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

  有一種晶(jing)(jing)體(ti)(ti)，當受到擠(ji)壓(ya)或(huo)者拉伸(shen)作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)的(de)時候，產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)形(xing)變(bian)，使得其(qi)中(zhong)的(de)帶電(dian)(dian)質點發生(sheng)(sheng)(sheng)相對(dui)位移(yi)，因此(ci)大小相等極性相反的(de)正電(dian)(dian)荷(he)和負電(dian)(dian)荷(he)會(hui)出現(xian)(xian)在(zai)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)表面，然(ran)后(hou)在(zai)兩端產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)不同的(de)電(dian)(dian)荷(he)，此(ci)時晶(jing)(jing)體(ti)(ti)將處于帶電(dian)(dian)狀(zhuang)態，并(bing)且(qie)由(you)作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)電(dian)(dian)荷(he)量與作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)的(de)大小成(cheng)正比；當作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)撤去之后(hou)，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)恢復(fu)到它的(de)中(zhong)性狀(zhuang)態，這種現(xian)(xian)象(xiang)(xiang)被(bei)稱作(zuo)(zuo)正壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應。當此(ci)類晶(jing)(jing)體(ti)(ti)處于電(dian)(dian)場(chang)中(zhong)時，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)會(hui)沿一定的(de)方向產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)機(ji)械形(xing)變(bian)；電(dian)(dian)場(chang)撤去之后(hou)形(xing)變(bian)消失，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)恢復(fu)原(yuan)狀(zhuang)，這種現(xian)(xian)象(xiang)(xiang)被(bei)稱為(wei)逆(ni)壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應或(huo)電(dian)(dian)致(zhi)伸(shen)縮效(xiao)應。正壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應與逆(ni)壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應被(bei)統稱為(wei)壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應，如圖3.1所(suo)示。這種物理現(xian)(xian)象(xiang)(xiang)在(zai)1880年被(bei)居里兄弟發現(xian)(xian)，正是(shi)由(you)于這種現(xian)(xian)象(xiang)(xiang)，壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)被(bei)廣泛應用(yong)于產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)超(chao)聲(sheng)波的(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)振蕩器。

  壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)的(de)原理(li)是，如果對(dui)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)材料(liao)施加(jia)(jia)壓(ya)(ya)(ya)力(li)，就(jiu)會(hui)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)位差（稱為正(zheng)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)），反(fan)之(zhi)施加(jia)(jia)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)時，會(hui)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)機(ji)(ji)械應(ying)(ying)力(li)（稱為逆壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)(ying)）。如果壓(ya)(ya)(ya)力(li)是高(gao)頻振動，就(jiu)會(hui)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)高(gao)頻電(dian)(dian)(dian)(dian)流。當高(gao)頻電(dian)(dian)(dian)(dian)信(xin)號(hao)應(ying)(ying)用(yong)于壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)陶瓷上時，會(hui)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)高(gao)頻聲信(xin)號(hao)（機(ji)(ji)械振動），通常稱為超(chao)聲信(xin)號(hao)。也就(jiu)是說，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶片(pian)可以因(yin)機(ji)(ji)械形變產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)場，也可以因(yin)電(dian)(dian)(dian)(dian)場的(de)作用(yong)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)機(ji)(ji)械形變，實現(xian)機(ji)(ji)械能與電(dian)(dian)(dian)(dian)能之(zhi)間的(de)轉換(huan)和逆轉換(huan)，這種(zhong)內在的(de)機(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)耦合效應(ying)(ying)使得壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶體在工程中(zhong)得到了廣(guang)泛的(de)應(ying)(ying)用(yong)。

2. 壓電晶體

  在機械力的(de)(de)作(zuo)用下，產生形變，使帶電(dian)粒子具(ju)有相對(dui)位(wei)移，使晶(jing)體(ti)(ti)表面具(ju)有正負束縛電(dian)荷，這樣的(de)(de)晶(jing)體(ti)(ti)叫作(zuo)壓電(dian)晶(jing)體(ti)(ti)。壓電(dian)晶(jing)體(ti)(ti)極(ji)軸兩端產生的(de)(de)電(dian)勢差的(de)(de)性(xing)質稱(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)壓電(dian)特性(xing)。分為(wei)(wei)(wei)單晶(jing)體(ti)(ti)與多(duo)(duo)晶(jing)體(ti)(ti)，其(qi)中多(duo)(duo)晶(jing)體(ti)(ti)材(cai)料(liao)又稱(cheng)(cheng)作(zuo)壓電(dian)陶瓷(ci)(ci)。硫酸鋰(li)、鈮酸鋰(li)、石英等(deng)為(wei)(wei)(wei)常用的(de)(de)單晶(jing)材(cai)料(liao)。常用的(de)(de)多(duo)(duo)晶(jing)材(cai)料(liao)有鈦(tai)酸鋇、鈦(tai)酸鉛等(deng)。多(duo)(duo)晶(jing)體(ti)(ti)材(cai)料(liao)又稱(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)壓電(dian)陶瓷(ci)(ci)。其(qi)中單晶(jing)體(ti)(ti)材(cai)料(liao)對(dui)接(jie)收更(geng)靈敏，多(duo)(duo)晶(jing)材(cai)料(liao)的(de)(de)發射靈敏度較高(gao)。

