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(tǒng)的重要組成部分。超聲波檢測的主要設(shè)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(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，所以超聲波探頭也叫超聲波換能器，其電聲轉(zhuǎn)換是可逆的，且轉(zhuǎn)換時間極短，可以忽略不計。根據(jù)超聲波的產(chǎn)生方式和電聲轉(zhuǎn)換的不同，超聲波換能器有很多種。這些電聲轉(zhuǎn)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(chǎn)生和接收超聲波；利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生電磁超聲以及利用機械振動、熱效應(yīng)和靜電法等都能產(chǎn)生和接收超聲波，利用壓電效應(yīng)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(yīng)

  有一種晶體，當(dāng)受到擠壓或者拉伸作用力的時候，產(chǎn)生形變，使得其中的帶電質(zhì)點發(fā)生相對位移，因此大小相等極性相反的正電荷和負電荷會出現(xiàn)在晶體表面，然后在兩端產(chǎn)生不同的電荷，此時晶體將處于帶電狀態(tài)，并且由作用力產(chǎn)生的電荷量與作用力的大小成正比；當(dāng)作用力撤去之后，晶體恢復(fù)到它的中性狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱作正壓電效應(yīng)。當(dāng)此類晶體處于電場中時，晶體會沿一定的方向產(chǎn)生機械形變；電場撤去之后形變消失，晶體恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象被稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)被統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)，如圖3.1所示。這種物理現(xiàn)象在1880年被居里兄弟發(fā)現(xiàn)，正是由于這種現(xiàn)象，壓電晶體被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)生超聲波的晶體振蕩器。

  壓電效應(yīng)的原理是，如果對壓電材料施加壓力，就會產(chǎn)生電位差（稱為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓時，會產(chǎn)生機械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是高頻振動，就會產(chǎn)生高頻電流。當(dāng)高頻電信號應(yīng)用于壓電陶瓷上時，會產(chǎn)生高頻聲信號（機械振動），通常稱為超聲信號。也就是說，壓電晶片可以因機械形變產(chǎn)生電場，也可以因電場的作用產(chǎn)生機械形變，實現(xiàn)機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換，這種內(nèi)在的機電耦合效應(yīng)使得壓電晶體在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

2. 壓電晶體

  在機械力的作用下，產(chǎn)生形變，使帶電粒子具有相對位移，使晶體表面具有正負束縛電荷，這樣的晶體叫作壓電晶體。壓電晶體極軸兩端產(chǎn)生的電勢差的性質(zhì)稱為壓電特性。分為單晶體與多晶體，其中多晶體材料又稱作壓電陶瓷。硫酸鋰、鈮酸鋰、石英等為常用的單晶材料。常用的多晶材料有鈦酸鋇、鈦酸鉛等。多晶體材料又稱為壓電陶瓷。其中單晶體材料對接收更靈敏，多晶材料的發(fā)射靈敏度較高。

  超聲波換能器中的壓電晶片具有壓電效應(yīng)，可利用超聲換能器中壓電芯片的壓電效應(yīng)實現(xiàn)超聲波的產(chǎn)生和接收。在壓電晶體兩側(cè)的電極通交流電，通過逆壓電效應(yīng)可知，晶片會在厚度方向產(chǎn)生伸縮的機械振動，將電能轉(zhuǎn)換成聲能（機械能），此時探頭便發(fā)射出超聲波，再通過合適的耦合劑與待檢測工件連接，振動產(chǎn)生的超聲波便進入了工件。當(dāng)壓電晶片接收到超聲波時，受到聲波能量的激發(fā)便會產(chǎn)生振動發(fā)生機械形變從而使晶體兩個表面產(chǎn)生大小相同極性相反的電荷，形成超聲波頻率的高頻電壓，超聲波探傷儀的接收電路正是通過對返回的電信號進行一系列處理從而判斷工件是否有傷。顯然，超聲波換能器的作用是實現(xiàn)聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換。

 壓電晶體分為單壓電晶體與多晶壓電陶瓷。其中，壓電陶瓷占有相當(dāng)大的比重，是市場上應(yīng)用最為廣泛的壓電材料。分述如下：

  a. 壓電單晶體:  石英、水溶性壓電晶體（酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸鉀等）。

  b. 多晶體壓電陶瓷:   鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶為代表性的壓電陶瓷。

3. 壓電單晶體

 石英晶體性能穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能好，但價格昂貴，壓電系數(shù)遠低于壓電陶瓷，所以一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器。石英晶體諧振器具有很高的品質(zhì)因數(shù)和穩(wěn)定性，可用于對講機、電子手表、電視機、電子儀器等產(chǎn)品的諧振腔，如圖3.2所示為石英晶體的壓電模型。

