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(ying)

  有一(yi)種(zhong)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)，當受到(dao)擠(ji)壓(ya)(ya)或(huo)(huo)者拉(la)伸作用(yong)力(li)的(de)時候，產生形變，使得其中(zhong)的(de)帶電(dian)(dian)(dian)質點發生相(xiang)對位移，因此大(da)小相(xiang)等極性(xing)相(xiang)反的(de)正電(dian)(dian)(dian)荷(he)和負電(dian)(dian)(dian)荷(he)會(hui)出現(xian)(xian)在(zai)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)表面(mian)，然后(hou)在(zai)兩端產生不同(tong)的(de)電(dian)(dian)(dian)荷(he)，此時晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)將處于(yu)(yu)帶電(dian)(dian)(dian)狀態，并且由(you)作用(yong)力(li)產生的(de)電(dian)(dian)(dian)荷(he)量與作用(yong)力(li)的(de)大(da)小成正比(bi)；當作用(yong)力(li)撤去之后(hou)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)恢復到(dao)它的(de)中(zhong)性(xing)狀態，這(zhe)種(zhong)現(xian)(xian)象(xiang)被(bei)稱(cheng)作正壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)(ying)。當此類(lei)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)處于(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)場(chang)中(zhong)時，晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)會(hui)沿(yan)一(yi)定(ding)的(de)方向產生機(ji)械形變；電(dian)(dian)(dian)場(chang)撤去之后(hou)形變消(xiao)失，晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)恢復原狀，這(zhe)種(zhong)現(xian)(xian)象(xiang)被(bei)稱(cheng)為(wei)逆(ni)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)(ying)或(huo)(huo)電(dian)(dian)(dian)致伸縮效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)(ying)。正壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)(ying)與逆(ni)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)(ying)被(bei)統稱(cheng)為(wei)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)(xiao)應(ying)(ying)，如圖3.1所示。這(zhe)種(zhong)物理現(xian)(xian)象(xiang)在(zai)1880年被(bei)居里(li)兄(xiong)弟發現(xian)(xian)，正是(shi)由(you)于(yu)(yu)這(zhe)種(zhong)現(xian)(xian)象(xiang)，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)被(bei)廣泛(fan)應(ying)(ying)用(yong)于(yu)(yu)產生超聲波的(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)振蕩(dang)器。

  壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)的原理是，如果(guo)對(dui)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)材(cai)料施(shi)加壓(ya)(ya)力，就(jiu)會產生(sheng)電(dian)(dian)位差（稱(cheng)為(wei)(wei)正壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)），反之施(shi)加電(dian)(dian)壓(ya)(ya)時，會產生(sheng)機械(xie)(xie)應(ying)力（稱(cheng)為(wei)(wei)逆(ni)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)）。如果(guo)壓(ya)(ya)力是高頻(pin)(pin)(pin)(pin)振(zhen)動(dong)，就(jiu)會產生(sheng)高頻(pin)(pin)(pin)(pin)電(dian)(dian)流(liu)。當(dang)高頻(pin)(pin)(pin)(pin)電(dian)(dian)信(xin)號應(ying)用(yong)于(yu)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷上時，會產生(sheng)高頻(pin)(pin)(pin)(pin)聲(sheng)信(xin)號（機械(xie)(xie)振(zhen)動(dong)），通常稱(cheng)為(wei)(wei)超聲(sheng)信(xin)號。也就(jiu)是說，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)片可(ke)以(yi)因機械(xie)(xie)形(xing)變產生(sheng)電(dian)(dian)場，也可(ke)以(yi)因電(dian)(dian)場的作(zuo)用(yong)產生(sheng)機械(xie)(xie)形(xing)變，實現機械(xie)(xie)能(neng)與電(dian)(dian)能(neng)之間的轉換和逆(ni)轉換，這(zhe)種內在的機電(dian)(dian)耦合效(xiao)(xiao)應(ying)使得(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)體(ti)在工程中(zhong)得(de)到了廣泛的應(ying)用(yong)。

2. 壓電晶體(ti)

  在(zai)機械(xie)力(li)的作用(yong)下(xia)，產生形變，使帶電(dian)(dian)(dian)粒子具(ju)有相(xiang)對位移，使晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)表(biao)面具(ju)有正負束縛電(dian)(dian)(dian)荷，這樣的晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)叫作壓電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)。壓電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)極軸兩端產生的電(dian)(dian)(dian)勢差(cha)的性(xing)質稱為(wei)(wei)壓電(dian)(dian)(dian)特性(xing)。分(fen)為(wei)(wei)單晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)與多(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)，其中(zhong)(zhong)多(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)(cai)(cai)料又(you)稱作壓電(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)。硫酸(suan)鋰、鈮酸(suan)鋰、石(shi)英等為(wei)(wei)常(chang)用(yong)的單晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)(cai)(cai)料。常(chang)用(yong)的多(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)(cai)(cai)料有鈦酸(suan)鋇(bei)、鈦酸(suan)鉛(qian)等。多(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)(cai)(cai)料又(you)稱為(wei)(wei)壓電(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)。其中(zhong)(zhong)單晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)材(cai)(cai)(cai)料對接(jie)收更靈敏，多(duo)(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)材(cai)(cai)(cai)料的發射靈敏度較(jiao)高。