  超聲(sheng)波(bo)(bo)換(huan)能器(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)片具(ju)有壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)，可利用(yong)超聲(sheng)換(huan)能器(qi)中(zhong)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)芯片的(de)(de)(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)實(shi)(shi)現(xian)超聲(sheng)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)(chan)生和接(jie)收(shou)(shou)。在壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體(ti)兩(liang)側的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極通交流電(dian)(dian)(dian)，通過(guo)逆壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效應(ying)可知，晶(jing)片會在厚(hou)度方向產(chan)(chan)(chan)生伸縮的(de)(de)(de)(de)機械振(zhen)動(dong)，將(jiang)電(dian)(dian)(dian)能轉換(huan)成(cheng)聲(sheng)能（機械能），此時探(tan)(tan)頭便發射出超聲(sheng)波(bo)(bo)，再通過(guo)合適的(de)(de)(de)(de)耦合劑與待檢測工件連接(jie)，振(zhen)動(dong)產(chan)(chan)(chan)生的(de)(de)(de)(de)超聲(sheng)波(bo)(bo)便進(jin)入了工件。當(dang)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)片接(jie)收(shou)(shou)到(dao)超聲(sheng)波(bo)(bo)時，受(shou)到(dao)聲(sheng)波(bo)(bo)能量的(de)(de)(de)(de)激發便會產(chan)(chan)(chan)生振(zhen)動(dong)發生機械形變(bian)從(cong)而使晶(jing)體(ti)兩(liang)個表面產(chan)(chan)(chan)生大小相(xiang)同極性相(xiang)反的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷(he)，形成(cheng)超聲(sheng)波(bo)(bo)頻(pin)率的(de)(de)(de)(de)高頻(pin)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，超聲(sheng)波(bo)(bo)探(tan)(tan)傷儀的(de)(de)(de)(de)接(jie)收(shou)(shou)電(dian)(dian)(dian)路正(zheng)是(shi)通過(guo)對返回的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)信號進(jin)行(xing)一系列處理從(cong)而判斷工件是(shi)否有傷。顯然，超聲(sheng)波(bo)(bo)換(huan)能器(qi)的(de)(de)(de)(de)作用(yong)是(shi)實(shi)(shi)現(xian)聲(sheng)能與電(dian)(dian)(dian)能的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)轉換(huan)。

 壓(ya)電(dian)晶(jing)(jing)體分為單壓(ya)電(dian)晶(jing)(jing)體與(yu)多晶(jing)(jing)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷。其中，壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷占(zhan)有相(xiang)當(dang)大的比重，是市(shi)場上應用最為廣泛的壓(ya)電(dian)材料(liao)。分述如下(xia)：

  a. 壓電單晶體:  石(shi)(shi)英、水溶性壓電晶體（酒石(shi)(shi)酸(suan)鉀(jia)鈉、酒石(shi)(shi)酸(suan)乙烯二銨、酒石(shi)(shi)酸(suan)二鉀(jia)、硫酸(suan)鉀(jia)等(deng)）。

  b. 多晶體壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci):   鈦酸鋇壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)、鋯(gao)鈦酸鉛系壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)、鈮酸鹽系壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)和鈮鎂酸鉛壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)為代表性的壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)。

3. 壓電單晶(jing)體

 石英(ying)(ying)晶(jing)體(ti)(ti)性能(neng)穩定，機械(xie)強(qiang)度高(gao)，絕緣性能(neng)好，但價格昂貴，壓電(dian)系(xi)數遠(yuan)低于壓電(dian)陶瓷，所以一般僅用于標準(zhun)儀器或要求較(jiao)高(gao)的(de)傳感器。石英(ying)(ying)晶(jing)體(ti)(ti)諧振器具有很高(gao)的(de)品(pin)質因數和(he)穩定性，可用于對講機、電(dian)子手表、電(dian)視機、電(dian)子儀器等產品(pin)的(de)諧振腔(qiang)，如圖3.2所示為石英(ying)(ying)晶(jing)體(ti)(ti)的(de)壓電(dian)模型(xing)。

