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

  有一種(zhong)(zhong)晶(jing)(jing)體(ti)，當受到擠(ji)壓(ya)(ya)或者拉伸作(zuo)用(yong)力(li)(li)的(de)時候(hou)，產(chan)生(sheng)形(xing)變，使(shi)得其(qi)中的(de)帶電(dian)(dian)質點發生(sheng)相(xiang)(xiang)對(dui)位移(yi)，因此大(da)小(xiao)相(xiang)(xiang)等極性(xing)相(xiang)(xiang)反(fan)的(de)正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)荷(he)(he)和負(fu)電(dian)(dian)荷(he)(he)會出(chu)現(xian)在晶(jing)(jing)體(ti)表(biao)面，然后(hou)在兩(liang)端(duan)產(chan)生(sheng)不(bu)同的(de)電(dian)(dian)荷(he)(he)，此時晶(jing)(jing)體(ti)將處于(yu)(yu)帶電(dian)(dian)狀態，并且由作(zuo)用(yong)力(li)(li)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)(dian)荷(he)(he)量與作(zuo)用(yong)力(li)(li)的(de)大(da)小(xiao)成正(zheng)(zheng)比；當作(zuo)用(yong)力(li)(li)撤去之后(hou)，晶(jing)(jing)體(ti)恢復(fu)到它的(de)中性(xing)狀態，這(zhe)種(zhong)(zhong)現(xian)象(xiang)(xiang)被(bei)稱(cheng)作(zuo)正(zheng)(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應。當此類(lei)晶(jing)(jing)體(ti)處于(yu)(yu)電(dian)(dian)場中時，晶(jing)(jing)體(ti)會沿一定(ding)的(de)方向產(chan)生(sheng)機械形(xing)變；電(dian)(dian)場撤去之后(hou)形(xing)變消失，晶(jing)(jing)體(ti)恢復(fu)原狀，這(zhe)種(zhong)(zhong)現(xian)象(xiang)(xiang)被(bei)稱(cheng)為逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應或電(dian)(dian)致伸縮(suo)效應。正(zheng)(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應與逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應被(bei)統稱(cheng)為壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效應，如圖3.1所示。這(zhe)種(zhong)(zhong)物(wu)理現(xian)象(xiang)(xiang)在1880年被(bei)居(ju)里兄弟發現(xian)，正(zheng)(zheng)是由于(yu)(yu)這(zhe)種(zhong)(zhong)現(xian)象(xiang)(xiang)，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)被(bei)廣泛應用(yong)于(yu)(yu)產(chan)生(sheng)超聲波(bo)的(de)晶(jing)(jing)體(ti)振蕩器。

  壓電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)(ying)的(de)原理是，如果(guo)對壓電(dian)(dian)材(cai)料施(shi)加壓力(li)(li)，就會(hui)產生(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)(dian)位差(cha)（稱(cheng)為正壓電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)(ying)），反之施(shi)加電(dian)(dian)壓時，會(hui)產生(sheng)(sheng)(sheng)機(ji)械(xie)(xie)應(ying)(ying)力(li)(li)（稱(cheng)為逆壓電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)(ying)）。如果(guo)壓力(li)(li)是高頻振動，就會(hui)產生(sheng)(sheng)(sheng)高頻電(dian)(dian)流(liu)。當高頻電(dian)(dian)信號應(ying)(ying)用(yong)于壓電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)上(shang)時，會(hui)產生(sheng)(sheng)(sheng)高頻聲信號（機(ji)械(xie)(xie)振動），通(tong)常稱(cheng)為超(chao)聲信號。也就是說，壓電(dian)(dian)晶片可以因機(ji)械(xie)(xie)形變(bian)產生(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)(dian)場(chang)(chang)，也可以因電(dian)(dian)場(chang)(chang)的(de)作用(yong)產生(sheng)(sheng)(sheng)機(ji)械(xie)(xie)形變(bian)，實現機(ji)械(xie)(xie)能與電(dian)(dian)能之間的(de)轉(zhuan)換(huan)(huan)和逆轉(zhuan)換(huan)(huan)，這種(zhong)內在的(de)機(ji)電(dian)(dian)耦合效(xiao)應(ying)(ying)使得壓電(dian)(dian)晶體在工(gong)程中得到了(le)廣泛的(de)應(ying)(ying)用(yong)。