  超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)換(huan)(huan)(huan)能器(qi)中的(de)壓電(dian)(dian)晶(jing)片(pian)(pian)具有壓電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)，可利用超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)(huan)能器(qi)中壓電(dian)(dian)芯片(pian)(pian)的(de)壓電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)實(shi)(shi)現超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)的(de)產生(sheng)和接收(shou)。在(zai)壓電(dian)(dian)晶(jing)體兩側的(de)電(dian)(dian)極通交流電(dian)(dian)，通過逆壓電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)可知，晶(jing)片(pian)(pian)會在(zai)厚(hou)度方向(xiang)產生(sheng)伸縮的(de)機(ji)械振(zhen)動，將(jiang)電(dian)(dian)能轉換(huan)(huan)(huan)成(cheng)(cheng)聲(sheng)(sheng)(sheng)能（機(ji)械能），此時探(tan)頭便發射出超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)，再(zai)通過合適(shi)的(de)耦合劑與待(dai)檢(jian)測工(gong)件連接，振(zhen)動產生(sheng)的(de)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)便進入(ru)了工(gong)件。當壓電(dian)(dian)晶(jing)片(pian)(pian)接收(shou)到(dao)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)時，受到(dao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)能量的(de)激發便會產生(sheng)振(zhen)動發生(sheng)機(ji)械形(xing)變(bian)從而(er)使晶(jing)體兩個表面產生(sheng)大小相(xiang)(xiang)同極性相(xiang)(xiang)反(fan)的(de)電(dian)(dian)荷，形(xing)成(cheng)(cheng)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)頻率的(de)高頻電(dian)(dian)壓，超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)探(tan)傷儀的(de)接收(shou)電(dian)(dian)路正是通過對(dui)返回的(de)電(dian)(dian)信號進行(xing)一系列處(chu)理(li)從而(er)判斷工(gong)件是否有傷。顯然，超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)換(huan)(huan)(huan)能器(qi)的(de)作用是實(shi)(shi)現聲(sheng)(sheng)(sheng)能與電(dian)(dian)能的(de)相(xiang)(xiang)互轉換(huan)(huan)(huan)。

 壓電晶(jing)(jing)體(ti)分為單(dan)壓電晶(jing)(jing)體(ti)與多(duo)晶(jing)(jing)壓電陶瓷。其中，壓電陶瓷占有相當大的比(bi)重(zhong)，是(shi)市(shi)場上應用最為廣泛的壓電材料(liao)。分述(shu)如下：

  a. 壓(ya)電單(dan)晶體(ti):  石(shi)(shi)英(ying)、水溶性(xing)壓(ya)電晶體(ti)（酒石(shi)(shi)酸(suan)鉀鈉(na)、酒石(shi)(shi)酸(suan)乙烯二(er)銨、酒石(shi)(shi)酸(suan)二(er)鉀、硫酸(suan)鉀等）。

  b. 多晶(jing)體壓(ya)電(dian)陶瓷:   鈦(tai)酸鋇壓(ya)電(dian)陶瓷、鋯鈦(tai)酸鉛系壓(ya)電(dian)陶瓷、鈮酸鹽系壓(ya)電(dian)陶瓷和(he)鈮鎂(mei)酸鉛壓(ya)電(dian)陶為(wei)代表性(xing)的(de)壓(ya)電(dian)陶瓷。

3. 壓電(dian)單晶體

 石英(ying)晶體(ti)性(xing)能穩定，機械強度(du)高(gao)，絕緣性(xing)能好，但價格昂貴(gui)，壓(ya)(ya)電(dian)(dian)系(xi)數遠低于(yu)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷，所(suo)以一般僅用于(yu)標準(zhun)儀器或(huo)要求較高(gao)的傳感器。石英(ying)晶體(ti)諧振(zhen)器具有很高(gao)的品質因數和穩定性(xing)，可用于(yu)對講機、電(dian)(dian)子手表、電(dian)(dian)視機、電(dian)(dian)子儀器等產品的諧振(zhen)腔，如圖3.2所(suo)示為石英(ying)晶體(ti)的壓(ya)(ya)電(dian)(dian)模型。

 此外，酒石(shi)酸鉀(jia)鈉、酒石(shi)酸乙烯二銨、酒石(shi)酸二鉀(jia)、硫酸鉀(jia)等水溶性壓(ya)(ya)電晶體是常(chang)見(jian)的(de)單晶壓(ya)(ya)電材料。目前，通過單晶化(hua)來提高(gao)多(duo)晶壓(ya)(ya)電陶瓷（如(ru)鈦酸鉛）的(de)壓(ya)(ya)電性能是壓(ya)(ya)電材料的(de)研(yan)究熱點(dian)之一。

