鉛(qian)等(deng)。多(duo)晶(jing)體(ti)(ti)材(cai)料又(you)稱為(wei)(wei)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷。其(qi)中單(dan)晶(jing)體(ti)(ti)材(cai)料對接收更靈敏，多(duo)晶(jing)材(cai)料的(de)(de)發射靈敏度較高。

  超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)(neng)器(qi)中的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶片(pian)具有壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)，可利(li)用超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)能(neng)(neng)器(qi)中壓(ya)(ya)電(dian)(dian)芯片(pian)的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)實現超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)的(de)(de)(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)和接收(shou)。在壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶體兩側的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)極通(tong)交流電(dian)(dian)，通(tong)過(guo)(guo)逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)可知，晶片(pian)會(hui)在厚度方向產(chan)生(sheng)(sheng)伸縮的(de)(de)(de)(de)機械振(zhen)(zhen)動，將電(dian)(dian)能(neng)(neng)轉換(huan)成聲(sheng)能(neng)(neng)（機械能(neng)(neng)），此時(shi)探頭(tou)便發射出超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)，再通(tong)過(guo)(guo)合適的(de)(de)(de)(de)耦合劑(ji)與待檢測工(gong)(gong)件連接，振(zhen)(zhen)動產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)便進(jin)(jin)入(ru)了工(gong)(gong)件。當壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶片(pian)接收(shou)到超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)時(shi)，受到聲(sheng)波(bo)能(neng)(neng)量的(de)(de)(de)(de)激發便會(hui)產(chan)生(sheng)(sheng)振(zhen)(zhen)動發生(sheng)(sheng)機械形(xing)變(bian)從而(er)使晶體兩個表面產(chan)生(sheng)(sheng)大小相同極性相反的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)荷，形(xing)成超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)頻(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)高頻(pin)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)，超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)探傷儀的(de)(de)(de)(de)接收(shou)電(dian)(dian)路正是(shi)通(tong)過(guo)(guo)對(dui)返回的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)信(xin)號進(jin)(jin)行一系列處(chu)理從而(er)判(pan)斷(duan)工(gong)(gong)件是(shi)否(fou)有傷。顯然，超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)作用是(shi)實現聲(sheng)能(neng)(neng)與電(dian)(dian)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)相互轉換(huan)。

 壓(ya)(ya)電(dian)晶(jing)體(ti)分為單壓(ya)(ya)電(dian)晶(jing)體(ti)與多晶(jing)壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷。其(qi)中，壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷占有相(xiang)當大的比重，是(shi)市場(chang)上(shang)應(ying)用(yong)最為廣泛的壓(ya)(ya)電(dian)材料。分述(shu)如下：

  a. 壓電單晶體:  石(shi)英、水溶性(xing)壓電晶體（酒(jiu)石(shi)酸鉀(jia)(jia)鈉、酒(jiu)石(shi)酸乙烯(xi)二銨、酒(jiu)石(shi)酸二鉀(jia)(jia)、硫酸鉀(jia)(jia)等(deng)）。

  b. 多晶體壓(ya)電(dian)陶瓷:   鈦酸(suan)鋇壓(ya)電(dian)陶瓷、鋯(gao)鈦酸(suan)鉛(qian)系壓(ya)電(dian)陶瓷、鈮酸(suan)鹽系壓(ya)電(dian)陶瓷和鈮鎂酸(suan)鉛(qian)壓(ya)電(dian)陶為代表性的壓(ya)電(dian)陶瓷。

3. 壓電(dian)單晶體

 石英(ying)晶體(ti)性(xing)能(neng)穩(wen)定，機械強度高(gao)，絕緣性(xing)能(neng)好(hao)，但(dan)價(jia)格(ge)昂貴(gui)，壓電(dian)(dian)系數遠低(di)于(yu)壓電(dian)(dian)陶瓷，所以一般(ban)僅用于(yu)標準儀(yi)(yi)器(qi)或要(yao)求(qiu)較高(gao)的(de)傳(chuan)感器(qi)。石英(ying)晶體(ti)諧振器(qi)具有(you)很高(gao)的(de)品(pin)質因數和穩(wen)定性(xing)，可用于(yu)對講機、電(dian)(dian)子手(shou)表、電(dian)(dian)視機、電(dian)(dian)子儀(yi)(yi)器(qi)等產品(pin)的(de)諧振腔，如圖3.2所示為石英(ying)晶體(ti)的(de)壓電(dian)(dian)模型(xing)。

