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

  有一種(zhong)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)，當受到擠(ji)壓(ya)(ya)或者拉伸作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)的時候，產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)形(xing)(xing)變(bian)，使(shi)得其中的帶(dai)電(dian)(dian)質點發(fa)生(sheng)(sheng)相對(dui)位移，因此大(da)小(xiao)相等極性相反的正(zheng)電(dian)(dian)荷和負電(dian)(dian)荷會(hui)出現(xian)在(zai)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)表面，然后(hou)在(zai)兩端產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)不同的電(dian)(dian)荷，此時晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)將處(chu)于(yu)帶(dai)電(dian)(dian)狀(zhuang)態(tai)，并且(qie)由(you)作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的電(dian)(dian)荷量與作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)的大(da)小(xiao)成正(zheng)比；當作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)撤去之(zhi)后(hou)，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)恢復(fu)到它的中性狀(zhuang)態(tai)，這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)(xiang)被(bei)(bei)稱作(zuo)(zuo)正(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)。當此類晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)處(chu)于(yu)電(dian)(dian)場中時，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)會(hui)沿一定(ding)的方向產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)機械(xie)形(xing)(xing)變(bian)；電(dian)(dian)場撤去之(zhi)后(hou)形(xing)(xing)變(bian)消失，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)恢復(fu)原狀(zhuang)，這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)(xiang)被(bei)(bei)稱為逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)或電(dian)(dian)致伸縮(suo)效(xiao)(xiao)應(ying)。正(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)與逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)被(bei)(bei)統(tong)稱為壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)，如圖3.1所示。這(zhe)種(zhong)物理現(xian)象(xiang)(xiang)在(zai)1880年被(bei)(bei)居里兄(xiong)弟發(fa)現(xian)，正(zheng)是由(you)于(yu)這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)(xiang)，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)被(bei)(bei)廣泛應(ying)用(yong)于(yu)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)超(chao)聲波的晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)振(zhen)蕩器。

  壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)的(de)原理(li)是，如果對壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)材料施加壓(ya)(ya)(ya)力，就(jiu)(jiu)會產生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位差（稱為(wei)正壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)），反之(zhi)施加電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)時，會產生(sheng)(sheng)機(ji)械應(ying)(ying)力（稱為(wei)逆壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)）。如果壓(ya)(ya)(ya)力是高(gao)頻振(zhen)動，就(jiu)(jiu)會產生(sheng)(sheng)高(gao)頻電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。當高(gao)頻電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)信(xin)號(hao)應(ying)(ying)用(yong)于壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶瓷上時，會產生(sheng)(sheng)高(gao)頻聲信(xin)號(hao)（機(ji)械振(zhen)動），通常稱為(wei)超(chao)聲信(xin)號(hao)。也(ye)就(jiu)(jiu)是說，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)片可以(yi)因機(ji)械形變(bian)產生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場，也(ye)可以(yi)因電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場的(de)作用(yong)產生(sheng)(sheng)機(ji)械形變(bian)，實現機(ji)械能與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能之(zhi)間的(de)轉換和逆轉換，這(zhe)種內(nei)在的(de)機(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)耦合效應(ying)(ying)使(shi)得壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)體在工程中得到了廣(guang)泛的(de)應(ying)(ying)用(yong)。

2. 壓電晶(jing)體(ti)

  在(zai)機械力(li)的(de)作用下，產生(sheng)(sheng)形變，使帶(dai)電(dian)(dian)粒子具(ju)有(you)相(xiang)對位移，使晶(jing)體(ti)表面具(ju)有(you)正負束縛電(dian)(dian)荷，這樣的(de)晶(jing)體(ti)叫作壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)體(ti)。壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)體(ti)極軸兩(liang)端產生(sheng)(sheng)的(de)電(dian)(dian)勢差的(de)性質稱為(wei)(wei)壓(ya)電(dian)(dian)特性。分(fen)為(wei)(wei)單(dan)晶(jing)體(ti)與(yu)多晶(jing)體(ti)，其中多晶(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)又(you)稱作壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)。硫酸鋰、鈮(ni)酸鋰、石(shi)英等為(wei)(wei)常(chang)用的(de)單(dan)晶(jing)材(cai)料(liao)(liao)。常(chang)用的(de)多晶(jing)材(cai)料(liao)(liao)有(you)鈦酸鋇、鈦酸鉛等。多晶(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)又(you)稱為(wei)(wei)壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)。其中單(dan)晶(jing)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)對接收(shou)更靈(ling)敏(min)，多晶(jing)材(cai)料(liao)(liao)的(de)發射(she)靈(ling)敏(min)度較高。

