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(yi)種(zhong)晶(jing)(jing)體，當(dang)受到擠壓或(huo)者拉伸作用力(li)的時候，產生(sheng)(sheng)形(xing)(xing)變，使得其(qi)中的帶電(dian)質點(dian)發(fa)生(sheng)(sheng)相對位(wei)移，因(yin)此大(da)小(xiao)相等極性(xing)相反的正(zheng)電(dian)荷(he)和負電(dian)荷(he)會出現(xian)(xian)在晶(jing)(jing)體表(biao)面，然后在兩端產生(sheng)(sheng)不同的電(dian)荷(he)，此時晶(jing)(jing)體將處于(yu)帶電(dian)狀態，并且由作用力(li)產生(sheng)(sheng)的電(dian)荷(he)量與(yu)作用力(li)的大(da)小(xiao)成正(zheng)比；當(dang)作用力(li)撤去(qu)之(zhi)后，晶(jing)(jing)體恢(hui)復到它的中性(xing)狀態，這(zhe)種(zhong)現(xian)(xian)象被(bei)稱(cheng)(cheng)作正(zheng)壓電(dian)效(xiao)應(ying)。當(dang)此類(lei)晶(jing)(jing)體處于(yu)電(dian)場中時，晶(jing)(jing)體會沿一(yi)定的方向產生(sheng)(sheng)機(ji)械形(xing)(xing)變；電(dian)場撤去(qu)之(zhi)后形(xing)(xing)變消失，晶(jing)(jing)體恢(hui)復原狀，這(zhe)種(zhong)現(xian)(xian)象被(bei)稱(cheng)(cheng)為逆(ni)壓電(dian)效(xiao)應(ying)或(huo)電(dian)致伸縮效(xiao)應(ying)。正(zheng)壓電(dian)效(xiao)應(ying)與(yu)逆(ni)壓電(dian)效(xiao)應(ying)被(bei)統(tong)稱(cheng)(cheng)為壓電(dian)效(xiao)應(ying)，如圖3.1所示。這(zhe)種(zhong)物理現(xian)(xian)象在1880年被(bei)居(ju)里(li)兄(xiong)弟發(fa)現(xian)(xian)，正(zheng)是由于(yu)這(zhe)種(zhong)現(xian)(xian)象，壓電(dian)晶(jing)(jing)體被(bei)廣泛應(ying)用于(yu)產生(sheng)(sheng)超聲(sheng)波的晶(jing)(jing)體振(zhen)蕩器。

  壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)(ying)的原理是(shi)，如(ru)果(guo)對壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)材料施(shi)加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力，就(jiu)會產生(sheng)電(dian)(dian)(dian)位差（稱(cheng)為正壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)(ying)），反之施(shi)加(jia)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)時，會產生(sheng)機(ji)(ji)械應(ying)(ying)力（稱(cheng)為逆壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)應(ying)(ying)）。如(ru)果(guo)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力是(shi)高(gao)(gao)頻(pin)(pin)振動，就(jiu)會產生(sheng)高(gao)(gao)頻(pin)(pin)電(dian)(dian)(dian)流。當高(gao)(gao)頻(pin)(pin)電(dian)(dian)(dian)信號(hao)(hao)應(ying)(ying)用(yong)(yong)于壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷上時，會產生(sheng)高(gao)(gao)頻(pin)(pin)聲信號(hao)(hao)（機(ji)(ji)械振動），通常稱(cheng)為超(chao)聲信號(hao)(hao)。也(ye)就(jiu)是(shi)說，壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶片可以(yi)因機(ji)(ji)械形變(bian)產生(sheng)電(dian)(dian)(dian)場(chang)，也(ye)可以(yi)因電(dian)(dian)(dian)場(chang)的作用(yong)(yong)產生(sheng)機(ji)(ji)械形變(bian)，實現機(ji)(ji)械能與電(dian)(dian)(dian)能之間的轉換和逆轉換，這種(zhong)內在(zai)(zai)的機(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)耦(ou)合效(xiao)應(ying)(ying)使得(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶體在(zai)(zai)工程中得(de)到了(le)廣泛的應(ying)(ying)用(yong)(yong)。