 此外，酒石(shi)酸(suan)鉀鈉、酒石(shi)酸(suan)乙烯二銨、酒石(shi)酸(suan)二鉀、硫酸(suan)鉀等水溶(rong)性壓(ya)電(dian)晶體是常見的單晶壓(ya)電(dian)材料(liao)。目前，通過單晶化(hua)來提(ti)高(gao)多晶壓(ya)電(dian)陶瓷（如鈦酸(suan)鉛）的壓(ya)電(dian)性能是壓(ya)電(dian)材料(liao)的研究熱(re)點之一。

4. 多晶體壓電陶瓷

  多晶體(ti)壓(ya)(ya)電陶(tao)瓷(ci)是(shi)一(yi)種(zhong)具有壓(ya)(ya)電效(xiao)應的(de)功能陶(tao)瓷(ci)材料(liao)，在高(gao)溫(wen)(wen)下將氧化物混合燒結，可以實(shi)現機械(xie)能和電能的(de)轉換(huan)。目前市場(chang)上常(chang)見的(de)多晶體(ti)壓(ya)(ya)電陶(tao)瓷(ci)為鋯鈦酸鉛（PZT)系壓(ya)(ya)電材料(liao)。壓(ya)(ya)電材料(liao)的(de)研究熱(re)點主要有：①. 低溫(wen)(wen)燒結PZT陶(tao)瓷(ci)；②. 大功率(lv)高(gao)轉換(huan)效(xiao)率(lv)的(de)PZT壓(ya)(ya)電陶(tao)瓷(ci)；③. 壓(ya)(ya)電復合材料(liao)；④. 無鉛壓(ya)(ya)電陶(tao)瓷(ci)；⑤. 單晶化。如(ru)圖3.3所示為壓(ya)(ya)電陶(tao)瓷(ci)的(de)發展歷史。

5. 壓電晶體的主(zhu)要(yao)性能參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)電(dian)應變常數表示單(dan)位(wei)電(dian)壓(ya)作(zuo)用于壓(ya)電(dian)晶體(ti)時所(suo)產生的應變大小，其(qi)表達式為

  d₃₃ = Δt/U

  式中 Δt-晶(jing)片在(zai)厚度方(fang)向的形變量，單位為(wei)m(米）；

         U--施加在壓(ya)電晶片(pian)兩面的應力，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(biao)示施(shi)加(jia)在(zai)壓電(dian)晶(jing)片上(shang)的單位(wei)應力(li)所產(chan)生的壓電(dian)梯度(du)大小，其表(biao)達式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加在(zai)壓電晶片(pian)兩面的應(ying)力，單位(wei)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

介電常數是表示絕(jue)緣能力特性的(de)一個系數，其表達(da)式(shi)為

 ε=C t/A

 式中 C-電(dian)容(rong)器電(dian)容(rong)；

       t-電容器極板距離；

       A-電容器極(ji)板(ban)面積。

 由介電(dian)(dian)(dian)常數表(biao)達式可知，當電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器極(ji)板距離和(he)面積一定時(shi)，介電(dian)(dian)(dian)常數ε越(yue)大，電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)C越(yue)大，即電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器存儲電(dian)(dian)(dian)量越(yue)多。壓電(dian)(dian)(dian)晶體的ε應根(gen)據不(bu)同的用途來選(xuan)取。超聲波檢測的壓電(dian)(dian)(dian)晶體，頻(pin)率要求高(gao)時(shi)，應小一些。由于ε小、C小，電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器充放(fang)電(dian)(dian)(dian)時(shi)間(jian)短，頻(pin)率高(gao)。反之，應該(gai)大一些。

d. 機(ji)電耦合系數 K

 機電耦合系(xi)數K,表示壓電材料機械(xie)能（聲能）與電能的轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)，即

 K= 轉換(huan)的能量/輸(shu)入(ru)的能量

 對于正壓電效(xiao)應(ying)(ying)，K=轉換的電能(neng)／輸入的機械能(neng)。對于負壓電效(xiao)應(ying)(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(jing)片在(zai)諧振時儲存(cun)的(de)機械(xie)能E與一個周期內(nei)損(sun)耗的(de)能量(liang)E損(sun)之比稱(cheng)為機械(xie)品質因子(zi)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(dian)晶(jing)片在(zai)高頻電(dian)脈沖激勵下產生共振的條件(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(dian)晶(jing)體(ti)的選用原(yuan)則(ze)

 對于壓電超聲換能(neng)器采用的壓電晶片，其選用原則(ze)可參(can)考如下：

  a. 性(xing)能(neng)指標適當，以(yi)滿足具(ju)體使用(yong)要求為度量，不(bu)宜過分追求各項性(xing)能(neng)的(de)高指標；

  b. 工作性能(neng)要穩定(ding)、可靠；

  c. 價(jia)格低廉，加(jia)工方便。

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。