  超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)(huan)能(neng)器中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)片具有壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)，可(ke)(ke)利用超(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能(neng)器中(zhong)(zhong)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)芯片的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)實現超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)的(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)和接收(shou)。在壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體(ti)兩(liang)側的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極(ji)通(tong)(tong)交流電(dian)(dian)(dian)，通(tong)(tong)過逆壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)可(ke)(ke)知，晶(jing)片會(hui)(hui)在厚度(du)方(fang)向產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)伸縮的(de)(de)(de)(de)(de)機械(xie)振動，將電(dian)(dian)(dian)能(neng)轉(zhuan)換(huan)(huan)(huan)成(cheng)聲(sheng)能(neng)（機械(xie)能(neng)），此時探(tan)頭(tou)便(bian)(bian)發射(she)出(chu)超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)，再(zai)通(tong)(tong)過合(he)適(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)耦合(he)劑(ji)與待(dai)檢測工件(jian)連接，振動產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)便(bian)(bian)進入了(le)工件(jian)。當壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)片接收(shou)到超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)時，受到聲(sheng)波(bo)能(neng)量的(de)(de)(de)(de)(de)激發便(bian)(bian)會(hui)(hui)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)振動發生(sheng)(sheng)(sheng)機械(xie)形(xing)變從而使(shi)晶(jing)體(ti)兩(liang)個表(biao)面產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)大小相同極(ji)性相反(fan)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷，形(xing)成(cheng)超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)頻率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)高頻電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)探(tan)傷儀的(de)(de)(de)(de)(de)接收(shou)電(dian)(dian)(dian)路正是通(tong)(tong)過對(dui)返回的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)信號(hao)進行一系列處理從而判斷工件(jian)是否有傷。顯然，超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)(de)(de)(de)作用是實現聲(sheng)能(neng)與電(dian)(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)相互(hu)轉(zhuan)換(huan)(huan)(huan)。

 壓(ya)(ya)(ya)(ya)電晶(jing)體分為(wei)單壓(ya)(ya)(ya)(ya)電晶(jing)體與多晶(jing)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電陶(tao)(tao)瓷。其中，壓(ya)(ya)(ya)(ya)電陶(tao)(tao)瓷占有(you)相當(dang)大的比(bi)重，是市(shi)場上應用最為(wei)廣(guang)泛的壓(ya)(ya)(ya)(ya)電材料(liao)。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(na)、酒(jiu)石酸乙烯二(er)(er)銨(an)、酒(jiu)石酸二(er)(er)鉀(jia)、硫(liu)酸鉀(jia)等）。

  b. 多晶(jing)體壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷:   鈦酸(suan)(suan)鋇壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷、鋯鈦酸(suan)(suan)鉛系(xi)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷、鈮酸(suan)(suan)鹽系(xi)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷和(he)鈮鎂(mei)酸(suan)(suan)鉛壓(ya)電(dian)陶(tao)為代表性的壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷。

3. 壓電單(dan)晶體

 石(shi)英晶(jing)體(ti)性(xing)能穩定，機(ji)(ji)(ji)械強度高(gao)，絕緣性(xing)能好，但價格昂貴，壓(ya)電(dian)(dian)系(xi)數遠低于(yu)(yu)壓(ya)電(dian)(dian)陶瓷，所以一(yi)般僅(jin)用于(yu)(yu)標(biao)準儀器或要求(qiu)較高(gao)的(de)傳感器。石(shi)英晶(jing)體(ti)諧振器具有(you)很高(gao)的(de)品質因數和穩定性(xing)，可用于(yu)(yu)對講機(ji)(ji)(ji)、電(dian)(dian)子(zi)手表、電(dian)(dian)視機(ji)(ji)(ji)、電(dian)(dian)子(zi)儀器等(deng)產品的(de)諧振腔，如圖3.2所示(shi)為石(shi)英晶(jing)體(ti)的(de)壓(ya)電(dian)(dian)模型。

 此外，酒(jiu)石(shi)酸鉀鈉、酒(jiu)石(shi)酸乙(yi)烯二(er)銨、酒(jiu)石(shi)酸二(er)鉀、硫酸鉀等水溶性(xing)壓(ya)電(dian)晶(jing)(jing)體是常見的單晶(jing)(jing)壓(ya)電(dian)材料(liao)。目前，通過(guo)單晶(jing)(jing)化(hua)來提高多晶(jing)(jing)壓(ya)電(dian)陶瓷（如鈦酸鉛）的壓(ya)電(dian)性(xing)能是壓(ya)電(dian)材料(liao)的研究熱(re)點之一(yi)。