2. 壓電晶體

  在(zai)機械力的(de)作用下，產生(sheng)形(xing)變，使(shi)帶電(dian)(dian)(dian)粒子(zi)具有(you)相對位移，使(shi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)表(biao)面具有(you)正負束(shu)縛電(dian)(dian)(dian)荷(he)，這樣(yang)的(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)叫作壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)。壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)極(ji)軸兩端產生(sheng)的(de)電(dian)(dian)(dian)勢差的(de)性(xing)(xing)質(zhi)稱為(wei)(wei)(wei)(wei)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)特(te)性(xing)(xing)。分為(wei)(wei)(wei)(wei)單晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)與多晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)，其(qi)中多晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)料又稱作壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷。硫酸鋰(li)、鈮酸鋰(li)、石英等為(wei)(wei)(wei)(wei)常用的(de)單晶(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)料。常用的(de)多晶(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)料有(you)鈦酸鋇、鈦酸鉛等。多晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)料又稱為(wei)(wei)(wei)(wei)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷。其(qi)中單晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)料對接收更靈敏，多晶(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)料的(de)發射靈敏度較高(gao)。

  超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器中的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶片具有壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)，可(ke)利用超(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器中壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)芯(xin)片的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(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)(chan)生和接(jie)收(shou)。在壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶體兩側的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極通(tong)(tong)交流(liu)電(dian)(dian)(dian)，通(tong)(tong)過逆壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)可(ke)知，晶片會在厚度方向(xiang)產(chan)(chan)生伸縮的(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)械振(zhen)動，將電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)轉換(huan)成(cheng)聲(sheng)能(neng)(neng)(neng)（機(ji)械能(neng)(neng)(neng)），此時探頭便(bian)發射出超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)，再通(tong)(tong)過合適的(de)(de)(de)(de)(de)耦合劑與(yu)待檢測(ce)工(gong)件連接(jie)，振(zhen)動產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)便(bian)進入了(le)工(gong)件。當壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶片接(jie)收(shou)到(dao)超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)時，受到(dao)聲(sheng)波(bo)能(neng)(neng)(neng)量的(de)(de)(de)(de)(de)激發便(bian)會產(chan)(chan)生振(zhen)動發生機(ji)械形(xing)變從而(er)(er)使晶體兩個表面產(chan)(chan)生大小(xiao)相(xiang)同極性(xing)相(xiang)反(fan)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷，形(xing)成(cheng)超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)頻率的(de)(de)(de)(de)(de)高頻電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)，超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)探傷(shang)儀的(de)(de)(de)(de)(de)接(jie)收(shou)電(dian)(dian)(dian)路正(zheng)是通(tong)(tong)過對返回(hui)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)信(xin)號進行(xing)一系列(lie)處理從而(er)(er)判斷(duan)工(gong)件是否有傷(shang)。顯然，超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用是實現聲(sheng)能(neng)(neng)(neng)與(yu)電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)互轉換(huan)。

 壓(ya)(ya)(ya)電(dian)晶體分為(wei)單壓(ya)(ya)(ya)電(dian)晶體與(yu)多(duo)晶壓(ya)(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)。其中，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)占有相當(dang)大(da)的比重，是市(shi)場(chang)上(shang)應用最(zui)為(wei)廣泛(fan)的壓(ya)(ya)(ya)電(dian)材料。分述如下：

  a. 壓(ya)電(dian)單晶體:  石英、水溶性壓(ya)電(dian)晶體（酒(jiu)石酸(suan)鉀(jia)鈉、酒(jiu)石酸(suan)乙烯二銨、酒(jiu)石酸(suan)二鉀(jia)、硫酸(suan)鉀(jia)等）。

  b. 多晶體壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci):   鈦(tai)酸(suan)(suan)鋇壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)、鋯鈦(tai)酸(suan)(suan)鉛系壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)、鈮酸(suan)(suan)鹽(yan)系壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)和鈮鎂酸(suan)(suan)鉛壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)為代表性的壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)。

3. 壓(ya)電單晶體(ti)

 石(shi)英晶體(ti)性(xing)(xing)能(neng)穩定(ding)，機(ji)械強度高，絕緣(yuan)性(xing)(xing)能(neng)好(hao)，但價格(ge)昂貴(gui)，壓電(dian)(dian)(dian)系數遠(yuan)低于(yu)壓電(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)，所(suo)以一般僅用(yong)于(yu)標(biao)準儀(yi)器(qi)(qi)或要求(qiu)較高的(de)傳感器(qi)(qi)。石(shi)英晶體(ti)諧振(zhen)器(qi)(qi)具有很高的(de)品質因數和穩定(ding)性(xing)(xing)，可用(yong)于(yu)對講機(ji)、電(dian)(dian)(dian)子(zi)手表、電(dian)(dian)(dian)視機(ji)、電(dian)(dian)(dian)子(zi)儀(yi)器(qi)(qi)等產品的(de)諧振(zhen)腔，如圖(tu)3.2所(suo)示為石(shi)英晶體(ti)的(de)壓電(dian)(dian)(dian)模型。