 此外，酒(jiu)石(shi)酸(suan)鉀鈉、酒(jiu)石(shi)酸(suan)乙烯(xi)二銨、酒(jiu)石(shi)酸(suan)二鉀、硫酸(suan)鉀等水溶性(xing)壓電(dian)(dian)晶(jing)體是常見(jian)的單晶(jing)壓電(dian)(dian)材料。目前，通過(guo)單晶(jing)化來提(ti)高(gao)多晶(jing)壓電(dian)(dian)陶瓷（如鈦酸(suan)鉛）的壓電(dian)(dian)性(xing)能是壓電(dian)(dian)材料的研(yan)究熱點(dian)之一。

4. 多晶體壓電陶瓷

  多晶體壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)是一(yi)種具有壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效應(ying)的(de)功能(neng)(neng)陶(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)，在高溫下將(jiang)氧化物混合燒(shao)結(jie)(jie)，可以實現(xian)機械(xie)能(neng)(neng)和(he)電(dian)(dian)能(neng)(neng)的(de)轉換。目(mu)前市(shi)場上常(chang)見(jian)的(de)多晶體壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)為鋯(gao)鈦(tai)酸鉛（PZT)系壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材(cai)料(liao)。壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材(cai)料(liao)的(de)研(yan)究(jiu)熱點主(zhu)要有：①. 低溫燒(shao)結(jie)(jie)PZT陶(tao)瓷(ci)(ci)；②. 大功率(lv)高轉換效率(lv)的(de)PZT壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)；③. 壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)復合材(cai)料(liao)；④. 無鉛壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)；⑤. 單晶化。如圖3.3所示為壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)的(de)發展(zhan)歷史。

5. 壓(ya)電晶體(ti)的主要性能參數

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)電(dian)應(ying)變常數表示(shi)單位電(dian)壓(ya)作用于壓(ya)電(dian)晶體時所產生的(de)應(ying)變大小，其表達式為

  d₃₃ = Δt/U

  式中(zhong) Δt-晶(jing)片(pian)在(zai)厚度方向(xiang)的形變(bian)量，單位為m(米）；

         U--施加在壓電晶片兩面的(de)應力，單(dan)位(wei)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

 壓電電壓常(chang)數表示(shi)施(shi)加在壓電晶片上的單位(wei)應力所產(chan)生的壓電梯度大(da)小，其表達式為

  g₃₃ = U_p/P

 式(shi)中 P-施加在壓電晶片兩面的應(ying)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(chang)數(shu)(shu)是表(biao)示(shi)絕緣能(neng)力(li)特(te)性(xing)的(de)一個系數(shu)(shu)，其表(biao)達式為

 ε=C t/A

 式(shi)中 C-電容器(qi)電容；

       t-電容(rong)器極板(ban)距離；

       A-電容器極(ji)板面積。

 由介電(dian)常數(shu)表達式可知，當電(dian)容器極板距離(li)和(he)面積一定時(shi)，介電(dian)常數(shu)ε越大(da)，電(dian)容C越大(da)，即電(dian)容器存儲電(dian)量越多。壓電(dian)晶(jing)體(ti)的(de)ε應根據不(bu)同的(de)用途來選取。超聲波(bo)檢測的(de)壓電(dian)晶(jing)體(ti)，頻率(lv)要求高(gao)(gao)時(shi)，應小一些(xie)。由于ε小、C小，電(dian)容器充放電(dian)時(shi)間短，頻率(lv)高(gao)(gao)。反(fan)之，應該大(da)一些(xie)。

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(xie)能(neng)（聲能(neng)）與電能(neng)的轉(zhuan)換效率，即

 K= 轉(zhuan)換的能(neng)量/輸入的能(neng)量

 對于正壓(ya)電效應(ying)，K=轉換的電能／輸入(ru)(ru)的機(ji)械能。對于負壓(ya)電效應(ying)，K=轉換的機(ji)械能／輸入(ru)(ru)的電能。

 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(dian)晶片在諧振時儲存的機械能(neng)E與一個(ge)周(zhou)期內損耗(hao)的能(neng)量(liang)E損之比稱為機械品質(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(zhu)波理論可知，壓電晶片在高頻電脈(mo)沖激勵下產生共振(zhen)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(yu)壓電(dian)超(chao)聲換能器采用(yong)(yong)的壓電(dian)晶(jing)片(pian)，其選(xuan)用(yong)(yong)原則可參(can)考如下：

  a. 性(xing)能指(zhi)標適當，以滿足具體使用要求為度量，不(bu)宜(yi)過(guo)分追求各項性(xing)能的高指(zhi)標；

  b. 工作(zuo)性能要穩定、可靠；

  c. 價格低廉，加工方(fang)便。

超聲波換能器對晶片的要(yao)求如(ru)下(xia)：

  a. 機(ji)電耦(ou)合系數K較(jiao)大，以(yi)便獲得(de)較(jiao)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。