4. 多晶體壓(ya)電陶(tao)瓷

  多晶(jing)體壓(ya)(ya)電陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)是一(yi)種具有(you)壓(ya)(ya)電效應的功能陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)，在(zai)高溫下將氧化物(wu)混(hun)合(he)燒結，可以實現機械能和(he)電能的轉換。目前市場上常見(jian)的多晶(jing)體壓(ya)(ya)電陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)為鋯鈦(tai)酸鉛(qian)（PZT)系壓(ya)(ya)電材(cai)料(liao)。壓(ya)(ya)電材(cai)料(liao)的研究熱(re)點主要有(you)：①. 低溫燒結PZT陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；②. 大功率高轉換效率的PZT壓(ya)(ya)電陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；③. 壓(ya)(ya)電復合(he)材(cai)料(liao)；④. 無鉛(qian)壓(ya)(ya)電陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)；⑤. 單晶(jing)化。如圖3.3所示(shi)為壓(ya)(ya)電陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)的發展歷史。

5. 壓電晶體(ti)的主(zhu)要性能參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)(ya)電應變(bian)常數表示單位電壓(ya)(ya)作用于(yu)壓(ya)(ya)電晶體時所(suo)產(chan)生的應變(bian)大(da)小(xiao)，其表達式為

  d₃₃ = Δt/U

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

         U--施加在壓電晶片兩面(mian)的(de)應力，單位為(wei)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)示施加(jia)在壓電(dian)晶片上的單位應力所產生的壓電(dian)梯度大(da)小，其表(biao)達(da)式(shi)為(wei)

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加(jia)在壓電(dian)晶片兩面的應力(li)，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(shu)是表示絕(jue)緣(yuan)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(dian)容(rong)器(qi)極板距(ju)離；

       A-電(dian)容器極板面(mian)積。

 由(you)介電(dian)常(chang)(chang)數表達式可知，當電(dian)容(rong)器極板距離和面積一定時(shi)，介電(dian)常(chang)(chang)數ε越大，電(dian)容(rong)C越大，即電(dian)容(rong)器存儲電(dian)量(liang)越多。壓電(dian)晶體(ti)的ε應(ying)根(gen)據(ju)不(bu)同的用途(tu)來選取。超聲波檢測的壓電(dian)晶體(ti)，頻率要(yao)求高時(shi)，應(ying)小(xiao)一些(xie)。由(you)于ε小(xiao)、C小(xiao)，電(dian)容(rong)器充放電(dian)時(shi)間短，頻率高。反之，應(ying)該(gai)大一些(xie)。

d. 機電耦合(he)系數 K

 機(ji)電(dian)耦合系數(shu)K,表示壓電(dian)材(cai)料機(ji)械能(neng)（聲能(neng)）與電(dian)能(neng)的轉換效率，即

 K= 轉換的能(neng)量/輸入的能(neng)量

 對于正(zheng)壓電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)，K=轉換(huan)的電(dian)(dian)(dian)能／輸入的機械能。對于負壓電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)，K=轉換(huan)的機械能／輸入的電(dian)(dian)(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

 壓電(dian)晶(jing)片在諧振時(shi)儲存(cun)的(de)機械(xie)能(neng)E與(yu)一個周期內損耗的(de)能(neng)量E損之比稱(cheng)為機械(xie)品質因(yin)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(bo)理(li)論可(ke)知，壓電晶片在高頻(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. 壓電晶(jing)體的(de)選用(yong)原則

 對于壓電超聲換(huan)能(neng)器采用(yong)(yong)的(de)壓電晶片，其選用(yong)(yong)原則(ze)可(ke)參(can)考(kao)如下：

  a. 性能(neng)指(zhi)標適當，以(yi)滿足具體使(shi)用(yong)要求為度量，不宜過分追求各項(xiang)性能(neng)的高指(zhi)標；

  b. 工作性(xing)能要穩定、可(ke)靠(kao)；

  c. 價格(ge)低廉，加工方便。

超聲波換能器對晶(jing)片的要求(qiu)如(ru)下：

  a. 機(ji)電耦合系數(shu)K較大，以便獲得較高的(de)轉換(huan)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。