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(you)一種(zhong)(zhong)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)，當(dang)受到擠壓或(huo)者拉伸作用(yong)力的(de)(de)時候，產(chan)生(sheng)(sheng)形(xing)變(bian)，使得其中(zhong)的(de)(de)帶電(dian)質(zhi)點發(fa)生(sheng)(sheng)相(xiang)對位(wei)移，因此(ci)大(da)(da)小(xiao)相(xiang)等(deng)極性相(xiang)反的(de)(de)正電(dian)荷和(he)負電(dian)荷會出現(xian)在晶(jing)(jing)體(ti)(ti)表面，然后在兩端(duan)產(chan)生(sheng)(sheng)不同的(de)(de)電(dian)荷，此(ci)時晶(jing)(jing)體(ti)(ti)將處(chu)(chu)于(yu)(yu)帶電(dian)狀態(tai)(tai)，并(bing)且由作用(yong)力產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)電(dian)荷量與作用(yong)力的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)成(cheng)正比；當(dang)作用(yong)力撤去(qu)(qu)之后，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)恢復(fu)(fu)到它(ta)的(de)(de)中(zhong)性狀態(tai)(tai)，這種(zhong)(zhong)現(xian)象被稱(cheng)作正壓電(dian)效(xiao)應。當(dang)此(ci)類晶(jing)(jing)體(ti)(ti)處(chu)(chu)于(yu)(yu)電(dian)場中(zhong)時，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)會沿(yan)一定的(de)(de)方向產(chan)生(sheng)(sheng)機械形(xing)變(bian)；電(dian)場撤去(qu)(qu)之后形(xing)變(bian)消失，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)恢復(fu)(fu)原狀，這種(zhong)(zhong)現(xian)象被稱(cheng)為逆壓電(dian)效(xiao)應或(huo)電(dian)致伸縮效(xiao)應。正壓電(dian)效(xiao)應與逆壓電(dian)效(xiao)應被統稱(cheng)為壓電(dian)效(xiao)應，如(ru)圖3.1所示。這種(zhong)(zhong)物理(li)現(xian)象在1880年(nian)被居里兄弟發(fa)現(xian)，正是由于(yu)(yu)這種(zhong)(zhong)現(xian)象，壓電(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)被廣泛應用(yong)于(yu)(yu)產(chan)生(sheng)(sheng)超聲波的(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)振蕩器。

  壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)的(de)原理是，如果對(dui)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)材(cai)料施加壓(ya)(ya)力，就會產(chan)生電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)差（稱為正壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)），反之(zhi)施加電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)時，會產(chan)生機(ji)(ji)械(xie)應(ying)力（稱為逆(ni)(ni)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)）。如果壓(ya)(ya)力是高(gao)頻振(zhen)動，就會產(chan)生高(gao)頻電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。當高(gao)頻電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)信號(hao)應(ying)用于(yu)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶瓷上(shang)時，會產(chan)生高(gao)頻聲信號(hao)（機(ji)(ji)械(xie)振(zhen)動），通常(chang)稱為超聲信號(hao)。也(ye)(ye)就是說，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶片可(ke)以(yi)因機(ji)(ji)械(xie)形變產(chan)生電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)，也(ye)(ye)可(ke)以(yi)因電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)的(de)作(zuo)用產(chan)生機(ji)(ji)械(xie)形變，實現(xian)機(ji)(ji)械(xie)能與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能之(zhi)間(jian)的(de)轉換和逆(ni)(ni)轉換，這種內在(zai)的(de)機(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)耦合效(xiao)應(ying)使(shi)得(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶體在(zai)工程中得(de)到了廣泛(fan)的(de)應(ying)用。

2. 壓(ya)電晶體

  在機械力(li)的(de)作(zuo)(zuo)用(yong)下(xia)，產(chan)生(sheng)形變，使帶電(dian)(dian)粒子具有(you)(you)相(xiang)對位(wei)移(yi)，使晶(jing)(jing)體(ti)(ti)表面具有(you)(you)正(zheng)負束縛電(dian)(dian)荷，這樣的(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)叫作(zuo)(zuo)壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)。壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)極軸兩端(duan)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)(dian)勢(shi)差的(de)性質稱(cheng)(cheng)為壓(ya)電(dian)(dian)特性。分為單晶(jing)(jing)體(ti)(ti)與多(duo)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)，其中多(duo)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)(cai)(cai)料又(you)稱(cheng)(cheng)作(zuo)(zuo)壓(ya)電(dian)(dian)陶瓷。硫酸(suan)鋰、鈮酸(suan)鋰、石英等(deng)為常(chang)用(yong)的(de)單晶(jing)(jing)材(cai)(cai)(cai)料。常(chang)用(yong)的(de)多(duo)晶(jing)(jing)材(cai)(cai)(cai)料有(you)(you)鈦(tai)酸(suan)鋇、鈦(tai)酸(suan)鉛等(deng)。多(duo)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)(cai)(cai)料又(you)稱(cheng)(cheng)為壓(ya)電(dian)(dian)陶瓷。其中單晶(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)(cai)(cai)料對接收更靈(ling)敏(min)，多(duo)晶(jing)(jing)材(cai)(cai)(cai)料的(de)發射靈(ling)敏(min)度較高。