2. 壓電晶體

  在機械(xie)力(li)的作(zuo)用下，產(chan)生形變，使帶電(dian)粒子具(ju)有(you)(you)相對位移(yi)，使晶體(ti)表面具(ju)有(you)(you)正(zheng)負束縛電(dian)荷，這樣的晶體(ti)叫(jiao)作(zuo)壓電(dian)晶體(ti)。壓電(dian)晶體(ti)極軸兩端產(chan)生的電(dian)勢(shi)差的性質稱為壓電(dian)特(te)性。分(fen)為單(dan)晶體(ti)與多晶體(ti)，其中多晶體(ti)材(cai)(cai)料又(you)稱作(zuo)壓電(dian)陶(tao)瓷。硫酸鋰、鈮酸鋰、石英(ying)等為常用的單(dan)晶材(cai)(cai)料。常用的多晶材(cai)(cai)料有(you)(you)鈦酸鋇、鈦酸鉛(qian)等。多晶體(ti)材(cai)(cai)料又(you)稱為壓電(dian)陶(tao)瓷。其中單(dan)晶體(ti)材(cai)(cai)料對接收更靈敏(min)，多晶材(cai)(cai)料的發射(she)靈敏(min)度(du)較(jiao)高。

  超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器中的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶片(pian)(pian)具有壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應，可利用(yong)超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器中壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)芯片(pian)(pian)的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應實現超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)(de)(de)產生(sheng)和(he)接(jie)(jie)收。在壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶體兩(liang)側的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)通(tong)(tong)交流電(dian)(dian)(dian)(dian)，通(tong)(tong)過(guo)逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應可知(zhi)，晶片(pian)(pian)會(hui)在厚度方向產生(sheng)伸縮的(de)(de)(de)機械(xie)振(zhen)動(dong)(dong)，將電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)轉換(huan)成聲(sheng)(sheng)能(neng)(neng)(neng)(neng)（機械(xie)能(neng)(neng)(neng)(neng)），此時(shi)探頭(tou)便發射(she)出超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)，再通(tong)(tong)過(guo)合適的(de)(de)(de)耦合劑與(yu)(yu)待檢測工件(jian)連接(jie)(jie)，振(zhen)動(dong)(dong)產生(sheng)的(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)便進入了工件(jian)。當壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)晶片(pian)(pian)接(jie)(jie)收到(dao)超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)時(shi)，受到(dao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)(de)激發便會(hui)產生(sheng)振(zhen)動(dong)(dong)發生(sheng)機械(xie)形(xing)(xing)變(bian)從(cong)而使(shi)晶體兩(liang)個表面產生(sheng)大(da)小相(xiang)同極(ji)性相(xiang)反的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)，形(xing)(xing)成超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)頻(pin)率的(de)(de)(de)高頻(pin)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)探傷(shang)儀(yi)的(de)(de)(de)接(jie)(jie)收電(dian)(dian)(dian)(dian)路正是(shi)(shi)(shi)通(tong)(tong)過(guo)對返回的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)信號進行一系列處(chu)理從(cong)而判斷(duan)工件(jian)是(shi)(shi)(shi)否有傷(shang)。顯然(ran)，超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)作用(yong)是(shi)(shi)(shi)實現聲(sheng)(sheng)能(neng)(neng)(neng)(neng)與(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)相(xiang)互轉換(huan)。

 壓電晶(jing)(jing)體(ti)分為單壓電晶(jing)(jing)體(ti)與(yu)多晶(jing)(jing)壓電陶瓷。其中，壓電陶瓷占有相當(dang)大的比重，是市場上應(ying)用最(zui)為廣泛的壓電材料。分述如(ru)下(xia)：

  a. 壓(ya)電(dian)單晶體:  石(shi)英、水溶性(xing)壓(ya)電(dian)晶體（酒石(shi)酸(suan)(suan)鉀鈉、酒石(shi)酸(suan)(suan)乙烯二(er)(er)銨、酒石(shi)酸(suan)(suan)二(er)(er)鉀、硫酸(suan)(suan)鉀等）。

  b. 多晶體壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci):   鈦酸鋇(bei)壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)、鋯(gao)鈦酸鉛系(xi)壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)、鈮酸鹽系(xi)壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)和(he)鈮鎂酸鉛壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)為代表性(xing)的壓(ya)電(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)。

3. 壓電單晶體

 石英晶(jing)體(ti)性能(neng)穩定，機械(xie)強度高，絕緣性能(neng)好，但價格昂(ang)貴，壓(ya)(ya)電系數(shu)遠(yuan)低(di)于(yu)壓(ya)(ya)電陶(tao)瓷，所(suo)以一般僅用(yong)(yong)于(yu)標準(zhun)儀器(qi)或要(yao)求較高的傳(chuan)感器(qi)。石英晶(jing)體(ti)諧振(zhen)(zhen)器(qi)具有很(hen)高的品質因數(shu)和穩定性，可用(yong)(yong)于(yu)對講機、電子(zi)手表、電視機、電子(zi)儀器(qi)等產品的諧振(zhen)(zhen)腔，如圖3.2所(suo)示(shi)為石英晶(jing)體(ti)的壓(ya)(ya)電模型(xing)。