 此外，酒(jiu)石(shi)酸鉀鈉、酒(jiu)石(shi)酸乙烯二銨(an)、酒(jiu)石(shi)酸二鉀、硫酸鉀等(deng)水溶性壓(ya)電(dian)晶體是常(chang)見的單晶壓(ya)電(dian)材料。目前，通(tong)過單晶化來提(ti)高多晶壓(ya)電(dian)陶瓷（如鈦酸鉛）的壓(ya)電(dian)性能是壓(ya)電(dian)材料的研究熱點之一(yi)。

4. 多晶體壓(ya)電陶(tao)瓷

  多晶(jing)體(ti)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)是一種(zhong)具有壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)的(de)(de)功能(neng)陶(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，在高溫(wen)下將氧化物混(hun)合燒結，可以實(shi)現機械能(neng)和(he)電(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)轉換。目前市場上(shang)常見的(de)(de)多晶(jing)體(ti)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)為鋯鈦酸(suan)鉛（PZT)系壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)研究熱點主要有：①. 低(di)溫(wen)燒結PZT陶(tao)(tao)瓷(ci)；②. 大功率(lv)高轉換效率(lv)的(de)(de)PZT壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)；③. 壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)復合材(cai)(cai)料(liao)(liao)；④. 無(wu)鉛壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)；⑤. 單晶(jing)化。如圖3.3所示為壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)的(de)(de)發展歷史。

5. 壓電晶體的(de)主要性能參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓電(dian)(dian)應變(bian)常數表示單位電(dian)(dian)壓作(zuo)用于壓電(dian)(dian)晶體(ti)時所產生的應變(bian)大小，其表達式為

  d₃₃ = Δt/U

  式中 Δt-晶(jing)片在(zai)厚度方向(xiang)的形(xing)變量，單位為m(米）；

         U--施(shi)加在壓電晶片兩(liang)面的應力(li)，單位為V(伏特(te)）。

 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)壓常數表示施加(jia)在壓電(dian)晶片上的單位應力所產生的壓電(dian)梯(ti)度大小，其表達式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中(zhong) P-施(shi)加在壓電晶片兩面的應力，單位為(wei)N(牛(niu)）；

      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(shu) ε

介電常數是表示絕緣能(neng)力特性的一個系數，其表達式(shi)為

 ε=C t/A

 式中 C-電(dian)容器電(dian)容；

       t-電容器極板距離；

       A-電容(rong)器極板面積。

 由介電(dian)(dian)(dian)常數表(biao)達式可(ke)知，當電(dian)(dian)(dian)容器極板距(ju)離和面積一定時，介電(dian)(dian)(dian)常數ε越大(da)，電(dian)(dian)(dian)容C越大(da)，即電(dian)(dian)(dian)容器存(cun)儲(chu)電(dian)(dian)(dian)量越多。壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶體的ε應根據不(bu)同(tong)的用(yong)途(tu)來選取。超聲波(bo)檢測(ce)的壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶體，頻(pin)率(lv)要(yao)求高(gao)時，應小(xiao)一些。由于ε小(xiao)、C小(xiao)，電(dian)(dian)(dian)容器充放電(dian)(dian)(dian)時間短，頻(pin)率(lv)高(gao)。反之，應該大(da)一些。

d. 機電耦合系數 K

 機(ji)電耦合系(xi)數(shu)K,表(biao)示壓電材料機(ji)械能（聲能）與電能的轉換效率，即(ji)

 K= 轉換的能量/輸入(ru)的能量

 對于正壓電效(xiao)應，K=轉換的(de)電能／輸(shu)入的(de)機(ji)械(xie)能。對于負(fu)壓電效(xiao)應，K=轉換的(de)機(ji)械(xie)能／輸(shu)入的(de)電能。

 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

 壓電晶片在諧振(zhen)時(shi)儲存的(de)(de)機械能E與(yu)一個(ge)周期內(nei)損耗的(de)(de)能量E損之比稱(cheng)為機械品質(zhi)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

 由駐波理論可知，壓電晶(jing)片在高頻電脈沖激勵下(xia)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. 壓電晶體的選用(yong)原則

 對于壓(ya)電超聲換能器采用的壓(ya)電晶片，其選用原(yuan)則(ze)可(ke)參(can)考如下：

  a. 性能(neng)指標(biao)適當，以滿(man)足具體(ti)使用(yong)要(yao)求(qiu)為度量，不(bu)宜過分(fen)追求(qiu)各項(xiang)性能(neng)的高指標(biao)；

  b. 工(gong)作性(xing)能要穩定、可靠；

  c. 價格低廉，加工方便。

超聲波換能器對晶片(pian)的要求如(ru)下：

  a. 機電(dian)耦合系數K較(jiao)大，以便獲得較(jiao)高(gao)的(de)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。