  超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)器(qi)中(zhong)的(de)壓電(dian)(dian)晶(jing)片(pian)具有壓電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)，可(ke)利用(yong)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)器(qi)中(zhong)壓電(dian)(dian)芯片(pian)的(de)壓電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)實現(xian)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)的(de)產生(sheng)和接(jie)(jie)收(shou)。在(zai)壓電(dian)(dian)晶(jing)體(ti)兩(liang)側的(de)電(dian)(dian)極(ji)通交流(liu)電(dian)(dian)，通過(guo)逆壓電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)可(ke)知(zhi)，晶(jing)片(pian)會在(zai)厚度方向(xiang)產生(sheng)伸縮的(de)機械振(zhen)動(dong)，將電(dian)(dian)能(neng)轉換(huan)成聲(sheng)(sheng)(sheng)能(neng)（機械能(neng)），此時探頭(tou)便(bian)(bian)發射出超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)，再通過(guo)合適的(de)耦合劑與待檢測工件(jian)(jian)連接(jie)(jie)，振(zhen)動(dong)產生(sheng)的(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)便(bian)(bian)進入了工件(jian)(jian)。當壓電(dian)(dian)晶(jing)片(pian)接(jie)(jie)收(shou)到(dao)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)時，受(shou)到(dao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)能(neng)量的(de)激發便(bian)(bian)會產生(sheng)振(zhen)動(dong)發生(sheng)機械形(xing)變從而使晶(jing)體(ti)兩(liang)個表面產生(sheng)大小相(xiang)同極(ji)性相(xiang)反(fan)的(de)電(dian)(dian)荷，形(xing)成超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)頻率的(de)高(gao)頻電(dian)(dian)壓，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)探傷儀(yi)的(de)接(jie)(jie)收(shou)電(dian)(dian)路(lu)正(zheng)是通過(guo)對返回的(de)電(dian)(dian)信號進行一系列處理(li)從而判斷工件(jian)(jian)是否有傷。顯然，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)器(qi)的(de)作用(yong)是實現(xian)聲(sheng)(sheng)(sheng)能(neng)與電(dian)(dian)能(neng)的(de)相(xiang)互轉換(huan)。

 壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)體分為單壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)體與(yu)多晶(jing)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶瓷(ci)。其中，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶瓷(ci)占有相(xiang)當大的(de)比重，是(shi)市場上(shang)應(ying)用最為廣泛(fan)的(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)材料(liao)。分述如下：

  a. 壓電單晶體(ti):  石(shi)(shi)英、水(shui)溶性壓電晶體(ti)（酒(jiu)(jiu)石(shi)(shi)酸鉀鈉、酒(jiu)(jiu)石(shi)(shi)酸乙烯二銨(an)、酒(jiu)(jiu)石(shi)(shi)酸二鉀、硫(liu)酸鉀等）。

  b. 多晶(jing)體壓(ya)電陶瓷:   鈦(tai)酸(suan)鋇壓(ya)電陶瓷、鋯鈦(tai)酸(suan)鉛系(xi)壓(ya)電陶瓷、鈮酸(suan)鹽(yan)系(xi)壓(ya)電陶瓷和鈮鎂酸(suan)鉛壓(ya)電陶為代表性的(de)壓(ya)電陶瓷。

3. 壓電單(dan)晶體

 石英晶體(ti)(ti)性(xing)能穩定，機(ji)(ji)(ji)械強度高(gao)，絕緣性(xing)能好，但價格(ge)昂貴，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)系數遠低于(yu)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶瓷，所(suo)以一(yi)般僅用(yong)于(yu)標準儀器(qi)(qi)或要求較高(gao)的(de)傳感器(qi)(qi)。石英晶體(ti)(ti)諧振器(qi)(qi)具有很高(gao)的(de)品質因(yin)數和(he)穩定性(xing)，可用(yong)于(yu)對講機(ji)(ji)(ji)、電(dian)(dian)子手表、電(dian)(dian)視機(ji)(ji)(ji)、電(dian)(dian)子儀器(qi)(qi)等產(chan)品的(de)諧振腔，如圖3.2所(suo)示為石英晶體(ti)(ti)的(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)模型。

 此外，酒石(shi)酸鉀鈉(na)、酒石(shi)酸乙烯二銨(an)、酒石(shi)酸二鉀、硫酸鉀等水溶性壓電(dian)晶體是常見的單晶壓電(dian)材料。目前，通過單晶化(hua)來提(ti)高(gao)多晶壓電(dian)陶(tao)瓷（如鈦酸鉛）的壓電(dian)性能是壓電(dian)材料的研究(jiu)熱點之(zhi)一。