4. 多晶(jing)體壓(ya)電陶瓷

  多晶體(ti)(ti)壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)(ci)(ci)是一(yi)種具有壓(ya)(ya)電(dian)效應的(de)(de)功能陶瓷(ci)(ci)(ci)材料(liao)，在高溫下將氧化(hua)物(wu)混合燒結(jie)，可(ke)以實現機械(xie)能和電(dian)能的(de)(de)轉(zhuan)換。目前市場上常(chang)見的(de)(de)多晶體(ti)(ti)壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)(ci)(ci)為鋯(gao)鈦酸鉛（PZT)系壓(ya)(ya)電(dian)材料(liao)。壓(ya)(ya)電(dian)材料(liao)的(de)(de)研(yan)究(jiu)熱點主要有：①. 低溫燒結(jie)PZT陶瓷(ci)(ci)(ci)；②. 大功率(lv)高轉(zhuan)換效率(lv)的(de)(de)PZT壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)(ci)(ci)；③. 壓(ya)(ya)電(dian)復(fu)合材料(liao)；④. 無鉛壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)(ci)(ci)；⑤. 單晶化(hua)。如圖3.3所示(shi)為壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷(ci)(ci)(ci)的(de)(de)發展歷史。

5. 壓電晶體(ti)的主要性能(neng)參數(shu)

 a. 壓電應變常數 d₃₃

 壓(ya)電應變常(chang)數表示單(dan)位電壓(ya)作(zuo)用于(yu)壓(ya)電晶(jing)體時所產生的應變大(da)小(xiao)，其表達式為

  d₃₃ = Δt/U

  式中 Δt-晶片在厚度方向的形變量，單位為m(米）；

         U--施加(jia)在壓(ya)電晶(jing)片兩面的應(ying)力，單位為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)電(dian)電(dian)壓(ya)常數表示施加在(zai)壓(ya)電(dian)晶片上的(de)單位應(ying)力所產生(sheng)的(de)壓(ya)電(dian)梯度大小，其表達(da)式為(wei)

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加在壓(ya)電晶片兩面的應力，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(chang)數 ε

介(jie)電常(chang)數(shu)是(shi)表示(shi)絕緣能力特性的一個系數(shu)，其表達式為

 ε=C t/A

 式中(zhong) C-電容器電容；

       t-電容器(qi)極板距離；

       A-電容器極板(ban)面積(ji)。

 由(you)介電(dian)常數表(biao)達式(shi)可(ke)知(zhi)，當電(dian)容器(qi)極(ji)板距離和面積一(yi)定時，介電(dian)常數ε越大，電(dian)容C越大，即電(dian)容器(qi)存(cun)儲電(dian)量越多。壓電(dian)晶體(ti)的(de)ε應根據(ju)不(bu)同的(de)用途來選取。超聲波檢測的(de)壓電(dian)晶體(ti)，頻(pin)率要求高時，應小(xiao)一(yi)些(xie)。由(you)于ε小(xiao)、C小(xiao)，電(dian)容器(qi)充放(fang)電(dian)時間短，頻(pin)率高。反之(zhi)，應該大一(yi)些(xie)。

d. 機電(dian)耦(ou)合系數(shu) K

 機電(dian)耦合(he)系數K,表(biao)示壓(ya)電(dian)材料機械能(neng)（聲能(neng)）與(yu)電(dian)能(neng)的轉換效率，即

 K= 轉(zhuan)換的能量/輸入(ru)的能量

 對于正壓電(dian)效應，K=轉(zhuan)換(huan)的(de)(de)電(dian)能(neng)(neng)／輸入的(de)(de)機械(xie)(xie)能(neng)(neng)。對于負壓電(dian)效應，K=轉(zhuan)換(huan)的(de)(de)機械(xie)(xie)能(neng)(neng)／輸入的(de)(de)電(dian)能(neng)(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(chu)存的機(ji)(ji)械能E與一個周期內損(sun)耗的能量(liang)E損(sun)之比(bi)稱為機(ji)(ji)械品質因(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

 由駐(zhu)波理論(lun)可知，壓電晶片在(zai)高頻電脈(mo)沖激勵下(xia)產(chan)生共振的條件是(shi)

 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(xuan)用(yong)原則

 對于壓電超聲換能(neng)器采用(yong)的(de)壓電晶(jing)片，其(qi)選用(yong)原(yuan)則(ze)可參考如下：

  a. 性(xing)能指標適當(dang)，以滿足具(ju)體使用要求為度(du)量，不宜(yi)過分(fen)追求各項性(xing)能的高指標；

  b. 工(gong)作(zuo)性能要穩定、可靠；

  c. 價格(ge)低(di)廉(lian)，加工方便。

超聲波換能器(qi)對(dui)晶片(pian)的要求(qiu)如(ru)下：

  a. 機電耦合(he)系數(shu)K較大，以便獲(huo)得較高(gao)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。