 此外，酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸鉀等水溶性壓電晶體是常見的單晶壓電材料。目前，通過單晶化來提高多晶壓電陶瓷（如鈦酸鉛）的壓電性能是壓電材料的研究熱點之一。

4. 多晶體壓電陶瓷

  多晶體壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的功能陶瓷材料，在高溫下將氧化物混合燒結(jié)，可以實現(xiàn)機械能和電能的轉(zhuǎn)換。目前市場上常見的多晶體壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛（PZT)系壓電材料。壓電材料的研究熱點主要有：①. 低溫?zé)Y(jié)PZT陶瓷；②. 大功率高轉(zhuǎn)換效率的PZT壓電陶瓷；③. 壓電復(fù)合材料；④. 無鉛壓電陶瓷；⑤. 單晶化。如圖3.3所示為壓電陶瓷的發(fā)展歷史。

5. 壓電晶體的主要性能參數(shù)

 a. 壓電應(yīng)變常數(shù) d₃₃

 壓電應(yīng)變常數(shù)表示單位電壓作用于壓電晶體時所產(chǎn)生的應(yīng)變大小，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--施加在壓電晶片兩面的應(yīng)力，單位為V(伏特）。

 壓電應(yīng)變常數(shù)d₃₃是測量壓電晶體材料發(fā)射靈敏度的重要參數(shù)。d₃₃值越大，發(fā)射性能越差，發(fā)射靈敏度越高。

b. 壓電電壓常數(shù) g₃₃

 壓電電壓常數(shù)表示施加在壓電晶片上的單位應(yīng)力所產(chǎn)生的壓電梯度大小，其表達式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加在壓電晶片兩面的應(yīng)力，單位為N(牛）；

      U_p-晶片表面產(chǎn)生的電壓梯度，U_p = U/t，單位為V/m(伏特／米）。

c. 介電常數(shù) ε

介電常數(shù)是表示絕緣能力特性的一個系數(shù)，其表達式為

 ε=C t/A

 式中 C-電容器電容；

       t-電容器極板距離；

       A-電容器極板面積。

 由介電常數(shù)表達式可知，當(dāng)電容器極板距離和面積一定時，介電常數(shù)ε越大，電容C越大，即電容器存儲電量越多。壓電晶體的ε應(yīng)根據(jù)不同的用途來選取。超聲波檢測的壓電晶體，頻率要求高時，應(yīng)小一些。由于ε小、C小，電容器充放電時間短，頻率高。反之，應(yīng)該大一些。

d. 機電耦合系數(shù) K

 機電耦合系數(shù)K,表示壓電材料機械能（聲能）與電能的轉(zhuǎn)換效率，即

 K= 轉(zhuǎn)換的能量/輸入的能量

 對于正壓電效應(yīng)，K=轉(zhuǎn)換的電能／輸入的機械能。對于負壓電效應(yīng)，K=轉(zhuǎn)換的機械能／輸入的電能。

 探頭晶片振動時，會產(chǎn)生厚度和徑向兩個方向的伸縮變形，因此機電耦合系數(shù)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(fā)射脈沖變寬，導(dǎo)致分辨力降低，盲區(qū)增大。

e. 機械品質(zhì)因子 θ_m

 壓電晶片在諧振時儲存的機械能E與一個周期內(nèi)損耗的能量E損之比稱為機械品質(zhì)因子θm.

 壓電晶片振動損耗的能量主要是內(nèi)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(xù)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(shù)N_i

 由駐波理論可知，壓電晶片在高頻電脈沖激勵下產(chǎn)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(shù)，稱為頻率常數(shù)，用N_i表示。厚度一定，頻率常數(shù)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(yīng)與溫度有關(guān)。它只能在一定的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生，超過這個溫度范圍，壓電效應(yīng)就消失了。壓電材料的壓電效應(yīng)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(shù)見表3.1。

6. 壓電晶體的選用原則

 對于壓電超聲換能器采用的壓電晶片，其選用原則可參考如下：

  a. 性能指標適當(dāng)，以滿足具體使用要求為度量，不宜過分追求各項性能的高指標；

  b. 工作性能要穩(wěn)定、可靠；

  c. 價格低廉，加工方便。

超聲波換能器對晶片的要求如下：

  a. 機電耦合系數(shù)K較大，以便獲得較高的轉(zhuǎn)換效率；

  b. 機械品質(zhì)因子θ_m較大，以便獲得較高的轉(zhuǎn)換效率；

  c. 壓電應(yīng)變常數(shù)d₃₃和壓電電壓常數(shù)g₃₃較大，以便獲得較高的發(fā)射和接收靈敏度；

  d. 頻率常數(shù)N_i較大，介電常數(shù)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(dāng)。