4. 多晶體壓電陶瓷

  多晶(jing)體壓(ya)電陶(tao)瓷(ci)是(shi)一(yi)種(zhong)具有壓(ya)電效應的(de)(de)(de)功能(neng)陶(tao)瓷(ci)材料(liao)(liao)，在高(gao)溫(wen)下(xia)將氧(yang)化物混(hun)合燒結(jie)，可(ke)以實(shi)現機械(xie)能(neng)和電能(neng)的(de)(de)(de)轉換。目前市場上常(chang)見的(de)(de)(de)多晶(jing)體壓(ya)電陶(tao)瓷(ci)為(wei)鋯鈦酸鉛(qian)(qian)（PZT)系壓(ya)電材料(liao)(liao)。壓(ya)電材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)研究(jiu)熱點主要有：①. 低溫(wen)燒結(jie)PZT陶(tao)瓷(ci)；②. 大功率高(gao)轉換效率的(de)(de)(de)PZT壓(ya)電陶(tao)瓷(ci)；③. 壓(ya)電復合材料(liao)(liao)；④. 無鉛(qian)(qian)壓(ya)電陶(tao)瓷(ci)；⑤. 單晶(jing)化。如圖(tu)3.3所示為(wei)壓(ya)電陶(tao)瓷(ci)的(de)(de)(de)發展歷史(shi)。

5. 壓電晶體(ti)的主(zhu)要(yao)性能參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓電應變常數表示單位電壓作(zuo)用于壓電晶體時所產(chan)生的應變大小，其表達式為

  d₃₃ = Δt/U

  式中(zhong) Δt-晶片在厚(hou)度方向(xiang)的(de)形變量(liang)，單位為m(米）；

         U--施加在壓電晶片兩面的(de)應力(li)，單(dan)位(wei)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(ya)(ya)電(dian)電(dian)壓(ya)(ya)常數表示(shi)施(shi)加在壓(ya)(ya)電(dian)晶片上的(de)單位(wei)應力所產生的(de)壓(ya)(ya)電(dian)梯度大(da)小(xiao)，其表達式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加在壓電(dian)晶片兩面的應力，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(biao)示絕緣能力特性的(de)一(yi)個系(xi)數(shu)，其表(biao)達(da)式(shi)為

 ε=C t/A

 式中 C-電容器電容；

       t-電(dian)容器極板距(ju)離；

       A-電(dian)容(rong)器(qi)極板面積。

 由介電(dian)(dian)常(chang)數(shu)表達式可知，當電(dian)(dian)容器極板距(ju)離和(he)面(mian)積一(yi)定時，介電(dian)(dian)常(chang)數(shu)ε越(yue)大(da)，電(dian)(dian)容C越(yue)大(da)，即(ji)電(dian)(dian)容器存儲電(dian)(dian)量越(yue)多。壓電(dian)(dian)晶體的(de)ε應根據不(bu)同的(de)用途來(lai)選(xuan)取。超聲波檢(jian)測的(de)壓電(dian)(dian)晶體，頻率(lv)要求高(gao)時，應小一(yi)些。由于ε小、C小，電(dian)(dian)容器充放電(dian)(dian)時間短，頻率(lv)高(gao)。反(fan)之(zhi)，應該大(da)一(yi)些。

d. 機電耦合系數 K

 機(ji)電耦合系數K,表示壓電材(cai)料機(ji)械能（聲能）與電能的轉換效率，即(ji)

 K= 轉換的(de)能量(liang)/輸入(ru)的(de)能量(liang)

 對于正壓(ya)電(dian)效應(ying)，K=轉換的(de)電(dian)能(neng)／輸入(ru)的(de)機(ji)械(xie)能(neng)。對于負壓(ya)電(dian)效應(ying)，K=轉換的(de)機(ji)械(xie)能(neng)／輸入(ru)的(de)電(dian)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(pian)在諧振時(shi)儲存的機械(xie)能(neng)(neng)E與一個(ge)周期內損(sun)耗的能(neng)(neng)量E損(sun)之比稱為機械(xie)品質(zhi)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

 由駐波理(li)論可知(zhi)，壓(ya)電晶片在高頻(pin)電脈沖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(dian)晶體的選用原則

 對(dui)于壓電超聲換能器采用的(de)壓電晶片，其選用原則(ze)可參考(kao)如(ru)下：

  a. 性能指標適(shi)當，以(yi)滿足(zu)具(ju)體使用要求為度量，不宜過(guo)分追求各(ge)項性能的(de)高指標；

  b. 工作性能要穩定、可靠；

  c. 價(jia)格低廉，加工(gong)方便。

超聲波換能(neng)器對(dui)晶片的要求如下：

  a. 機電(dian)耦合(he)系數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。