 此(ci)外，酒(jiu)石酸鉀鈉、酒(jiu)石酸乙烯二(er)銨(an)、酒(jiu)石酸二(er)鉀、硫(liu)酸鉀等水溶性壓電(dian)(dian)晶體是常見的單(dan)晶壓電(dian)(dian)材料。目前，通過單(dan)晶化來提高多晶壓電(dian)(dian)陶瓷（如鈦酸鉛）的壓電(dian)(dian)性能(neng)是壓電(dian)(dian)材料的研究熱(re)點之(zhi)一。

4. 多晶(jing)體壓電陶瓷

  多(duo)晶(jing)體壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)是(shi)一種具有(you)(you)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效應的(de)(de)功能陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)(liao)，在高溫(wen)下(xia)將氧化物混合燒結，可以實現機械(xie)能和電(dian)(dian)能的(de)(de)轉換(huan)。目前市場(chang)上常見的(de)(de)多(duo)晶(jing)體壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)為鋯(gao)鈦酸(suan)鉛（PZT)系壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材(cai)料(liao)(liao)。壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)研究熱點主要有(you)(you)：①. 低溫(wen)燒結PZT陶(tao)瓷(ci)；②. 大(da)功率高轉換(huan)效率的(de)(de)PZT壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)；③. 壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)復合材(cai)料(liao)(liao)；④. 無(wu)鉛壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)；⑤. 單(dan)晶(jing)化。如圖3.3所示(shi)為壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)的(de)(de)發展歷史。

5. 壓電晶體的(de)主要性能參數(shu)

 a. 壓電應變常數 d₃₃

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

  d₃₃ = Δt/U

  式中 Δt-晶(jing)片在厚(hou)度方向的形(xing)變量(liang)，單位為m(米）；

         U--施加(jia)在壓(ya)電(dian)晶(jing)片兩面(mian)的應力，單(dan)位為(wei)V(伏(fu)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(ya)電電壓(ya)常數(shu)表示施加在壓(ya)電晶片上的(de)單位應力所產生的(de)壓(ya)電梯度大小，其(qi)表達式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加(jia)在壓(ya)電晶片兩面的(de)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

介電常數(shu)是表示絕(jue)緣能力特(te)性(xing)的(de)一(yi)個系數(shu)，其表達式為(wei)

 ε=C t/A

 式中(zhong) C-電容器(qi)電容；

       t-電(dian)容(rong)器極(ji)板距(ju)離；

       A-電容器極板面積。

 由(you)介電(dian)(dian)(dian)常數表達式可知，當電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)極板(ban)距(ju)離和面積一定時(shi)，介電(dian)(dian)(dian)常數ε越(yue)大(da)，電(dian)(dian)(dian)容(rong)C越(yue)大(da)，即電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)存儲電(dian)(dian)(dian)量越(yue)多。壓電(dian)(dian)(dian)晶體的(de)ε應根(gen)據不同的(de)用途來(lai)選取。超聲波檢測的(de)壓電(dian)(dian)(dian)晶體，頻率(lv)要求(qiu)高(gao)(gao)時(shi)，應小一些。由(you)于ε小、C小，電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)充放電(dian)(dian)(dian)時(shi)間短，頻率(lv)高(gao)(gao)。反(fan)之，應該大(da)一些。

d. 機電耦(ou)合系數 K

 機電耦合系數K,表(biao)示壓電材料(liao)機械能(neng)(neng)（聲能(neng)(neng)）與電能(neng)(neng)的(de)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率，即

 K= 轉(zhuan)換(huan)的能(neng)(neng)量/輸入的能(neng)(neng)量

 對于(yu)正壓電效(xiao)應，K=轉換(huan)的電能(neng)(neng)／輸入的機械能(neng)(neng)。對于(yu)負壓電效(xiao)應，K=轉換(huan)的機械能(neng)(neng)／輸入的電能(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

 壓電晶片在諧振(zhen)時儲存(cun)的機械能(neng)E與一個周期(qi)內損耗的能(neng)量E損之(zhi)比(bi)稱為機械品質因子(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(zhu)波理論(lun)可知，壓電(dian)晶(jing)片在(zai)高頻電(dian)脈沖激勵下產(chan)生共(gong)振的條(tiao)件(jian)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. 壓電晶體的選用原則

 對于壓(ya)電(dian)超聲換能器采(cai)用的壓(ya)電(dian)晶片(pian)，其選(xuan)用原則可參(can)考如(ru)下：

  a. 性能指標(biao)適(shi)當，以滿足具體(ti)使用(yong)要求為度量，不宜過分(fen)追求各(ge)項性能的(de)高(gao)指標(biao)；

  b. 工作性能要穩定、可靠；

  c. 價格低廉，加工方便。

超聲波換(huan)能器對晶片(pian)的要求如下：

  a. 機電耦(ou)合系(xi)數K較大，以便獲得(de)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。